transcripcion y traduccion (del gen a la proteina)

8/16/2019 Transcripcion y Traduccion (Del Gen a La Proteina)

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Transcripciòn y Traducciòn:

del Gen a la Proteìna

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El Flujo de Información Genética

• La información contenida en el DNA es en forma

de secuencias de nucleótidos específicas

• El DNA heredado por un organismo determina (en

parte) rasgos (fenotipos) específicos al dictar lasíntesis de proteínas

• La expresión génica, el proceso por el cuál el

DNA dirige la síntesis de proteínas, ncluye 2

etapas: transcripción y traducción

• El ribosoma es el lugar donde se lleva a cabo la

traducción (síntesis de polipéptidos)



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Los Genes especifican proteínas por medio de laTranscripción y Traducción

• ¿Cómo fué descubierta la relación fundamental

entre genes y proteínas?



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Evidencia a través de defectos metabólicos

• En 1909, el médico Británico Archibald Garrod sugirió, por

primera vez, que los genes dictaban los fenotipos a través

de enzimas que catalizaban reacciones químicas

específicas

• El pensó que los síntomas de una enfermedad hereditaria

reflejaban la incapacidad de sintetizar una determinada

enzima

• El nexo entre genes y enzimas requería de la comprensiónde que las células sintetizan y degradan moléculas en una

serie de pasos, una vía metabólica



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Mutantes nutricionales en Neurospora crassa

• Beadle y Tatum expusieron al hongo Neurospora crassa a

rayos X, creando mutatntes que eran incapaces de

sobrevivir en medio de cultivo mínimo, como resultado de

la incapacidad de sintetizar ciertas moléculas

• Por medio de cruzamientos ellos identificaron 3 clases demutantes deficientes en arginina, cada uno de ellos

carentes de una enzima funcional diferente, necesaria

para la síntesis de arginina

• Ellos desarrollaron la hipótesis de un gen - una enzima,que establece que cada gen dicta la producción de una

enzima específica



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Productos de la expresión génica

• Algunas proteínas no son enzimas, por lo tanto los

investigadores posteriormente revisaron la

hipótesis: un gen – una proteína

• Muchas proteínas están formadas por variospolipéptidos, cada uno de los cuáles posee su

propio gen

• Por lo tanto, una revisión posterior de la hipótesisde Beadle y Tatum es: un gen – un polipéptido



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Principios básicos de la transcripción y traducción

• La transcripción es la síntesis de RNA bajo la

dirección del DNA

• La transcripcción produce RNA mensajero

(mRNA)

• La traducción es la síntesis de un polipéptido, la

cuál ocurre bajo la dirección del mRNA

• En los ribosomas es donde ocurre traducción



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• En procariontes el mRNA producido por

transcripciòn es inmediatamente traducido sin

mas procesamiento

• En una cèlula eucarionte la membrana nuclearsepara la trasncripciòn de la traducciòn

• Los transcriptos de RNA eucariòtico son

modificados a travès del procesamiento del RNA,

para producir el mRNA maduro

• Las cèlulas son gobernadas por una cadena de

comandos: DNA RNA proteìna



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LE 17-3-1

TRANSCRIPTIONDNA

Prokaryotic cell



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LE 17-3-2

TRANSCRIPTIONDNA

Prokaryotic cell

Ribosome

Polypeptide

mRNA

Prokaryotic cell



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LE 17-3-3

TRANSCRIPTION

TRANSLATION

DNA

mRNA

Ribosome

Polypeptide

DNA

Prokaryotic cell

Nuclear envelope

TRANSCRIPTION

Eukaryotic cell



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LE 17-3-4

TRANSCRIPTION

TRANSLATION

DNA

mRNA

Ribosome

Polypeptide

DNA

Pre-mRNA

Prokaryotic cell

Nuclear envelope

mRNA

TRANSCRIPTION

RNA PROCESSING

Eukaryotic cell



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LE 17-3-5

TRANSCRIPTION

TRANSLATION

DNA

mRNA

Ribosome

Polypeptide

DNA

Pre-mRNA

Prokaryotic cell

Nuclear envelope

mRNA

TRANSLATION

TRANSCRIPTION

RNA PROCESSING

Ribosome

Polypeptide

Eukaryotic cell



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El Código Genético

• ¿Cómo son las instrucciones para ensamblar

aminoácidos en proteínascodificadas en el DNA?

• Hay 20 amino acidos, pero hay solo 4 bases

nitrogenadas en el DNA

• ¿Entonces cuantas bases nitrogenadas

corresponden a un aminoácido?



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Codones: tripletes de bases

• El flujo de información del gen a la proteína estabasada en un código de tripletes: una serie de 3nucleótidos no superpuestos

• Estos tripletes son las unidades que codificanpara los aminoácidos

• Ejemplo: AGT en una posición particular de unacadena de DNA resulta en el posicionamiento delaminoácido serina en la posición correspondientedel polipéptido que se produce



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• Durante la transcripción una cadena de DNAdenominada cadena templado provee el templadopara ordenar la secuencia de nucleótidos en untranscripto de RNA

• Durante la traducción los tripletes de bases en elmRNA, denominados codones, son leidos en ladirección 5 a 3

• Cada codon especifica el aminoácido a serubicado en la posición correspondiente a lo largodel polipéptido



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Descifrado del Código Genético

• Los 64 codones fueron descifrados a mediados de

los años1960s

• El código genético es redundante pero no

ambiguo; ningún codon especifica mas de unaminoácido

• Los codones deben ser leidos en el marco de

lectura correcto (agrupamientos correctos) para

que el polipéptido especificado sea producido


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LE 17-5Second mRNA base

FirstmRNA

base(5

end)

T h i r d m R N A b a s e ( 3

e n d )



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24/90



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Componentes moleculares de la transcripción

• La síntesis de RNA es catalizada por la RNA

polimerasa

• La síntesis de RNA sigue las mismas reglas de

apareamiento de bases que el DNA, excepto queel U sustituye a T




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• La secuencia de DNA donde la RNA polimerasase une es denominada promotor

• La secuencia que señaliza la finalización de la

transcripción es denominada terminador

• La secuencia de DNA que es transcripto es

denominada unidad transcripcional




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LE 17-7

Promoter Transcription unit

RNA polymerase

Start pointDNA

5 3

3 5




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LE 17-7

Promoter

5 3 3 5

3 5

5 3

Transcription unit

DNA

Initiation

Start point

RNA polymerase

Unwound

DNA

RNA

tran-

script

Template strand

of DNA




29/90

LE 17-7Promoter

5 3

Transcription unit

3 5DNA

Start pointRNA polymeraseInitiation

3

5

5

3

Unwound

DNA

RNA

tran-

script

Template strand

of DNA

Elongation

Rewound

DNA

3 5

5 3

3

5

RNA

transcript

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LE 17-7Promoter

3 5

Transcription unit

DNA

Initiation

RNA polymerase

Start point

Template strand

of DNARNA

tran-

script

Unwound

DNAElongation

3

3

5 3

5

5

3 5

Rewound

DNA

5 3

3

5 3

5

RNAtranscript Termination

3 5

5

3

Completed RNA transcript




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LE 17-7

ElongationNon-template

strand of DNA

RNA

polymerase

RNA nucleotides

3 end

3

5

5

Newly made

RNA

Template

strand of DNA

Direction of transcription(“downstream”)




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Síntesis de un transcripto de RNA

• Las 3 etapas de la transcripción:

– Iniciación

– Elongación

– Terminación

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Unión de la RNA polimerasa e iniciación de latranscripción

• Los promotores señalizan la iniciación de lasíntesis de RNA

• Los factores de transcripción median la unión de

la RNA polimerasa y la iniciación de latranscripción

• El conjunto de los distintos factores detranscripción y la RNA polimerasa unidos al

promotor es denominado complejo de iniciaciónde la transcripción

• Una secuencia en el promotor, el TATA box, escrucial para la formación del complejo de

iniciación en eucariontes


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LE 17-8

Promoter

5 3

3 5

TATA box Start point

Transcription

factors

5 3

3 5

Several transcription

factors

Additional transcription

factors

RNA polymerase II

Transcription factors

RNA transcript

5 3

3 5 5

Transcription initiation complex

Eukaryotic promoters

Template

DNA strand


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Elongación de la cadena de RNA

• A medida que la RNA polimerasa se meve a lolargo del DNA, desenrrolla a la doble hélice 10-20

nucleótidos a la vez

• La transcripción progresa a una velocidad de 60nucleótidos por segundo en eucariontes

• Un gen puede ser transcripto simultaneamentepor varias moléculas de RNA polimerasa




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Terminación de la transcripción

• Los mecanismos de terminación son diferentes enprocariontes y eucariontes

• En procariontes la polimerasa detiene la

transcripción al final del terminador

• La polimerasa continua la transcripción después

de que el pre-mRNA es clivado de la cadena de

RNA en crecimiento; la polimerasa eventualmente

se cae del DNA




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Las células eucarióticas modifican el RNA despuésde la transcripción

• Enzimas en el núcleo eucariótico modifican el pre-mRNA antes de que el mensaje genético sea

enviado al citoplasma

• Durante el procesamiento del pre-mRNA ambosextremos de este transcripto primario son

modificados

• También normalmente algunas secuencias

internas (intrones) son removidos y las otraspartes (exones) son juntadas (splicing)




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Modificaciones de los extremos del mRNA

• Cada extremo de una molécula de pre-mRNA esmodificada de una forma particular:

– El extremo 5 recibe un cap formado por un

nucleótido modificado

– Al extremo 3 se agrega una cola de poli A

• Estas modificaciones poseen varias funciones:

– Parecen facilitar la exportación de mRNA – Protegen al mRNA de ribonucleasas

– Ayudan a los ribosomas a unirse al extremo 5’




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LE 17-9

5

Protein-coding segment

5 Start codon Stop codon

Poly-A tail

Polyadenylation signal

5 3 Cap UTR UTR




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RNA Splicing

• La mayoría de los genes eucarióticos y sustranscriptos de RNA poseen secuencias nocodificantes largas, las cuáles se encuentranentre secuencias codificantes

• Estas secuencias o codificantes son denominadassecuencias intervinientes o intrones

• Las otras regiones son denominadas exonesdebido a que son expresadas, al ser traducidas ensecuencias de aminoácidos de un polipéptido

• El splicing del RNA remueve intrones y uneexones, creando una molécula de mRNA con una

secuencia codificante contínua




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LE 17-10

5 Exon Intron Exon Intron Exon 3

Pre-mRNA

1 30 31 104 105 146

Coding

segment

Introns cut out and

exons spliced together

1 146

5 Cap

5 Cap

Poly-A tail

Poly-A tail

5 3 UTR UTR




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• En muchos casos el splicing del RNA es llevado acabo por spliceosomes

• Los spliceosomes consisten de una variedad de

proteínas y distintos pequeños RNAs nucleares(snRNAs), los que se asocian formando

ribonucleoproteinas denominadas snRNPs), las

que reconocen los sitios de splicing

p y



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LE 17-11

Exon 15

Intron Exon 2

Other proteins

Protein

snRNA

snRNPs

RNA transcript (pre-mRNA)

Spliceosome

5

Spliceosome

componentsCut-out

intron

mRNA

Exon 1 Exon 25

p y



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Ribozimas

• Las ribozimas son moléculas de RNA catalíticoque funcionan como enzimas y pueden hacer

splicing de RNA

• El descubrimiento de las ribozimas hatransformado en obsoleta la creencia de quetodos los catalizadores biológicos son proteínas

p y



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Importancia funcional y evolutiva de los intrones

• Algunos genes pueden codificar mas de unpolipéptido, dependiendo de que segmentos sean

tratados como exones durante el splicing

• Estas variaciones son dnominadas splicingalternativo

• Debido al splicing alternativo el número de

diferentes polipéptidos que un organismo puede

producir es mucho mayor que su número degenes



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LE 17-12

Gene

Transcription

RNA processing

Translation

Domain 2

Domain 3

Domain 1

Polypeptide

Exon 1 Intron Exon 2 Intron Exon 3

DNA



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• Las proteínas frecuentemente posen unaarqutectura modular que consiste de regiones

discretas denominadas dominios

• En muchos casos exones diferentes codificanpara diferentes dominios de una proteína



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Traducción: componentes moleculares

• Una cèlula traduce un mRNA en proteìna con laayuda de los RNAs de transferencia RNA (tRNAs)

• Las molèculas de tRNA no son idènticas:

– Cada una transporta un aminoàcido especìfico

en un extremo

– Cada una posee un anticodon en el otro

extremo; el anticodon se aparea con un codoncomplementario en el mRNA



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LE 17-13

Polypeptide

tRNA with

amino acid

attached

Ribosome

tRNA

Anticodon

3

5

mRNA

Amino

acids

Codons



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Estructura y funciòn de los tRNAs

ACC

• Una molècula de tRNA consiste de una cadenade RNA de alrededor de 80 nucleòtidos de largo

• La molècula de tRNA parece una hoja de trebol,

si se considera su estructura 2-D



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LE 17-14a

Amino acid

attachment site

Hydrogen

bonds

3

5

Two-dimensional structureAnticodon

Amino acid

attachment site

3 5

Hydrogen

bonds

Anticodon Anticodon

Symbol used in this bookThree-dimensional structure

3 5



52/90


• Debido a la formaciòn de puentes de H internos,por apareamiento de bases de la misma cadena

de tRNA, la molècila se pliega formando una

estructura 3-D

• Esta estructura 3-D tiene forma de “L”



53/90

LE 17-14b

Hydrogen

bonds

Amino acid

attachment site5

3

3 5

Anticodon

Symbol used in this book

Anticodon

Three-dimensional structure



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• Una correcta traducciòn requiere 2 pasos:

– 1er paso: la carga de un tRNA con el

aminoàcido correcto, llevada a cabo por una

aminocil-tRNA sintetasa especìfica

– 2º paso: el correcto apareamiento entre el

anticodòn del tRNA y el codòn del mRNA



55/90

LE 17-15Amino acid

Aminoacyl-tRNA

synthetase (enzyme)

Pyrophosphate

Phosphates

tRNA

AMP

Aminoacyl tRNA

(an “activated

amino acid”)



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Ribosomas

• Los ribosomas facilitan el acople especìfico de losanticodones de los tRNAs con los codones del

mRNA durante la sìntesis de proteìnas

• Las 2 subunidades ribosomales estàn constituidaspor proteìnas y RNAs ribosomales (rRNAs)



57/90

LE 17-16a

tRNA

molecules

Exit tunnelGrowing

polypeptide

Large

subunit

mRNA 3

Computer model of functioning ribosome

Small

subunit

5

E P A



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• Un ribosoma posee 3 sitios de uniòn para el tRNA:

– El sitio P sostiene al tRNA que transporta la

cadena polipeptìdica creciente

– El sitio A sostiene al tRNA que transporta alsisguiente amminoàcido a ser adicionado en la

cadena polipeptìdica

– El sitio E es el sitio de salida, donde los tRNAsdescargados abandonan el ribosoma

LE 17 16b



59/90

LE 17-16b

P site (Peptidyl-tRNA

binding site)

E site

(Exit site)

mRNA

binding site

A site (Aminoacyl-

tRNA binding site)

Large

subunit

Small

subunit

Schematic model showing binding sites

E P A

LE 17 16



60/90

LE 17-16c

Amino end

mRNA

5

3

Growing polypeptide

Next amino acid

to be added to

polypeptide chain

tRNA

Codons

Schematic model with mRNA and tRNA

E



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Sìntesis de un Polipèptido

• Las 3 etapas de la traducciòn:

– Iniciaciòn

– Elongaciòn

– Terminaciòn

• Estas 3 etapas requieren factores protèicos queayudan en el proceso de traducciòn



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Asociaciòn de las subunidades ribosomales einiciaciòn de la traducciòn

• La etapa de iniciaciòn de la traducciòn une almRNA, al tRNA con el primer aminoàcido, y a las2 subunidades ribosomales

• Primero, la subunidad ribosomal menor se une

con el mRNA y un tRNA especiàl iniciador • Luego la subunidad menor se mueve a lo largo

del mRNA hasta que alcanza el codòn deiniciaciòn (AUG)

• Proteìnas denominadas factores de iniciaciònpermiten que se acople la subunida ribosomalmayor, de tal forma que el tRNA iniciador ocupa elsitio P

LE 17 17



63/90

LE 17-17

M e t

GTPInitiator tRNA

mRNA

5 3

mRNA binding site

Small

ribosomal

subunit

Start codon

P site

5 3

Translation initiation complex

E A

Large

ribosomal

subunit

GDP

M e t


64/90

LE 17 18



65/90

LE 17-18

Ribosome ready for

next aminoacyl tRNA

mRNA

5

Amino end

of polypeptide

E

Psite

Asite

3

2

2 GDP

E

P A

GTP

GTP

GDP

E

P A

E

P A



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Terminaciòn de la Traducciòn

• La terminaciòn ocurre cuando un codòn de

terminaciòn (stop) en el mRNA alcanza el sitio A

del ribosoma

• El sitio A acepta a una proteìna denominada factor

de liberaciòn

• El factor de liberaciòn provoca la adiciòn de una

molècula de agua en lugar de un aminoàcido al

extremo C terminal del polipèptido

• Esta reacciòn libera al polipèptido del ribosoma, el

cuàl se separa en sus 2 subunidades liberando

asimismo a los otros componentes

LE 17-19



67/90

LE 17-19

3

The release factor hydrolyzes the

bond between the tRNA in the

P site and the last amino acid of the

polypeptide chain. The polypeptide

is thus freed from the ribosome.

The two ribosomal subunits

and the other components

of the assembly dissociate.

Release

factor

Stop codon(UAG, UAA, or UGA)

5

3

5

3 5

Freepolypeptide

When a ribosome reaches a stop

codon on mRNA, the A site of the

ribosome accepts a protein called

a release factor instead of tRNA.



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Polirribosomas

• Varios ribosomas pueden traducir una mismamolècula de mRNA simultaneamente, formando

un polirribosoma

• Los polirribosomas permiten a la cèlula producir varias copias de un polipèptido ràpidamente, a

partir de una misma molècula de mRNA

LE 17-20



69/90

LE 17 20

Ribosomes

mRNA

0.1

m

This micrograph shows a large polyribosome in a prokaryotic cell (TEM).

An mRNA molecule is generally translated simultaneously

by several ribosomes in clusters called polyribosomes.

Incoming

ribosomalsubunits

Growing

polypeptides

End of mRNA(3

end)

Start of mRNA(5 end)

P ol y r i bosome

Completed

polypeptides

C l d di i i d ì



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Completado y direccionamiento de una proteìnafuncional

• Frecuentemente la traducciòn no es suficientepara producir una proteìna funcional

• Los polipèptidos son modificados luego de la

traducciòn• Las proteìnas completadas son direccionadas a

lugares especìficos en la cèlula

Pl i d P ì M difi i



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Plegamiento de Proteìnas y Modificaciones Postraduccionales

• Durante y luego de su sìntesis una cadenapolipeptìdica se curva y pliega formando unaestructura 3-D (adquisiciòn de la estructuraterciaria)

• La proteìnas tambièn pueden requerir modificaciones postraduccionales antes deconvertirse en proteìnas funcionales

Di i i d li è id l



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Direccionamiento de polipèptidos a lugaresespecìficos de la cèlula

• 2 poblaciones de ribosomas son evidentes en lascèlulas: ribosomas libres (en el citosol), y

ribosomas unidos al RER

• Los ribosomas libres mayoritariamente sintetizanproteìnas que funcionan en el citosol

• Los ribosomas unidos al RER fabrican proteìnas

del sistema de endomembranas y proteìnas que

son secretadas por la cèlula

• Los ribosomas son idènticos y pueden cambiar de

libres a unidos al RER


73/90

LE 17-21



74/90

Ribosomes

mRNA

Signal

peptide

Signal-

recognition

particle

(SRP)SRP

receptor

protein

CYTOSOL

ER LUMEN Translocation

complex

Signalpeptide

removed

ER

membrane

Protein

Th RNA l lti l l i th ll i



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The RNA plays multiple roles in the cell: a review

Type of RNA FunctionsMessenger

RNA (mRNA)

Carries information specifying

amino acid sequences of

proteins from DNA to ribosomes

Transfer RNA(tRNA)

Serves as adapter molecule inprotein synthesis; translates

mRNA codons into amino acids

Ribosomal

RNA (rRNA)

Plays catalytic (ribozyme) roles

and structural roles in ribosomes



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Type of RNA FunctionsPrimary

transcript

Serves as a precursor to mRNA,

rRNA, or tRNA, before being

processed by splicing or

cleavageSmall nuclear

RNA (snRNA)

Plays structural and catalytic

roles in spliceosomes

SRP RNA Is a component of the the signal-

recognition particle (SRP)



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Type of RNA FunctionsSmall

nucleolar RNA

(snoRNA)

Aids in processing pre-rRNA

transcripts for ribosome subunit

formation in the nucleolus

Smallinterfering

RNA (siRNA)

and microRNA

(miRNA)

Are involved in regulation ofgene expression


78/90

La comparaciòn de la expresiòn gènica en procariontes y



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La comparaciòn de la expresiòn gènica en procariontes yeucariontes revela diferencias clave

• Las cèlulas procariontes carecen de membrananuclear, permitiendo que la traducciòn comience

mientras progresa la transcripciòn

• En una cèlula eucariòtica:

– La membrana nuclear separa la transcripciòn

de la traducciòn

– Un procesamiento extensivo del RNA ocurreen el nùcleo

LE 17-22



80/90

RNA polymerase

DNA

Polyribosome

RNA

polymerase

Direction of

transcription

mRNA

0.25 m

DNA

Polyribosome

Polypeptide(amino end)

Ribosome

mRNA (5 end)


81/90

LE 17-23



82/90

Wild-type hemoglobin DNA

mRNA

3 5 5 3

5 3 3 5

Mutant hemoglobin DNA

mRNA

Normal hemoglobin Sickle-cell hemoglobin


83/90

Susitituciones



84/90


Susitituciones

• Una sustituciòn de un par de bases reemplaza unnucleòtido y su par con otro par de bases

• Las sustituciones de pares de bases pueden causar

mutaciones de cambio de sentido o mutaciones sin sentido

• Las mutaciones de cambio de sentido aùn codifican para

un aminoàcido, pero no necesariamente para el

aminoàcido correcto

• Mutaciones sin sentido cambian el codòn de un

aminoàcido por un codòn stop, casi siempre llevando a laformaciòn de una proteìna no funcional

• Las mutaciones de cambio de sentido son las màscomunes

LE 17-24Wild type



85/90

Base-pair substitution

No effect on amino acid sequence

U instead of C

Missense

A instead of G

NonsenseU instead of A

Stop

Amino end

Protein

5

3

Carboxyl end

Stop

Stop

Stop

mRNA

Wild type

Inseciones y Deleciones



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Inseciones y Deleciones

• Las inserciones y deleciones son adiciones opèrdidas de pares de nucleòtidos en un gen

• Estas mutaciones poseen un efecto desastrozo en

la proteìna resultante màs frecuentemente que en

el caso de sustituciones

• Inserciones o dleciones de nucleòtidos pueden

alterar el marco de lectura, produciendo

mutaciones por cambio en el marco de lectura


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Mutagenos



88/90


Mutagenos

• Mutaciones espontàneas pueden ocurrir durantela replicaciòn, recombinaciòn o reparaciòn del

DNA

• Los mutàgenos son agentes fìsicos o quìmicos

que pueden causar mutaciones

¿Què es un gen?



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¿Què es un gen?

• Un gen es una regiòn del DNA cuyo producto finàles un polipèptido o una molècula de RNA

LE 17-26

TRANSCRIPTION DNA



90/90

TRANSCRIPTION

RNA PROCESSING

RNAtranscript

5

Exon

NUCLEUS

FORMATION OFINITIATION COMPLEX

CYTOPLASM

3

DNA

RNApolymerase

RNA transcript(pre-mRNA)

Intron

Aminoacyl-tRNAsynthetase

Aminoacid

tRNA

AMINO ACID ACTIVATION

3

mRNA

A

P

E Ribosomalsubunits

5

Growingpolypeptide

E A

Activatedamino acid

Anticodon

TRANSLATION

Codon

Ribosome

transcripcion y traduccion (del gen a la proteina)

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