Naturaleza Molecular del Gen y Genoma PDF

NATURALEZA MOLECULAR DEL GEN Y DEL GENOMA POR: MSc. María Félix Ríos de Iglesias CONCEPTO DE GENOMA Y GEN  Genoma: Conjunto de genes de una especie.  Gen: a. Unidad informativa discreta responsable de una característica transmisible. Ej. Color d...

NATURALEZA MOLECULAR DEL GEN Y DEL GENOMA POR: MSc. María Félix Ríos de Iglesias CONCEPTO DE GENOMA Y GEN  Genoma: Conjunto de genes de una especie.  Gen: a. Unidad informativa discreta responsable de una característica transmisible. Ej. Color de ojos, estatura, textura de la semilla, etc. b. Secuencia de ADN con la información necesaria para la síntesis de una proteína particular. c. Secuencia de ADN transcripto que genera un producto con función celular específica.  ORGANIZACIÓN DEL GENOMA EN PROCARIOTAS Y EUCARIOTAS  El ADN procarionte se presenta como una única molécula circular, en tanto el ADN eucarionte es de estructura lineal. Además las células eucariotas poseen usualmente más de una molécula de ADN en sus núcleos. Cada molécula corresponde a un cromosoma, cuyo número es constante para todas las células de una misma especie (con excepción de las gametas).  · El ADN eucarionte, por otro lado, se halla asociado íntimamente a diferentes proteínas, entre las cuales las histonas juegan el papel más importante en lo que respecta al empaquetamiento del ADN. Esta asociación a histonas no se verifica en el ADN procarionte, por lo cual se lo ha denominado “ADN desnudo”. ORGANIZACIÓN DEL GENOMA (CONT.)  En las células eucariotas los cromosomas están confinados en el compartimiento nuclear, donde tiene lugar la transcripción, mientras que la traducción se localiza en el citoplasma; por lo tanto, ambos procesos se encuentran separados espacial y temporalmente. Esto permite que los transcriptos de ARN experimenten en el núcleo un proceso de maduración previo a la traducción.  En las células procariotas, donde no existe la envoltura nuclear, el ADN está en contacto directo con el citosol, y los procesos de transcripción y traducción no se hallan separados en espacio ni en tiempo. Los ARNs no son sometidos a modificaciones postranscripcionales.  ORGANIZACIÓN DEL GENOMA  Los eucariontes tienen genomas mucho más grandes que los procariontes. Aunque el valor C (cantidad haploide de ADN de una especie) es muy variable entre los mismos eucariontes. No necesariamente un mayor valor C refleja una mayor complejidad genética. ¿CÓMO SE EXPRESAN LAS INSTRUCCIONES GENÉTICAS CONTENIDAS EN EL ADN?  Transcripción: Síntesis de ARN a partir del ADN. El ARN contiene toda la información de la secuencia de bases del ADN de la que ha sido copiado.  Traducción: Momento en el cual el ARN ejecuta las instrucciones recibidas cristalizándolas en la síntesis de una proteína específica. FLUJO DE INFORMACIÓN GENÉTICA  TRANSCRIPCIÓN  La transcripción, tanto en células procariotas como eucariotas, involucra la participación de una enzima ARN polimerasa ADN dependiente. Ésta sintetiza una cadena de ARN cuyos inicio, terminación y secuencia de bases vienen determinados por el propio gen.  PASOS DEL PROCESO DE TRANSCRIPCIÓN  El primer paso de la transcripción es la unión de la enzima ARN polimerasa a una región del gen llamada promotor. El promotor es una secuencia específica de bases con alta afinidad por la enzima, por lo que proporciona a la misma su sitio de unión al ADN. Es asimismo una señal que indica cuál cadena se ha de transcribir. La transcripción es asimétrica, pues usualmente sólo se transcribe una de las dos cadenas que forman cada gen. La cadena que actúa como plantilla es la cadena molde, negativa o no codificante; la hebra no transcripta, complementaria de la anterior, se denomina antimolde, positiva o codificante. La ARN polimerasa se desplaza sobre la cadena molde, recorriéndola en dirección 3’ => 5’ o “río abajo” y transcribiéndola a partir del nucleótido que el promotor señala como punto de inicio de la transcripción. Este nucleótido se nombra +1 y los siguientes, río abajo, siguen la numeración correlativa (+2, +3, etc.). Partiendo desde el punto de inicio en la dirección contraria, es decir “río o corriente arriba”, los nucleótidos se numeran –1, -2, etc. DIRECCIÓN DE LA TRANSCRIPCIÓN EL PROCESO DE TRANSCRIPCIÓN  La ARN polimerasa sólo puede desplazarse y transcribir si previamente la doble hélice sufre un desenrrollamiento y fusión (separación de las cadenas complementarias por ruptura de los puentes de hidrógeno entre las bases). La misma enzima cataliza ambos procesos, generando hacia el extremo 3´ una burbuja de transcripción, un tramo de aproximadamente 12 nucleótidos de longitud, en el cual las cadenas permanecen desapareadas. La burbuja de transcripción aparenta avanzar río abajo junto con la enzima, pues a medida que progresa la fusión por delante de ella, la doble hélice se recompone por detrás. BURBUJA DE TRANSCRIPCIÓN La formación de la burbuja causa una supertorsión o superenrollamiento de la doble hélice en los sectores ubicados hacia el extremo 5’ del molde. Este fenómeno es corregido por la acción de una enzima topoisomerasa I. TRANSCRIPCIÓN (CONT.)  Cuando el molde ya ha sido desapareado en la burbuja de transcripción y expone sus bases, éstas son reconocidas por la ARN polimerasa. A medida que la enzima “lee” la plantilla, coloca junto a cada base de la misma el ribonucleótido trifosfato portador de la base complementaria. A los desoxirribonucleótidos de A, T, C y G se le aparean, respectivamente, los ribonucleótidos de U (recordemos que el ARN no contiene T), A, G y C mediante puentes de hidrógeno. Una vez ubicados los dos primeros ribonucleótidos, la enzima cataliza la formación del puente fosfodiéster entre ambos, iniciándose la cadena de ARN. INCORPORACIÓN DE RIBONUCLEÓTIDOS EN EL EXTREMO 3' DE ARN  El enlace fosfodiéster se produce entre el hidroxilo en posición 3’ del primer nucleótido y el grupo fosfato interno, en posición 5’, del segundo. Un grupo pirofosfato de este último es liberado como producto y escindido rápidamente en dos fosfatos por la acción de una pirofosfatasa. Dicha ruptura es tan exergónica que la reacción inversa se torna prácticamente imposible. Así, desde el punto de vista termodinámico, se favorece la síntesis de la nueva cadena. Por lo tanto, son los mismos sustratos los que, por estar trifosfatados, aportan la energía necesaria para su TRANSCRIPCIÓN (CONT.)  Siempre los nucleótidos recién incorporados al ARN forman una hélice corta ARN-ADN con su plantilla. Esta hélice híbrida es transitoria, pues conforme el polímero se alarga por su extremo 3’, el extremo 5’ se separa del molde, el cual vuelve a emparejarse con su hebra de ADN complementaria. FÍN DE LA TRANSCRIPCIÓN  La transcripción concluye cuando la ARN polimerasa alcanza una señal (una secuencia específica de bases del ADN) que actúa como señal de terminación. EL PROCESO DE TRANSCRIPCIÓN TIPOS DE ARN  A partir de distintos genes se transcriben diferentes clases de ARN: ARN mensajero(ARNm),ARN de transferencia(ARNt),ARN ribosómico(ARNr),ARN pequeños nucleares y citoplasmáticos (ARNpn/ARNpc respectivamente).  El ARNm es el portador de información acerca de la secuencia aminoacídica de una proteína.  ARN MENSAJERO (ARNM)  El ARNm dicta con exactitud la secuencia de aminoácidos en una cadena polipeptídica en particular. Las instrucciones residen en tripletes de bases a las que llamamos codones. Son los ARN más largos y pueden tener entre 1000 y 10000 nucleótidos  En los eucariontes los ARNm derivan de moléculas precursoras de mayor tamaño que se conocen en conjunto como ARN heterogéneo nuclear (hnARN), el cual presenta secuencias internas no presentes en ARN citoplasmáticos.  ARN RIBOSOMAL (ARNr)  Este tipo de ARN una vez transcripto, pasa al nucleolo donde se une a proteínas. De esta manera se forman las subunidades de los ribosomas. Aproximadamente dos terceras partes de los ribosomas corresponde a sus ARNr. ARN DE TRANSFERENCIA (ARNt)  Este es el más pequeño de todos, tiene aproximadamente 75 nucleótidos en su cadena, además se pliega adquiriendo lo que se conoce con forma de hoja de trébol plegada. El ARNt se encarga de transportar los aminoácidos libres del citoplasma al lugar de síntesis proteica. En su estructura presenta un triplete de bases complementario de un codón determinado, lo que permitirá al ARNt reconocerlo con exactitud y dejar el aminoácido en el sitio correcto. A este triplete lo llamamos anticodón.  ARNm EUCARIOTA  1-La mayoría de los ARNm eucariotas presentan la secuencia del mensaje interrumpida, es decir coexisten a lo largo de la molécula sectores que codifican para la proteína llamados EXONES, con secuencias intercaladas sin información denominadas INTRONES (Fig.  2- Los ARNm transcriptos primarios sufren una serie de modificaciones antes de salir al citoplasma como ARNm maduro. ESTRUCTURA EN MOSAICO DEL ARNM TRANSCRIPTO PRIMARIO EUCARIOTA ARNt  TRADUCCIÓN  La traducción se efectúa en tres etapas:  Iniciación  Elongación  Terminación  TRADUCCIÓN  Fase de iniciación: Un ARNt iniciador, dos subunidades de ribosomas y un ARNm convergen como un complejo de iniciación.  Elongación: Los ARNt ceden aminoácidos a los ribosomas intactos. Una parte de la molécula de ARNr situada en la región central del ribosoma cataliza la formación de enlace de péptidos entre los aminoácidos.  Terminación:En la etapa final un codón de FÍN y otros factores desencadenan la liberación de ARNm y la nueva cadena de polipéptidos. También hace que las subunidades del ribosoma se separen. INTERACCIONES DETERMINAN EL INICIO DE LA SÍNTESIS PROTEICA  Reconocimiento del codón de iniciación AUG en la subunidad menor del ribosoma  Acoplamiento de bases del codón AUG con el ARNt iniciador  Acoplamiento de la subunidad mayor del ribosoma cerrando el complejo de iniciación EL CICLO DE ELONGACIÓN DE LA SÍNTESIS SE CARACTERIZA POR:  La unión del aminoacil-ARNt (reconocido por el codón)  La formación del enlace peptídico  La translocación del ribosoma LOS ACONTECIMIENTOS QUE CARACTERIZAN A LA TERMINACIÓN DE LA SÍNTESIS SON:  El reconocimiento del codón stop  La disociación de las subunidades ribosómicas,el ARNm y la cadena polipeptídica.   EL COSTO ENERGÉTICO EN LA SÍNTESIS PROTEICA  La síntesis proteica requiere más energía que cualquier otro proceso anabólico. Para formar cada enlace peptídico se consumen tres enlaces de alta energía:  · uno en la activación del aminoácido;  · otro en la unión del aminoacil ~ARNt a la subunidad menor del ribosoma;  · el tercero en la translocación del ribosoma. CÓDIGO GENÉTICO  Forma en que las secuencias nucleotídicas del DNA codifican información para elaborar un producto proteico.  Conjunto de 64 codones, que son las bases nucleótidas del ARNm leídas en grupos de tres. Los codones (tripletes de bases) especifican distintas proteínas. CONT.  Algunos codones especifican más de un tipo de aminoácido. Por ejemplo, tanto GAA como GAG especifican glutamato.  En la mayoría de las especies el primer AUG en el transcrito es una señal de inicio para traducir “tres bases a la vez”. También significa que la metionina es el primer aminoácido en todas las cadenas nuevas de polipéptidos.  UAA, UAG y UGA no codifican para un aminoácido específico; son una señal de “FÍN” que bloquea adiciones posteriores de aminoácidos en la nueva cadena. CÓDIGO GENÉTICO  CARACTERÍSTICAS DEL CÓDIGO GENÉTICO  El código genético consta de 64 codones o tripletes de bases.61 codones codifican aminoácidos.  3 codones funcionan como señales de terminación.  El código no es ambiguo, pues cada codón especifica a un solo aminoácido.  El código es degenerado, ya que un aminoácido puede estar codificado por diferentes codones.  Es universal, debido a que sus mensajes son interpretados de la misma forma por todos los organismos.  Utiliza un marco de lectura establecido al inicio de la traducción y no lo modifica.  No se produce solapamiento de codones.   ¿DE QUÉ MANERA SE LEEN LOS CODONES DURANTE LA SÍNTESIS PROTEICA?  Consideremos la siguiente secuencia de bases de un ARNm:  5’-----GUUCCCAUA----3’  Si comenzamos la lectura en la G situada hacia el extremo 5’, este mensaje podría ser traducido como una secuencia de tres aminoácidos (las palabras del código se leen de corrido, sin ningún “signo de puntuación” entre ellas):  Valina - prolina - isoleucina  MARCO DE LECTURA  Los ARNm portan un codón, el AUG (codifica metionina), que es interpretado por los ribosomas como codón de iniciación. Este codón da el marco o cuadro de lectura que será empleado de allí en más. En adelante, el ribosoma se desplazará a lo largo del ARNm en bloques consecutivos de tres bases, garantizando la lectura de los codones apropiados. INTERACCIONES ARNm Y ARNt  Se llevan a cabo en los ribosomas  Un ribosoma tiene dos subunidades compuestas por ARNr y proteínas estructurales.  Los ARNt llevan aminoácidos a los ribosomas. Sus anticodones aparean sus bases con codones en el orden especificado por el ARNm.  Sólo el ARNm lleva del núcleo al citoplasma las instrucciones para producir proteínas del ADN. RIBOSOMAS  Las cadenas de polipéptidos se crean en los ribosomas, formadas por una subunidad grande y otra pequeña constituídas por ARNr y proteínas.  MECANISMOS DE REGULACIÓN GÉNICA EN EUCARIOTAS  Control transcripcional  A- Factores de transcripción  B- Grado de condensación de la cromatina  C- Grado de metilación  Control procesamiento del ARNm  Empalme alternativo  Control transporte del ARNm  Mecanismos que determinan si el ARNm maduro sale o no a citosol  Control traduccional  Mecanismos que determinan si el ARNm presente en el citosol es o no traducido  Control de la degradación del ARNm  Mecanismos que determinan la supervivencia del ARNm en el citosol  Control de la actividad proteica  Mecanismos que determinan la activación o desactivación de una proteína, como así también el tiempo de supervivencia de la misma. Las subunidades ribosómicas trabajan conjuntamente para la síntesis proteica. La subunidad menor aloja al ARNm sobre el cual se acomodan los ARNt para que puedan unirse los aminoácidos que transportan. MODELO DE RIBOSOMA QUE REPRESENTA LA UBICACIÓN TENTATIVA DEL ARNM Y DE LA PROTEÍNA NACIENTE RIBOSOMAS PROCARIOTAS Y EUCARIOTAS los ribosomas procariotas y eucariotas se diferencian en su tamaño, coeficiente de sedimentación , y en el tipo y número de moléculas de ARNr y proteínas que los forman: GRACIAS