Tema 16 Expresin Gnica 1 EXPRESIN GNICA En

Tema 16 Expresión Génica

1. EXPRESIÓN GÉNICA En 1941 Beadle y Tatúm establecieron la relación entre el ADN y la secuencia de aminoácidos de una enzima Trabajaron con el moho rojo del pan (Neurospora crasa) que sólo necesita para vivir materia orgánica, biotina y sales minerales. . Sometieron el hongo a rayos X y obtuvieron numerosos mutantes incapaces de sintetizar determinados aminoácidos. Los mutantes se diferenciaban en un solo gen. Dedujeron que el gen tiene la información para fabricar la enzima necesaria. Si se altera el gen no se fabrica la enzima correspondiente, pero si se añade la sustancia no sintetizada el mutante puede sobrevivir UN GEN UNA ENZIMA

Posteriormente se dieron cuenta que no todas las proteínas son enzimas y que ciertas proteínas están formadas por varias cadenas polipeptídicas. Por tanto un gen tiene información para sintetizar un polipéptido Modificaron la hipótesis. UN GEN UNA CADENA POLIPEPTÍDCA Esto lo demostraron estudiando la anemia falciforme. La hemoglobina está formada por dos subunidades alfa y dos beta. En la anemia la cadena beta tiene el 6º aminoácido diferente( luego el gen que sintetiza la cadena polipeptídica beta está alterado) y la cadena alfa es correcta. Sólo con este error se pierde la función de la hemoglobina

2. DOGMA BIOLOGÍA MOLECULAR En 1970 Crick enunció este dogma que explica el flujo de información. La información se mantiene en el ADN y su capacidad de duplicarse mediante la replicación. Esta información se copia mediante la transcripción en ARNm. A partir de este mensaje en forma de ARNm se sintetizan las proteínas mediante la traducción.

En la actualidad ha debido modificarse para poder incluir a los virus. Algunos virus almacenan la información en ARN y tiene la ARN-replicasa para duplicar el ARN. Los retrovirus almacenan la información en ARN pero tienen la transcriptasa inversa para transformar el ARN en ADN. VIRUS

3. TRANSCRIPCIÓN • CARACTERÍSTICAS Se realiza en el núcleo y es la síntesis de ARN Requiere: -Una hebra de ADN que actúe como molde. ( de las dos hebras de ADN solo actúa una la otra es informativa o codificante) -Enzimas : ARN polimerasas, que fabrican los diferentes ARN ( 1 solo tipo en procariontes y 3 tipos en eucariontes) -Se necesitan ribonuleótidos trifosfato de A, G, C, U. -Es asimétrica, ya que solo se transcribe una hebra la 3´- 5´ -La molécula de ARN crece en sentido 5´- 3´, por tanto está polarizada.

• TRANSCRIPCIÓN EN PROCARIONTES. - FASE DE INICIACIÓN. Se reconoce por parte de la ARN-polimerasa la zona de inicio o centros promotores. Suele ser una zona rica en purinas, que favorecen la separación de la doble helice de ADN. La ARN- polimerasa se une y separa el ADN , una longitud de unos 12 pares de bases. Se libera el factor de iniciación.

- FASE DE ELONGACIÓN. La ARN-polimerasa va leyendo en sentido 3´- 5´y va añadiendo los ribonucleótidos en sentido 5´- 3´. La enzima selecciona el ribonucleótido complementario a la hebra de ADN que va copiando y los va uniendo mediante un enlace ester.

- FASE DE TERMINACIÓN. La ARN polimerasa, reconoce unas señales de terminación en el ADN, lo que implica el cierre de la burbuja de transcripción. En procariontes la zona de terminación suele ser una secuencia palindrómica( se lee igual de derecha a izda que de izda a derecha) rica en C y G y seguida de T. Se forma un bucle que favorece la separación y se furma una especie de autocomplementariedad de las bases G, C situadas en esta zona.

• TRANSCRIPCIÓN EN EUCARIOTAS - - Las ARN polimerasas son mas complejas. La ARN polimerasa I fabrica los precursores del ARNr. La ARN polimerasa II fabrica el precursos del ARNm La ARN polimerasa III fabrica los precursores de los ARNt y el ARNr de la subunidad grande de los ribosomas Intervienen numerosos factores de la transcripción que colaboran con las ARN polimerasas. Los ARN son monocistrónicos que contienen información para fabricar una sola cadena polipeptídica. En procariontes son policistrónicos

Transcripción en Eucariotas por fases • • La iniciación igual que en procariotas La elongación: tras la unión de los primeros 30 ribonucleótidos se añade una “caperuza” formada por metil-guanosin-fosfato que durante la traducción ( proteína) serán puntos de inicio de reconocimiento de lectura. • La Terminación: la ARN polimerasa transcribe regiones de ADN largas que exceden la longitud de la futura proteína. Una enzima corta el fragmento de ARN que lleva la info para la proteína. La señal de corte es una secuencia AAUAAA llamada señal de poliadenilación. Tras la separación, una enzima ( poli-A- Polimerasa) añade 200 nucleótidos de adenina que recibe el nombre de cola de poli A que parece ser que interviene en la salida del núcleo.

4. MADURACIÓN DEL ARN • PROCARIONTES Los ARNm no necesitan maduración, nada mas terminar la transcripción se les pueden unir los ribosomas para realizar la traducción( síntesis de proteínas) Los ARNr y ARNt necesitan maduración. De la transcripción se obtienen ARN precursores o tránscrito primario, de los que se eliminan algunas secuencias de nucleótidos y de ello resultan los ARN maduros.

• EUCARIONTES Maduran todos los ARN siendo la más importante la del ARNm - Se añade al extremo 5´del ARNm primario una caperuza de metilguanosina, que evita su degradación y ayuda en el reconocimiento de los ribosomas el lugar de inicio de la traducción. - Se añade al extremo 3´del ARNm primario una cola poli-A, que evita su degradación y ayuda en la salida al citoplasma. - Cada gen posee fragmentos de intrones y exones, los intrones solo se transcriben y los exones se transcriben y se traducen. El ARNm primario contiene intrones y exones. En el proceso de maduración se eliminan los intrones y se ensamblan los exones por un proceso conocido como splicing (empalme). Los intrones forman un bucle, acercándose los exones, se producen unos cortes y los intrones desaparecen, y los exones se sueldan No se sabe bien el papel de los intrones. La maduración se produce a veces de formas diferentes y esto implica que un mismo gen pueda codificar diferentes proteínas.

5. CÓDIGO GENÉTICO • CARACTERISTICAS. - - El número de aminoácidos proteicos es 20 y el de nucleótidos diferenetes del ARNm son 4. La combinación más pequeña posible de cuatro nucleótidos para abarcar los veinte aminoácidos son los tripletes. Cada aminoácido está codificado por un triplete del ARNm, llamado codón. Es degenerado, ya que existen 64 codones y 20 aminoácidos, luego hay aminoácidos codificados por más de un codón. Hay un codón de iniciación el AUG, que además codifica a la metionina. Existen tres codones sin sentido, que no codifican a ningún aminoácido UAA, UAG, UGA , que son los codones de terminación. No hay imperfección= cada codón siempre codifica al mismo aminoácido. No hay solapamiento de lectura, ni saltos. Cada nucleótido pertenece siempre y sólo a un codón. Es universal e igual para todos los seres vivos.

• DESCUBRIMIENTO - - EXPERIMENTO DE Niremberg y Matthaei: fabricó ARNm sintéticos a partir de E. coli. En un tubo de ensayo introdujo un ARN poli. U (UUUUU……. UUUU) y diferentes aminoácidos y obtuvo un péptidpo formado pos la fenilalanina (Phe). Dedujo de esta forma que el triplete UUU codificaba a la Phe. De la misma forma dedujo que el triplete CCC codificaba a la prolina (pro) y el AAA codificaba a la lisina (lys). No pudo hacerlo con el GGG. Severo Ochoa aisla la enzima polinucleótido fosforilasa, que fabrica ARNm sin molde de ADN, y hace pruebas mezclando ribonucleótidos. Inicialmente usaba dos ribonucleótidos, uno en proporción doble que el otro. Obtenía un peptido con una proporción de aminoácidos distinta. Según la proporción deducía el posible codón codificante.

6. TRADUCCIÓN • NECESIDADES. - Ribosomas: Formados por dos sbunidades separadas que se unen para la síntesis de proteínas. A la subunidad pequeña se une el ARNm y en la grande se une el aminoacido. Ambas subunidades se ensamblan cuando va a tener lugar la síntesis de proteínas. - ARNm que lleva la información. - Aminoácidos que serán los componentes de la proteína. - ARNt: Existen al menos 20 distintos uno por cada aminoácido. Presentan dos zonas importantes, el anticodón complementerio de ARNm para leer el mensaje y el extremo 3´de unión a los aminoácidos. Aporta los aa en el orden preciso. - Enzimas. Enzima aminoacil- ARNt- sintetasa que une el aminoácido con su ARNt corespondiente Enzima peptidil transferasa que une los aminoácidos. - GTP.

• TRADUCCIÓN EN PROCARIONTES

• ACTIVACIÓN DE LOS AMINOÁCIDOS. El paso previo para iniciar la síntesis de proteínas es la unión de los aminoácidos a su ARNt mediante la enzima aminoacil-ARNt-sintetasa, por el extremo 3´del ARNt que dará lugar al complejo aminoacil-ARNt. Esta unión requiere energía que será aportada por el ATP. Existe una aminoacil-ARNt-sintetasa para cada ARNt (20) El ARNt posee el anticodón que reconocerá el codón del ARNm

• FASE DE INICIACIÓN La subunidad menor del ribosoma se une al ARNm por el extremo 5´donde se sitúa el codón de iniciación ( AUG) con la ayuda de factores de iniciación. Se une el primer aminoacil-ARNt, que es la metionina ( en eucariontes, en procariontes es la formil metionina) Se une la subunidad grande del ribosoma utilizando energía del GTP. . Posee dos locus o sitios, el locus P en el que se encuentra el primer aminoacil-ARNt y el locus A que de momento está libre y se sitúa a la altura del siguiente codón para la entrada de otro aminoacil ARNt. Se liberan los factores de iniciación y GDP

• FASE DE ELONGACIÓN - FIJACIÓN DEL SIGUIENTE AMINOACIL-ARNt Con la ayuda de factores de elongación , se produce la entrada del 2º amoniacil. ARNt a la altura del siguiente codón en el locus A con la ayuda del GTP. , El anticodón del ARNt reconoce el codón del ARNm y se mantienen unidos por enlaces de hidrógeno.

- FORMACIÓN DEL ENLACE PEPTÍDICO El primer aminoácido (met) se libera de su ARNt, queda libre en el locus P y va al locus A para unirse con el 2º aminoacil-ARNt, mediante la enzima peptidil transferasa

- TRANSLOCACIÓN O TRANSPOSICIÓN. Con la ayuda de un factor de elongación y GTP se libera el ARNt del locus P. El ribosoma se traslada sobre el ARNm en sentido 5´---- 3´ quedando el péptido en formación en el locus P y el siguiente codón a leer a la altura del locus A. Se desprende el factor de elongación y el GDP.

• FASE DE TERMINACIÓN Se produce cuando el péptido ha alcanzado su tamaño y aparece uno de los tres codones de final de lectura, UAA, UGA, UAG. (STOP) Con la ayuda de factores de liberación , la cadena en formación polipeptidil- ARNt se encuentra en el locus P y uno de los tres codones de final de lectura en el locus A. Ningún ARNt reconoce dicho codón y la peptidil transferasa actúa como hidrolasa y libera el péptido , lo separa del ARNt. Se separan las subunidades ribosómicas y el ARNm ( desensamblaje total)

• • A medida que se van sintetizando las proteínas van adquiriendo estructura secundaria y terciaria según les corresponda mediante la formación de puentes de hidrógeno y disulfuro, según les corresponda. Si el ARNm es lo suficientemente largo, puede ser leído por más de un ribosoma a la vez ( polirribosomas) lo que permite más velocidad en la síntesis de proteínas. Los polirribosomas se pueden observar a microscopía electrónica

7. REGULACIÓN DE LOS GENES Las células no siempre sintetizan las proteínas para las que tiene información, solo aquellas que cada célula necesita. Se realiza de diferentes formas y en distintos lugares. MODELO OPERÓN ( En procariontes) Un operón está formad por un conjunto de genes: - Gen regulador: Secuencia de ADN que codifica a una proteina que funciona como represora - Gen promotor: Secuencia de ADN a la que se une la enzima ARNpolimerasa para iniciar la transcripción. - Gen operador: Secuencia de ADN situada entre el promotor y los genes estructurales y al que puede unirse el represor activo. Los genes estructurales sintetizan la proteína, siempre que el modelo no bloquee el proceso.

Expresión génica en eucariontes • • Los organismos pluricelulares venimos de una única célula que se divide por mitosis. El porque no todas nuestras células son iguales tiene que ver con esta expresión génica. En el hombre existen 200 tipos de células diferentes y lo que las hace distintas es que en cada una de ellas solo se expresa el 20% de la información génica transportada. Un 20% diferente en cada tipo de célula • EN QUE MOMENTOS SE PUEDE REGULAR ESTA EXPRESIÓN GÉNICA: – Antes de la transcripción: En ciertos eucariontes se sabe que las regiones que se hallan dentro de la heterocromatina no se expresan ya que están muy compactadas y son inaccesibles a las enzimas de transcripción. Metilación del ADN que inhibe la expresión génica ( epigenética) – Durante la transcripción: mediante proteínas activadoras o represoras de la transcripción – Post transcripcionales: • • Maduración diferencial del ARN: Cortes y empalmes diferentes ( exones e intrones) Transporte al citoplasma sólo de una parte de los ARNm maduros Degradación del ARNm ( que tienen un periodo de vida corto) Procesamiento tras la traducción= maduración de proteínas.