La información contenida en el DNA está en forma de secuencias específicas de nucleótidos.
El DNA heredado por un individuo genera características específicas que llevan a la síntesis de proteínas.
Las proteínas son el enlace entre el genotipo y el fenotipo.
Existen 4 nucleótidos para especificar los 20 aminoácidos que componen las proteínas.
Expresión Genética
Es el proceso mediante el cual el DNA dirige la síntesis de proteína.
Este incluye 2 eventos:
Transcripción
Traducción
Puente Entre DNA y Síntesis de Proteínas
El puente entre el DNA y la síntesis de proteínas es el mRNA: DNA→mRNA→Proteıˊna
Genes Codifican Proteínas Vía Transcripción y Traducción
¿Cómo se descubre la relación fundamental entre el DNA y las proteínas?
Evidencia de Estudios con Defectos Metabólicos
En 1902, Archibald Garrod sugiere que los genes dictan los fenotipos ya que codifican para enzimas que catalizan reacciones químicas específicas.
Pensaba que los síntomas de enfermedades heredadas reflejaban la falta de habilidad de cierta enzima.
Mutantes Nutricionales de Neurospora
George Beadle y Edward Tatum expusieron el moho del pan a rayos X, creando mutantes incapaces de sobrevivir en medio mínimo.
Identificaron tres clases de mutantes deficientes en arginina, cada uno carece de una enzima diferente necesaria para sintetizar arginina.
Desarrollan HIPÓTESIS:
Un gen codifica para una enzima.
Hipótesis Correcta
Actualmente se sabe que:
Un gen codifica para una cadena polipeptídica.
Recordar que una proteína puede estar compuesta por más de una cadena. Cada cadena puede estar codificada por un gen distinto.
Dogma Central de la Biología Molecular
DNA→RNA→Proteıˊna
Comparación Procariotes vs. Eucariotes
Procariotes
La traducción puede comenzar antes de que la transcripción finalice.
No hay procesamiento de los RNA.
Ambos procesos ocurren en el citoplasma bacterial.
Eucariotes
La membrana nuclear divide la transcripción de la traducción.
Se forma un pre-mRNA o transcripto primario que es modificado antes de traducirse en el ribosoma.
Código Genético
¿Cómo están las instrucciones del ensamblaje de una proteína codificados en el DNA?
Hay 20 aminoácidos pero sólo 4 bases en el DNA.
¿Cuántos nucleótidos corresponden a un aminoácido?
Triplete de Nucleótidos
El flujo de la información de un gen a una proteína se basa en un código de tripletes que no se sobrelapan.
Las palabras (formadas por 3 nucleótidos) en el DNA luego son transcritas en una hebra complementaria de mRNA.
Estas palabras en el mRNA llamadas codones luego son traducidas a aminoácidos en la proteína.
Transcripción
Durante la transcripción una hebra de DNA sirve como templado (hebra o cadena templado) y provee la secuencia ordenada de nucleótidos en el transcripto de RNA.
El m-RNA es complementario al DNA templado.
La hebra templado es siempre la misma para un gen dado.
Durante la traducción los codones en el mRNA se leen siempre de 5’ a 3’.
Cada codón especifica para un aminoácido.
Descifrando el Código
Hay 64 codones totales
61 codifican para aminoácidos
3 codones codifican como señales de terminación de la traducción (STOP codons)
El código genético es redundante: hay más de un codón para un mismo aminoácido
El código no es ambiguo: un codón no puede especificar para más de un aminoácido
Los codones deben ser leídos en un marco de lectura (“reading frame”) correcto.
Es universal: es el mismo en todos los organismos
Biotecnología
Un gen de una especie puede transcribirse en otra.
Ej. Las bacterias se pueden transformar con genes humanos: insulina, hormona de crecimiento, interferón, etc.
Transcripción en Detalle
Primer paso en la expresión génica.
La enzima RNA-polimerasa es la encargada del proceso.
El RNA es complementario a la hebra templada de DNA.
En el apareo de las bases es el mismo excepto que: Uracil (U) se sustituye por Timina (T).
El fragmento de DNA que se transcribe se conoce como la unidad de transcripción.
La secuencia donde se coloca la RNA-polimerasa para comenzar el proceso de transcripción se conoce como el promotor.
En bacterias la terminación ocurre al llegar a una secuencia conocida como el terminador.
Etapas de la Transcripción
Iniciación
Alargamiento o Elongación
Terminación
Iniciación
En Eucariotes: La RNA polimerasa II se une al promotor en el cual se encuentran:
El “TATA box” y el “start point”
Factores de transcripción ayudan a que la RNA polimerasa se pegue y se comience con la transcripción.
La polimerasa junto con los factores de transcripción unidos al promotor se llaman el complejo de iniciación de la transcripción.
En los eucariotes el “TATA box” es esencial para que se forme el complejo de iniciación.
Alargamiento del RNA
Mientras la RNA-poly se mueve… esta va desenrrollando la hélice de DNA quedando expuestas 10-20 bases de DNA.
La velocidad: 40 nucleótidos/segundo
Los nucleótidos se colocan en el terminal 3’ del RNA. El RNA crece de 5’ a 3’.
Un gen puede ser transcrito por varias polimerasas a la vez.
Mecanismo de Terminación: Eucariotes vs. Procariotas
Procariotes
La transcripción sigue hasta llegar a la secuencia de terminación en el DNA.
Esto causa que la polimerasa salga del DNA y libere el transcripto.
El m-RNA está listo para la traducción.
Eucariotes
La RNA polimerasa II transcribe la secuencia señal de poliadenilación.
El transcrito de RNA es liberado luego de pasar de 10–35 nucleótidos de esta secuencia.
Está listo para su procesamiento.
Procesamiento y Modificaciones del Pre-mRNA en Eucariotes
Ocurre en el núcleo antes de la traducción en el citoplasma.
Alteraciones del Pre m-RNA
Ambos terminales son modificados por enzimas
En el terminal 3’ se colocan 50-250 nucleótidos de adenina; formando una cola poli-A
Al terminal 5’ se añade un “cap” o gorro de guanina modificada
Se remueven los intrones
Alteraciones en los Extremos Ayudan a:
Facilitar la salida del m-RNA maduro del núcleo al citoplasma.
Proteger el m-RNA de degradación por enzimas hidrolíticas
Ayudan a que el ribosoma se pegue al terminal 5 del m-RNA
Empalme de RNA (RNA splicing)
Es el proceso de remover porciones del pre-RNA sintetizado que no codifican para la proteína.
Estos segmentos se llaman intrón(es).
Exon(es) - Segmentos en el RNA que codifican para la proteína.
Empalme del RNA (RNA splicing)
La señal para el empalme en el RNA es una secuencia corta de nucleótidos al final del cada intrón, “small nuclear ribonucleoproteins”, snRNPs, o “snurps”
Están en el núcleo
Compuestas de RNA y proteínas moleculares
Tienen alrededor de 150 nucleótidos
“Small nuclear RNA”- RNA que se encuentra en el snRNPs
Se une a otras proteínas para formar el espliciosoma
Spliceosome
En algunos casos la remoción de intrones ocurre en los spliceosome.
Consisten de proteínas y snRNP.
Corta en lugares específicos y liberan el “intrón”, uniendo los dos exones.
Ribozimas
Son moléculas de RNA catalíticas que funcionan como enzimas.
Se ha encontrado que otros pre-m RNA remueven intrones sin utilizar los splisosomes.
Tres Propiedades del RNA que lo Hacen Funcionar Como Enzima
Pueden formar estructuras en tres dimensiones debido a su habilidad de aparear bases con el mismo.
Algunas bases en el RNA contienen grupos funcionales que participan en catálisis.
El RNA puede formar puentes de H con otras moléculas de ácidos nucleicos.
Importancia de los Intrones
Pueden contener secuencias importantes reguladoras de la expresión genética
Algunos genes pueden formar más de una proteína dependiendo de los exones que se empalman. Empalme de RNA alternativo (alternative RNA splicing).
Consecuentemente el número de proteínas que un organismo puede producir es mayor al número de genes en su genoma.
Dominios y Exones
Algunas veces un exon codifica para un dominio en una proteína.
Combinaciones diferentes de estos dominios han creado variedad de proteínas.
Síntesis de Proteínas - Traducción
Es la síntesis del polipéptido bajo la dirección del mRNA.
La secuencia de los codones se decodifica en secuencia de aminoácidos.
Los codones se leen de 5’ a 3’.
Ocurre en ribosomas
Los aminoácidos son cargados en los t-RNA
RNA Transfer (tRNA)
Molécula que interpreta los codones del mRNA y transfiere los aminoácidos del citoplasma a los ribosomas
Al igual que el mRNA el tRNA es transcrito del DNA
Cada molécula de tRNA une a un codón en particular del mRNA con su aminoácido correspondiente
Consiste de una hebra de RNA de alrededor de 80 nucleótidos
Se dobla sobre si misma (forma de L) por medio de nucleótidos complementarios
Anticodon
Tripleta de nucleótidos que sus bases son complementarias con los codones del mRNA
En las células eucariotas el tRNA, igual que el mRNA, se hace en el núcleo y se transfiere al citoplasma
Tanto en las células eucariotas como en las procariotas cada t-RNA se usa repetidamente, cogiendo su aminoácido específico del citosol y llevándolo al ribosoma
Aminoacetil t-RNA Sintetasa
Enzima que une los aminoácidos al t-RNA de forma específica
Existen 20 sintetasas, una para cada aminoácido
El lugar activo de cada enzima es solo para una combinación específica del aminoácido y tRNA
La sintetasa cataliza un enlace covalente del aminoácido con su tRNA en presencia de ATP
El amino ácido activado se libera de la enzima y es llevado al ribosoma
Ribosomas
Síntesis de proteínas
Facilitan el apareo de los anti-codons del t-RNA, con los codones del m-RNA
Compuesto de dos subunidades
Pequeña
Grande
Subunidades: Compuestas de proteínas y RNA ribosomal (rRNA). Se hacen en los nucleolos de las células eucariotas
Lugares de Unión de los Ribosomas
P (P-site) (peptidiol t-RNA)
Sostiene el t-RNA que tiene la cadena larga del polipéptido
A (A-SITE) (aminoacil t-RNA)
Sostiene el t-RNA que carga el aminoácido que se va a colocar
E (E-site) EXIT
Por donde salen los t-RNA desechados
Traducción
Iniciación
Alargamiento
Terminación
Iniciación
La unidad pequeña del ribosoma se une al mRNA y a un iniciador de tRNA
El mRNA se une por el terminal 5’ al ribosoma
El tRNA con el anticodon UAC, bases complementarias del codón de inicio AUG, carga el aminoácido metionina (Met)
La llegada de la unidad grande completa el complejo de inicio de traducción
Proteínas llamadas factores de iniciación son las responsables de unir todos los componentes y GTP provee energía para que se unan
Alargamiento
Los aminoácidos se van añadiendo uno a uno a la cadena de polipéptidos
Necesita la participación de varias proteínas llamadas factores de alargamiento y ocurre en un ciclo de tres pasos
Reconocimiento del codón – el codon del mRNA forma puentes de hidrógeno con el anticodon de tRNA que trae el aminoácido
Formación del enlace péptido – el nuevo aminoácido se une al terminal carboxilo de la cadena de polipéptidos
Traslocación – el tRNA en el lugar A se mueve al lugar P y el tRNA vacío que estaba en el lugar P se mueve al lugar E para ser liberado
Terminación
El alargamiento continua hasta que el codón de “stop” del mRNA aparece en el lugar A
Las tripletas UUA, UAG y UGA no codifican para aminoácidos, pero si como señales para detener la traducción
El factor de liberación, una proteína, se une al lugar A cuando aparecen estos codones
El factor de terminación causa la adicción de una molécula de agua a la cadena de polipéptidos
Esto hidroliza el polipéptido completado del tRNA, que está en el lugar P
Se libera el polipéptido del ribosoma
Las dos unidades del ribosoma y los demás componentes se separan
Poliribosoma (Polisoma)
Muchos ribosomas agregados unidos al m-RNA
Se encuentra en eucariotas y procariotas
Hace muchas copias de polipéptidos rápidamente
Un ribosoma simple puede hacer un polipéptido en menos de 1 minuto