14. A BASE MOLECULAR DA HERDANZA. Bioloxía 2º Bacharelato. Texto: Laura Gutiérrez Pelayo Ilustracións: Xulio Gutiérrez Roger

Transcript

1 14. BSE MOLEULR Bioloxía 2º Bacharelato D HERDNZ Texto: Laura Gutiérrez Pelayo Ilustracións: Xulio Gutiérrez Roger IUG REPLIIÓN DO DN. omentar que de tódolos modelos propostos para explicar a replicación do DN (dispersivo, conservativo e semiconservativo), o experimento de Meselson e Stahl demostrou que o DN replícase segundo o modelo semiconservativo. Explicar de forma moi simplificada o mecanismo xeral da replicación. Mencionar brevemente os encimas implicados: DN polimerasas (non é necesario que se aprendan os distintos tipos de DN polimerasas), helicasas, topoisomerasas, ligasas. Referirse brevemente ós fragmentos de Okazaki. Moi relacionado coa replicación do DN está a técnica da PR (reacción en cadea da polimerasa) que consiste na replicación do DN in vitro (explicala brevemente). omo exemplos das súas aplicacións poderíase falar da pegada xenética (identificación de delincuentes e paternidade. FLUXO DE INFORMIÓN XENÉTI NOS SERES VIVOS. Os ácidos nucleicos como portadores da información xenética. Introducir o concepto de xenoma como o material xenético dun organismo (no caso dos virus serían as moléculas completas de DN ou RN que levan a información xenética). Explicar con claridade o fluxo da información xenética nos seres vivos: o dogma central da Bioloxía Molecular: Replicación - Transcripción - Traducción- Reversotranscripción / DN - DN - RN - Proteínas omentar os experimentos que demostraron que o DN é o portador da información xenética, facendo referencia á polémica que existía naqueles anos referente á natureza do material hereditario. Explicar o modelo de Watson e rick e a súa trascendencia para a Bioloxía.oncepto de xene desde un punto de vista mendeliano (unidade da herdanza) e molecular (unidade de transcripción). estructura dun xene débese explicar esquematicamente sinalando a presencia do promotor, o lugar de inicio da transcripción, a presencia de exóns e intróns (aínda que hai que aclarar que nalgúns casos a secuencia codificadora non está organizada en intróns e exóns), e os sinais que indican finalización da transcripción. Explicar por qué ainda que xa se descifrou a secuencia nucleotídica completa do DN humán gracias ó desenvolvemento do Proxecto Xenoma, non se coñece a función e localización de tódolos xenes humanos. oncepto de mutación. Tipos de mutación. Os axentes mutaxénicos. Mutacións e cancro. mutación e a súa importancia na evolución dos seres vivos. Relacionar as mutacións coas alteracións da información e a súa repercusión na variabilidade dos seres vivos e na saúde das persoas. Explicar o concepto de mutación desde un punto de vista molecular (secuencia de nucleótidos) e macromolecular (alteracións intracromosómicas e no número de cromosomas). Hai que falar das mutacións puntuais que nalgúns casos poden ser causa de enfermidades moi severas (anemia falciforme, osteoxénese imperfecta, algúns tipos de cancro, etc.), outras veces son silenciosas (cambio dun triplete por outro que codifica para o mesmo aminoácido) e noutros casos supoñen cambios equivalentes (ex. Glu por sp). Nas mutacións cromosómicas referirse ás inversións e translocacións. itar brevemente as mutacións xenómicas (relacionalas co síndrome de Down). relación das mutacións (fonte de variabilidade) coa evolución é moi importante. Podemos resumilo como segue: mutación > cambio > adaptación > selección natural. Deixar ben claro, aínda que con brevidade, o concepto de selección natural e quen foi Darwin. Portada (1) O DN e a información xenética (2, 3, 4) O dogma central da bioloxía (5) replicación (6-12) orrección de erros na replicación (13) Transcrición (14-19) Transcrición inversa (20) O código xenético (21, 22) Tradución (23-35) Regulación da expresión xénica (36-39) Mutacións (40-43) Mutacións e cancro (44) Mutacións e evolución (45)

2 O DN e a información xenética O DN foi descuberto en 1869 por Friederich Miescher pero ata 1952 non se constatou que era a molécula portadora da información xenética. Durante moito tempo as proteínas foron consideradas como as moléculas portadoras da información xenética. O descubrimento do reparto de cromosomas durante a división celular non aclaraba cal dos compoñentes dos mesmos (DN e histonas) eran as moléculas portadoras da información. mbas moléculas cumprían os requisitos para que puideran ser consideradas portadoras da mensaxe xenética: estabilidade química, capacidade de transmitir información, capacidade de autoreplicación e variabilidade (e, por tanto, susceptibilidade de sufrir cambios). Bacterias virulentas encapsuladas vivas Bacterias non virulentas vivas Frederic Griffith ( ) con Bobby Bacterias virulentas encapsuladas mortas por aplicación de calor Bacterias virulentas encapsuladas mortas + Bacterias non virulentas vivas EXPERIMENTO DE GRIFFITH En 1928 Frederick Griffith demostrou a existencia dun principio de transformación que se transmitía dunhas bacterias a outras dotándoas de certas características, como a virulencia.

3 O DN e a información xenética EXPERIMENTO DE VERY En 1944 Oswald very, Maclyn Mcarty e olin McLeod postularon que o DN é o principio de transformación postulado por Griffith e non as proteínas como se pensaba ata ese momento. IIR IIIS IIIS IIIS Bacteria inocua de parede lisa. IIR Extracción e fragmentación do DN Bacteria virulenta de parede rugosa Oswald very ( ) IIIS O xene virulento entra na bacteria inocua IIR IIIS O xene virulento se integra no DN da bacteria inocua IIIS IIR Bacterias fillas virulentas IIIS

4 O DN e a información xenética EXPERIMENTO DE HERSHEY E HSE En 1952, Hershey e hase confirmaron que o DN é a molécula que transmite a información xenética e non as proteínas. Bacteriófago co DN marcado con 32 P Bacteriófago coas proteínas marcadas con 35 S Bacteriófago normal lfred Hershey ( ) DN marcado no interior da bacteria Un bacteriófago infecta a unha bacteria inxectando o DN viral. Membrana bacteriana marcada Martha hase ( ) Bacteriófagos marcados Reprodución vírica e lise bacteriana Bacteriófagos non marcados

5 O dogma central da bioloxía O DN contén a información xenética completa do indivíduo que se copia durante a reprodución celular (replicación). Unha parte desta mensaxe transmítese mediante a síntese dunha molécula de RN mensaxeiro (transcrición). Esta información é utilizada polos ribosomas para sintetizar unha proteína (tradución). Transcrición Tradución DN RNm Proteína RNt Replicación Reversotranscrición ou transcrición inversa lgúns feitos importantes na elaboración do dogma central: - En 1902, Garrod descubre que a alcaptonuria era causada por unha anomalía hereditaria. - Nos anos 40, Beadle propón que as mutacións en Drosophila melanogaster eran debidas a cambios en enzimas. - En 1948, Tatum e Beadle enuncian a hipótese denominada un xene-un enzima : ada xene é responsable da síntese dun enzima. on posterioridade esta hipótese foi ampliada dúas veces: cada xene codifica unha proteína, e cada xene codifica unha cadea polipeptídica. - En 1970 Francis rick enuncia o dogma central da bioloxía. - o descubrimento dos retrovirus o dogma amplíase incluindo aos virus que utilizan o RN como molde para a síntese de DN.

6 replicación replicación do DN é o proceso de copiado dunha molécula para producir dúas moléculas fillas idénticas, coa mesma secuencia de bases. Este proceso é previo á división celular e ten lugar na fase S da interfase. Existen tres modelos de replicación. O modelo aceptado na actualidade é o semiconservativo, proposto por Watson e rick e demostrado por Meselson e Stahl, tanto para procariotas como para eucariotas. Mathew Meselson (1930-) Franklin Stahl (1929-)

7 replicación EXPERIMENTO DE MESELSON E STHL En 1958 Meselson e Stahl demostraron a hipótese semiconservativa da replicación do DN. Fixéronse catro cultivos de Escherichia coli. 1. Bacterias normais en medio nutritivo normal. 2. Bacterias normais en medio marcado con 15 N. Este isótopo pesado incorpórase ás moléculas de DN destas bacterias. 3. Bacterias marcadas en medio nutritivo normal durante o tempo suficiente para que se produza unha replicación. 4. Bacterias marcadas en medio nutritivo normal durante tempo suficiente para que se produzan dúas xeracións bacterianas. entrifugánronse mostras bacterianas de cada tipo nunha solución de cloruro de cesio. O DN situouse en cada caso á altura correspondente á súa densidade. 1. O DN lixeiro sitúase na zona alta do tubo. 2. O DN pesado sitúase na zona baixa do tubo. 3. Despois da replicación o DN sitúase na zona media do tubo, polo que é de peso intermedio. 4. Despois de dúas replicacións hai DN lixeiro, que se sitúa na zona alta, e DN intermedio, que se sitúa na zona media do tubo.

8 replicación replicación é o proceso de copiado da secuencia de nucleótidos do DN nunha copia idéntica da molécula orixinal. Realízase en tres fases: 1.Iniciación: formación da burbulla de replicación. 2.Elongación: síntese do cebador RN e a cadea filla de DN. 3.Terminación: eliminación de cebadores, enchido de ocos e ligazón de fragmentos. replicación é un proceso complexo regulado por varios enzimas que interveñen de forma secuencial. Os máis importantes son: - DN-polimerases: engaden nucleótidos á cadea. atalizan a formación de enlaces fosfodiéster en sentido 5 3. O máis activo é DN-polimerase III. - Helicases: abren a dobre hélice. atalizan a rotura das pontes de H que manteñen unidas as bases complementarias. - Topoisomerases: desenrolan a dobre hélice. ctúan rebaixando as tensións debidas á desespiralización no interior da burbulla e a sobreespiralización das zonas contiguas. O máis importante é o DN-xirase. - Primase: cataliza a formación de RN cebador. Este RN é o encargado de iniciar o proceso de replicación. - Proteínas SSB: manteñen separadas as fibras de DN orixinais. Tamén manteñen unidas as cadeas de DN de nova formación co DN orixinal. - DN-ligases: unen fragmentos de DN dunha mesma cadea. Tuneko Okazaki (1933-) Reiji Okazaki ( )

9 replicación INIIIÓN replicación comeza en puntos prefixados denominados orixe da replicación. En Escherichia coli este punto chámase ori. replicación é bidireccional: prodúcese simultaneamente nas dúas cadeas de DN. Fórmase unha burbulla de replicación debido ao avance de dúas gallas de replicación en sentidos opostos. O enzima helicase separa as dúas febras do DN rompendo as pontes de H das bases nitroxenadas. Os enzimas topoisomerases desenrolan o DN. s proteínas SSB manteñen separadas as fibras de DN orixinais.

10 replicación ELONGIÓN O primase (RN-polimerase DNdependente) cataliza a síntese de cebadores de RN (primer) sobre a cadea condutora e sobre a cadea retardada. enerxía necesaria procede de nucleótidos trifosfato. DN-polimerase III lé a cadea molde en dirección 3 5 mentres que constrúe a nova cadea en dirección 5 3 O enzima DN-polimerase III comeza a síntese da fibra filla de DN a continuación do cebador de RN. s polimerases só engaden nucleótidos en sentido 5 3, polo que a replicación só é contínua na cadea 5 3. Esta cadea denomínase condutora. cadea 3 5 chámase cadea retardada. O DN-polimerase III é moi eficaz. Na cadea condutora a síntese de DN non se detén ata que se produce a cadea filla completa. síntese da fibra filla da cadea retardada do DN é descontínua. ando o enzima DN-polimerase encóntrase co cebador do fragmento contiguo detén a síntese e sepárase. O enzima primase sintetiza outro cebador e o proceso repítese. repetición do proceso na cadea retardada orixina unha serie de fragmentos de DN, denominados fragmentos de Okazaki.

11 replicación TERMINIÓN O enzima DN-polimerase I elimina as moléculas de RN cebador de ambas cadeas fillas (actuando como unha exonuclease). Este mesmo enzima tamén enche os ocos creados polos cebadores (actuando neste caso como un polimerase). Forma novo DN cambiando os ribonucleótidos por desoxirribonucleótidos. O enzima DN-ligase ensambla os segmentos novos formándose as dúas cadeas fillas de DN completas. Finalmente a estrutura enrólase en forma de dobre hélice

12 replicación replicación en procariotas e en eucariotas é moi semellante pero presenta algunhas diferenzas debido á maior complexidade destes últimos. diferencia dos procariotas, que posúen un DN circular, a replicación en eucariotas non é completa: cando se elimina o último cebador no extremo do cromosoma (telómero), a cadea retardada queda incompleta. sí, cada vez que unha célula se divide os telómeros vanse acurtando. Este proceso está relacionado co envellecemento celular e morte celular programada. Un replicón é a unidade de replicación en eucariotas. En cada cromosoma hai centos de replicóns. ada replicón conduce á síntese de nucleótidos. PRORIOTS Non hai síntese de histonas Fragmentos de Okazaki de nucleótidos 3 tipos de DN-polimerases Orixe única da replicación lta velocidade de replicación (50 veces máis rápida que en eucariotas) EURIOTS Hai síntese de histonas Fragmentos de Okazaki de nucleótidos 5 tipos de DN-polimerases Fórmanse centos de replicóns Baixa velocidade de replicación EURIOTS PRORIOTS Rotación en torno ao eixe

13 orrección de erros na replicación tasa de erros da replicación é de 1/107 bases incorporadas. Despois da corrección baixa ata 1/1010. O DN é a única molécula capaz de autorrepararse. s cadeas vellas, que non precisan reparación, son detectadas como tales porque teñen as adeninas metiladas. s cadeas novas son chequeadas e reparadas por varios enzimas: - Os nucleases eliminan os nucleótidos mal emparellados: os endonucleases detectan erros e cortan a cadea anómala e os exonucleases eliminan fragmentos incorrectos. - Os DN-polimerases sintetizan novos segmento de DN para substituír os fragmentos eliminados. - Os DN ligases unen o novo segmento ao resto da cadea. Base mal emparellada Un endonuclease e un exonuclease escinden unha secuencia de 12 nucleótidos O DN-polimerase I sintetiza o DN que falta Un DN-ligase une o fragmento de DN reparado coa cadea orixinal

14 Transcrición transcrición é o proceso de transferencia da información contida nunha secuencia de bases de DN (xene) a unha secuencia de bases complementarias dun RNm. Para que se produza a transcrición é necesaria a presenza de ribonucleótidos trifosfato de, G, e U, asi como de enzimas RN-polimerases que catalizan as reaccións. Estes enzimas unen nucleótidos mediante enlaces fosfodiéster, sempre en sentido 5 3. O resultado da transcrición é un RN primario, caracterizado pola complementariedade e asimetría (a timina do DN é substituída por uracilo). lgunhas destas moléculas de RN darán lugar a RNm e outras sufrirán un proceso de maduración para converterse nos outros tipos de RN. transcrición desenvólvese en catro fases: 1. Iniciación 2. Elongación 3. Terminación 4. Maduración manita phalloides é un fungo velenoso, causante da maioría das intoxicacións graves, incluso mortais, por inxesta de cogomelos. razón da toxicidade é que contén α-amanitina, un inhibidor dos polimerases II e III. Nas persoas afectadas bloquéase a síntese proteica, producindo severas patoloxías hepáticas.

15 Transcrición fase de iniciación é a fase máis complexa da transcrición. omeza nun punto específico do DN: o centro promotor. este centro únense varios enzimas denominados factores de transcrición (TFIID, TBP, TFII, TFIIB...) que desespiralizan o DN e facilitan que os RN-polimerases poidan acceder ao DN. continuación o RN-polimerase únese ao complexo e, de seguido, engádense outros factores suplementarios, daquela o RNpolimerase sufre un cambio de conformación e inicia a transcrición. Transcrición en procariotas Hai dous centros promotores que constan das bases TTG e TTT, separados entre sí por nucleótidos. Hai un só tipo de RN-polimerase O RN-polimerase debe liberar o factor sigma (σ) para poder actuar. Sucede no citoplasma Transcrición en eucariotas Hai só un centro promotor que consta das bases T, TT ou TT box. Hai tres tipos de RN-polimerases En eucariotas non existe o factor σ, senón factores basais da transcrición e varios factores activadores e coactivadores. Sucede no núcleo Os factores deben desbloquear o DN unido a histonas. transcrición en mitocondrias e cloroplastos é semellante á dos procariotas. T T G T T entros T promotores -25 Inicio da transcrición PRORIOTS EURIOTS T T

16 Transcrición fase de elongación abrangue o crecemento da cadea filla de RN a partir da cadea molde de DN. O RN-polimerase actúa en sentido 5 3, e percorre o DN en sentido 3 5. H3 Metil-guanosin-trifosfato (mgtp) N O N H adición de ribonucleótidos realízase segundo a regla da complementariedade de bases e con substitución de timina por uracilo cando corresponde. Nos eucariotas a transcrición é completa e comprende a parte codificante do DN (exóns) e tamén á parte non codificante (intróns). Unha vez que se unen os trinta primeiros nucleótidos, nos seres eucariotas engádese no extremo 5 unha carapucha de 7-metilguanosina trifosfato que actúa como sinal de inicio da tradución nos ribosomas. HO O O O H2N P O P O P O OH OH OH N H2 H H OH O N H H OH fase de terminación consiste no cese de síntese de RN, cando o RN-polimerase chega ao sinal de terminación. En procariotas, este sinal é unha rexión palindrómica: a secuencia de bases ten a mesma lectura de dereita a esquerda que de esquerda a dereita. omo consecuencia o RN forma unha galla que crea a suficiente tensión como para que o RN se separe do DN molde e, polo tanto, que finalice a transcrición. En eucariotas o sinal é a secuencia: TTTTT. ando o RN-polimerase chega a este punto cesa a síntese e o RN sepárase do DN e dos complexos multienzimáticos. secuencia final do RN (U) atrae ao enzima poli--polimerase que sintetizará a cola do RNm: unha secuencia repetitiva de 200 nucleótidos de adenina no extremo 3 do RN.

17 Transcrición En eucariotas, cada tipo de RN precisa dunha fase de maduración, tamén chamado proceso postranscricional. Estes procesos específicos de maduración acontecen no núcleo, antes de que os RN salgan ao citoplasma para desenvolver as súas funcións. transcrición en procariotas orixina moléculas de RN primario axeitadas para as funcións de RNm, RNr e RNt. Non necesitan ningún tipo de precursor nin de proceso de maduración polo que poden comezar a actuar de inmediato. maduración do RNt é complexa: hai alteración de certas bases e adición do triplete no estremo 3. Polimerases Produtos que sintetizan maduración do RNr é aínda máis complexa: está codificada por unha rexión do DN denominada organizador nucleolar e prodúcese no nucléolo. Fórmanse diferentes cadeas de RNr que unidas a varias proteínas constitúen as subunidades ribosómicas RN polimerase I RNr (agás o 5S) RN polimerase II RNm RN polimerase III RNt, RNr5S e histonas maduración do RNm consiste na eliminación dos intróns e unión dos exóns entre sí mediante enzimas RNPpn (ribonucleoproteínas pequenas nucleares) ou espliceosomas (formadas por unha pequena parte proteica e outra de RN). O RN dos espliceosomas ten secuencias complementarias das dos extremos dos intróns, aparéase con eles e provoca a súa extracción. continuación os exóns únense pola acción de ligases específicas.

18 Transcrición 3 5 entro promotor 5 3 INIIIÓN Os factores de transcrición únense ao centro promotor O RN-polimerase únese aos factores e cambia de conformación. En procariotas libera o factor σ. Enrolamento Desenrolamento O RN-polimerase desenrola unha volta de hélice de DN creando unha burbulla de transcrición. 3 5 RN primario ELONGIÓN O RN-polimerase comeza a síntese de RN primario a partir da cadea molde de DN vance da burbulla 5 3 O RN-polimerase actúa en sentido 5 3 e percorre o DN en sentido 3 5, producindo a elongación da cadea de RN. 5 burbulla de transcrición avanza. cadea filla de RN medra a partir da cadea molde de DN En eucariotas fórmase unha carapucha de metilguanosina trifosfato mentres continúa a transcrición. Hélice híbrida DN-RN

19 Transcrición TERMINIÓN 5 3 En procariotas fórmase unha galla de finalización cando a transcrición chega á rexión palindrómica En eucariotas a transcrición detense cando chega ao sinal TTTTT. O enzima poli--polimerase únese ao extremo 3 do RN e comeza a síntese da cola O enzima poli--polimerase engade 200 nucleótidos de adenina e unha serie de proteínas adicionais. Finalmente despréndese. 3 -OH MDURIÓN DO RNm Formación de bucles, que se corresponden coas secuencias de intróns. -OH orte e eliminación dos intróns mediante espliceosomas e ribonucleoproteínas. -OH -OH Empalme dos exóns mediante ligases. O RNm, completamente formado, sae do núcleo para comezar a tradución.

20 Transcrición inversa En 1970 descubriuse o enzima transcriptase inversa nos retrovirus (uns virus que posúen RN en vez de DN como molécula portadora da información xenética). transcriptase inversa é un DN-polimerase que utiliza como molde as cadeas do RN vírico infectante. Este enzima transcribe a información contida no RN en forma de DN. Primeiro produce unha copia de DN a partires da molécula de RN vírico e despois fai unha segunda cadea de DN, xerando así unha copia de DN bicatenario. Este DN intégrase no cromosoma da célula hospedadora e posibilita a síntese de novas moléculas de RN vírico. maioría dos enzimas que catalizan estas reaccións son aínda descoñecidos. Perda da cápside transcriptase inversa produce unha dobre hélice RN-DN O retrovirus penetra na célula hospedadora e perde a envoltura Formación dunha dobre hélice DN-DN RN Envoltura ápside Transcriptase inversa Transcrición do RN viral Ensamblaxe dos compoñentes virais en múltiples copias Integración do DN viral no DN da célula hospedadora Tradución das proteínas virais

21 O código xenético O código xenético é a relación que existe entre a secuencia de nucleótidos do RNm e a secuencia de aminoácidos da proteína que codifica. O código xenético ten carácter universal: é a clave que permite a tradución da mensaxe xenética en forma de proteínas para todas as especies. Sen embargo atopáronse algunhas excepcións en mitocondrias humanas e doutros mamíferos, algúns protistas ciliados e micoplasmas. Primeira posición Extremo 5 Segunda posición U G Terceira posición Extremo 3 secuencia lineal das bases do RNm determina a orde na que se unen os sucesivos aminoácidos que forman unha cadea polipeptídica. codificación de cada aminoácido está determinada por tres bases nitroxenadas consecutivas. Existen 64 tripletes que reciben o nome de codóns: Hai 61 codóns que codifican aminoácidos. Tres codóns (U, UG, UG) indican o final da mensaxe (codóns sen sentido). O codón UG en posición inicial indica o comeza dunha mensaxe, en posición intermedia codificar o aminoácido metionina. Non hai espazos nen separacións entre os codóns. Os tripletes non se solapan. O código xenético é dexenerado no sentido matemático do termo: o número de codóns non é o mesmo que o número de aminoácidos van ser codificados. Todos os aminoácidos están codificados por varios tripletes agás o triptófano e a metionina. U G Phe Phe Leu Leu Leu Leu Leu Leu Ile Ile Ile Met* Val Val Val Val * Inicio Ser Ser Ser Ser Pro Pro Pro Pro Thr Thr Thr Thr la la la la Tyr Tyr Stop Stop His His Gln Gln sn sn Lys Lys sp sp Glu Glu ys ys Stop Trp rg rg rg rg Ser Ser rg rg Gly Gly Gly Gly U G U G U G U G

22 O código xenético U U U U G G G G G U U G U G U G U G U G U G U G U G Glu Gly U U U U U U U U G G G G G G G G sp la Val rg Ser Lys sn Thr Met Ile rg Gln His Pro Leu Trp Stop ys Stop Tyr Ser Leu Phe Inicio Gly Glicina la lanina Val Valina Leu Leucina Ile Isoleucina Met Metionina Pro Prolina Phe Fenilalanina Trp Triptófano Ser Serina Thr Treonina ys isteína Tyr Tirosina Gln Glutamina sp Ácido aspártico Glu Ácido glutámico Lys Lisina rg rxinina His Histidina sn sparraxina

23 Tradución tradución é o proceso de biosíntese das proteínas: a partir da información contida na secuencia de nucleótidos dun RNm elabórase a secuencia de aminoácidos da proteína. Lévase a cabo nos ribosomas. O proceso de tradución en eucariotas e en procariotas segue o mesmo esquema aínda que existen algunhas pequenas diferenzas. Está mellor estudado nos procariotas. tradución é un proceso complexo no que se poden diferenciar tres etapas: iniciación, elongación e terminación. Pero antes de iniciarse é necesario que se produza a activación de aminoácidos. activación de aminoácidos ten lugar no citoplasma e consiste na unión de aminoácidos a moléculas de RNt. Este proceso é altamente específico e está catalizado por enzimas aminoacil-rnt-sintetases (con gasto de TP). ada aminoácido queda unido polo seu extremo carboxilo ao extremo aceptor do seu correspondente RNt (extremo 3 ). Severo Ochoa ( ) minoacil-rnt Triptófano nticodón

24 Tradución Elementos que interveñen na tradución: Subunidade maior Ribosoma RNm minoacil-rnt Factores proteicos de iniciación e elongación Ións Mg 2+ Enerxía: GTP GDP + Pi RIBOSOM minoacil-rnt Sitio P Sitio Subunidade menor O sitio P é o lugar de unión dos peptidil-rnt. O sitio é o lugar de unión dos aminoacil-rnt. Factores proteicos de iniciación Factores proteicos de elongación Factores proteicos de terminación

25 Tradución Fase de iniciación 1. O RNm únese polo seu extremo 5 á subunidade menor do ribosoma coa intervención do factor proteico de iniciación IF3.

26 Tradución Fase de iniciación 2. Fixación do primeiro aminoacil-rnt mediante o factor de iniciación IF2 no sitio P. s bases complementarias do codón e o anticodon únense mediante pontes de H. O codón de iniciación sempre é UG, polo que o primeiro anticodón é sempre U, que se corresponde co aminoácido metionina (en procariotas é a N-formil-metionina).

27 Tradución Fase de iniciación 3. coplamento da subunidade maior do ribosoma mediante a acción do factor de iniciación IF1 e ións Mg 2+. sí queda constituído o complexo de tradución. porción de RNm situada no interior do ribosoma contén seis nucleótidos (dous codóns)

28 Tradución Fase de iniciación 4. No sitio S hai un codón ao que se unirá o aminoacil-rnt que posúa o anticodón complementario.

29 Tradución Fase de elongación 5. O ribosoma desprázase en sentido 5 3 pola cadea de RNm (traslocación). O aminocilrnt de inicio despréndese nun 50% das proteínas tanto procariotas como eucariotas. O aminoacil-rnt que ocupaba o sitio pasa ao sitio P e un novo aminoacil-rnt, que cumpra a complementariedade de codón e anticodón, entra no sitio. Este proceso ten gasto enerxético e precisa de dous factores proteicos de elongación EF-Ts e EF-Tu.

30 Tradución Fase de elongación 6. Formación de enlace peptídico mediante o enzima peptidil-transferase. O primeiro acetil-rnt despréndese do seu aminoácido, que permanece unido ao segundo aminoácido e abandoa o complexo de tradución. O enzima peptidil-transferase está integrado na subunidade maior do ribosoma

31 Tradución Fase de elongación 7. O proceso de traslocación do ribosoma sobre a cadea de RNm repítese numerosas veces, coa incorporación de novas moléculas de acetil-rnt e adición de novos aminoácidos á cadea peptídica. Na fixación de cada RNt utilízase a enerxía subministrada por hidrólise de GTP.

32 Tradución Fase de terminación 8. ando o ribosoma chega a un codón de terminación (U, UG e UG), remata a síntese da cadea polipeptídica. Os factores de liberación sitúanse no sitio e fan que o enzima peptidiltransferase libere o péptido do RNt ao que está unido (con gasto de enerxía do GTP).

33 Tradución Fase de terminación 9. omo consecuencia do proceso de tradución libéranse a cadea proteica, as dúas subunidades ribosómicas separadas e o RNm. O RNm pode volver a ser utilizado, pero normalmente degrádase e resulta destruído inmediatamente.

34 Tradución velocidade de síntese proteica acada os 1400 aminoácidos por minuto, pero a efectividade aumenta pola acción conxunta de moitos ribosomas (polirribosomas ou polisomas). Polipéptido finalizado omezo da síntese dun polipéptido

35 Tradución Existen algunhas diferenzas entre o proceso da traducción en organismos eucariotas e procariotas: Procariotas transcición e tradución prodúcense no citoplasma. Os RNm son pouco estables. RNm son frecuentemente policistrónicos: conteñen información para codificar máis dunha cadea polipeptídica. O codón de iniciación pode ser UG e GUG. Eucariotas membrana nuclear separa os lugares de transcición e tradución. Os RNm son moi estables. RNm son monocistrónicos: conteñen información para codificar unha soa cadea polipeptídica. Os ribosomas identifican o extremo 5 dos RNm porque leva metilguanosina trifosfato. O codón de iniciación en eucariotas sempre é UG. RNr de 70 S RNr de 80 S O primeiro RNt leva formilmetionina. O primeiro RNt únese antes ao RNm que á subunidade ribosómica menor. Hai dous factores proteicos de terminación. O RNm pode ter varios lugares de iniciación, polo que pode servir de molde para varias proteínas diferentes. O primeiro RNt leva metionina O primeiro RNt únese antes a subunidade ribosómica menor que ao RNm. Hai un só factor proteico de terminación. O RNm ten un só lugar de iniciación. Os factores de iniciación e de elongación son diferentes.

36 Regulación da expresión xénica En cada momento da súa vida, a célula sintetiza unhas proteínas determinadas. Os xenes que determinan a síntese dunha proteína exprésanse só no momento en que a célula necesita esa proteína. Todos os seres vivos necesitan un mecanismo de control da expresión xénica. En 1961 Jacob e Monod propuxeron o modelo do operón para explicar a regulación da expresión xénica en procariotas. Un operón é o conxunto de xenes que codifican as proteínas que interveñen nun proceso bioquímico determinado. Estes xenes están situados cerca uns dos outros, no mesmo cromosoma, para facilitar a súa operatividade. Segundo o modelo do operón, hai dous tipos de sistemas de regulación e catro tipos de xenes. Os sistemas de regulación son o operón inducible, e o operón represible. Os xenes son: - Xene promotor: Sinala o comezo da trascrición e o sitio de comezo da acción da RNpolimerasa. - Xenes estruturais: odifican a síntese das proteínas. - Xene regulador: odifica a síntese da proteína reguladora. - Xene operador: Sitio onde se pode unir unha proteína reguladora e impedir a transcrición dos xenes estruturais. Jacques L. Monod ( ) François Jacob ( ) RN -polimerase 5 3 Xene regulador Xene promotor Xene operador Xenes estruturais

37 Regulación da expresión xénica Operón inducible - Propio das rutas catabólicas. - ctúa mediante indución enzimática. - O represor é activo en estado normal. - ando un indutor provoca un cambio na súa estrutura, o represor perde afinidade polo xene operador. Entón o RN-polimerase pode comezar a transcribir os xenes estruturais. RN-polimerase 5 3 O xene regulador produce a síntese dun represor activo O represor bloquea o xene operador e impide a acción do RN-polimerase Xenes estruturais desconectados RN-polimerase omeza a transcrición 5 3 O xene regulador produce a síntese dun represor activo O xene operador é sensible á acción do RN-polimerase Xenes estruturais conectados Un indutor únese ao represor e inactívao

38 Regulación da expresión xénica Operón represible - Propio das rutas anabólicas. - ctúa mediante represión enzimática, ou represión por produto final. - O represor é inactivo en estado normal. - célula elabora constantemente os enzimas necesarios du determinado proceso. ando aparece o correpresor, o represor tórnase activo e o complexo represor-correpresor fíxase sobre o xene promotor, bloqueando a síntese codificada polos xenes estruturais RN-polimerase omeza a transcrición 5 3 O xene operador é sensible á acción do RN-polimerase Xenes estruturais conectados O xene regulador produce a síntese dun represor inactivo RN-polimerase Xenes estruturais desconectados 5 3 O xene regulador produce a síntese dun represor inactivo O represor bloquea o xene operador e impide a acción do RN-polimerase Un correpresor únese ao represor e actívao

39 Regulación da expresión xénica regulación en eucariotas é moito máis complexa que a dos procariotas. Pode ter lugar en distintos puntos do proceso: transcrición, maduración do RNm ou tradución. Frecuentemente acontece ao inicio da transcrición, mediante a actuación de factores activadores do enzima RN-polimerase que responden a diversos sinais extracelulares e intracelulares. lgúns dos sinais extracelulares máis importantes na regulación da expresión xénica en organismos eucariotas son as hormonas. s hormonas provocan unha resposta específica nas células diana (células capaces de responder ás hormonas). O mecanismo de acción é moi variable: - s hormonas esteroideas, como os esteroides e os corticoides, entran no interior da célula, únense a proteínas receptoras no citoplasma e penetran no núcleo, onde activan a expresión xénica. - s hormonas proteicas, como a insulina, actúan sobre receptores específicos da membrana, provocando a activación do enzima adenilato-ciclasa que cataliza a síntese de MPc a partires do TP. O MPc actúa como mensaxeiro intracelular e tras diversos procesos activa a expresión xénica. Hormona Proteína receptora Hormona esteroidea Hormona esteroidea Hormona esteroidea Proteína receptora Hormona proteica Receptor de membrana MPc - Os fitocromos actívanse cando reciben luz solar, e inducen a expresión xénica dos procesos fotoperiódicos como a floración, a xerminación e a fructificación. Inicio da transcrición

40 Mutacións s mutacións son alteracións do material xenético dunha célula. Son o resultado de fenómenos aleatorios e constitúen a principal fonte de variabilidade xenética dos seres vivos. s mutacións son normalmente negativas para os indivíduos porque son causa de enfermidades moi severas como anemia falciforme, osteoxénese imperfecta e algúns tipos de cancro; pero son positivas para a especie, porque aportan variabilidade á poboación e posibilitan o proceso de selección natural. Segundo o tipo de célula afectada Non transmisibles: prodúcense nas células somáticas. Transmisibles: prodúcense nas células xerminais. TIPOS DE MUTIÓNS Segundo a causa Segundo a expresión xénica Segundo os efectos Espontáneas: prodúcense de forma natural. Inducidas: prodúcense por axentes mutáxenos. Dominantes (respecto ao alelo normal non mutado). Recesivas (respecto ao alelo normal non mutado). Neutras. Beneficiosas. Prexudiciais: Letais (+ do 90%), subletais (- do 10%) e patolóxicas. Segundo a alteración xenética provocada Xénicas: cambio dun xene romosómicas: modificacións da estrutura dun cromosoma. Xenómicas: alteración do número de cromosomas.

41 Mutacións s mutacións xénicas son alteracións da secuencia de nucleótidos dun xene. Tipos de mutacións xénicas: DN RNm Proteína T GG GT T G GG UG U U GU UU U Met Pro Leu Ser Ser Leu Secuencia normal Transición: substitución dunha base púrica por outra púrica ou dunha base pirimidínica por outra pirimidínica. DN RNm Proteína T GG G T G GG UG U UG GU UU U Met Pro Leu Ser Ser Leu Transversión: substitución dunha base púrica por una pirimidínica ou dunha base pirimidínica por unha base púrica. DN RNm Proteína T GG GTT T G GG UG U GU UU U Met Pro Gln Ser Ser Leu DN T GGG TT GG G Deleción: perda dunha base RNm UG U GUU U U Proteína Met Pro Stop dición: inserción dunha base. DN RNm Proteína T GG GG TT G G G UG U U G UU UU Met Pro Pro Lys Phe Ser adición e a deleción de bases producen un corremento na orde de lectura, alterando todos os tripletes seguintes e ocasionando graves consecuencias.

42 Mutacións s mutacións cromosómicas son alteracións da secuencia de xenes dun cromosoma. É posible detectalas ao microscopio porque afectan á estrutura dos cromosomas. secuencia de bases nitroxenadas dentro de cada xene non está alterada. Os cambios no número de xenes ou na súa ubicación no cromosoma débense á rotura dun cromosoma e a súa posterior recomposición de xeito anómalo. Tipos de mutacións cromosómicas: - Deleción: Perda dun fragmento do cromosoma. Se a perda é nun extremo denomínase deficiencia. É unha alteración producida na meiose e ten como consecuencia un cromosoma con un número incorrecto de xenes. - Inversión: lteracións na orde dos xenes. Esta mutación non afecta aos indivíduos que a posúen senón aos seus descendentes. Se o fragmento invertido inclúe o centrómero, a inversión é pericéntrica, e no caso contrario, paracéntrica. - Duplicación: repetición dun segmento dun cromosoma. - Translocación: mobilización dun fragmento de cromosoma a outro lugar do mesmo cromosoma, ao seu cromosoma homólogo ou a outro cromosoma calquera. ando se producen unha dobre translocación entre dous cromosomas chámase translocación recíproca. Secuencia normal B D E F G H I Inversión B F E D G H I Duplicación B B D E F G H I Deleción B F G H I Deficiencia D E F G H I Secuencia normal B D E F G H I M N O P Q R Traslocación D E F G H I B M N O P Q R Traslocación recíproca M N D E F G H I B O P Q R

43 Mutacións s mutacións xenómicas son alteracións do número de cromosomas. Producen sempre alteracións graves, porque cada cromosoma contén un número elevado de xenes. Detéctanse facilmente ao analizar o cariotipo. Tipos de mutacións xenómicas: Euploidías: lteración do número de xogos cromosómicos. - Monoploides: Un xogo cromosómico completo (n). - Poliploides: Varios xogos cromosómicos: triploidías (3n), tetraploidías (4n), hexaploidías (6n), etc. Ocasionan aumento do tamaño celular (ou corporal) moi típico nalgúns vexetais como plátanos (3n), patacas (4n) e trigo (6n). - lopoliploides: híbridos con varios xogos cromosómicos de distintas especies. neuploidías: Exceso ou carencia dalgún cromosoma. - Nulisomía: 2n-2 (letal) - Monosomía: 2n-1 - Trisomía: 2n+1. Un cromosoma triplicado. Frecuente en plantas, onde provoca cambios morfolóxicos. - Tetrasomía: (2n+2). Danse catro exemplares dun cromosoma determinado. lteración Síndrome Frecuencia adro clínico Trisomía 21 Trisomía 18 Trisomía 13 Down 1/666 Edwards 1/6766 Patau 1/4600 XXX Triple X 1/1000 XO Turner 1/10000 XXY Klinefelter 1/1400 XYY Duplo Y 1/2000 Retraso mental, braquicefalia, rasgos faciais mongoloides, alteracións oculares e cardíacas Deficiencia mental profunda, malformacións renais e cardíacas Deficiencia mental profunda, malformacións cardíacas, xenitais, cerebrais e oculares Retraso mental moderado, alteracións neuropsíquicas Xenitais inmaduros, esterilidade, estatura baixa Xenitais inmaduros, falta de espermatoxénese, retraso mental moderado Trastornos de conduta (agresividade), estatura elevada

44 Mutacións e cancro O cancro un termo xenérico que agrupa diversas enfermidades caracterizadas por un proceso de división celular sen control que provoca unha multiplicación rápida e desorganizada das células. omo consecuencia destrúese o tecido afectado e, incluso, prodúcese a invasión doutros órganos (metástase). Os factores desencadeantes do cancro son cambios no material xenético debido a axentes mutaxénicos. O cancro comeza cando os xenes que participan na regulación da división celular sofren algún tipo de alteración. Entonces a división celular descontrólase e tórnase caótica. Neste proceso interveñen varios tipos de xenes: - Os protooncoxenes codifican as proteínas implicadas en cada etapa da división celular. - Os oncoxenes provocan un aumento dos sinais que estimulan a división celular en ausencia dos estímulos comúns. Son activados polos protooncoxene. - Os xenes supresores de tumores codifican proteínas inhibidoras da división celular. súa mutación aumenta o ritmo da reprodución celular - Os xenes implicados na corrección de erros do DN reparan os defectos causados polos axentes mutaxénicos. Se estes xenes sofren mutación contribúen ao desenvolvemento do cancro. BIOLÓXIOS QUÍMIOS FÍSIOS Radiacións ionizantes Radiacións non ionizantes xentes alugadores xentes intercalantes Outros xentes mutaxénicos Raios X, raios γ, raios cósmicos, etc. Producen efectos fisiolóxicos (cambios nos encimas), citoxenéticos (delecións e traslocacións cromosómicas) e xenéticos (mutacións xénicas). Luz ultravioleta. Produce dímeros de citosina ou de timina impedindo o seu apareamento, tamén provoca lesións na pel. Dimetilsulfato, etilmetanosulfonato e outros. lteran as bases nitroxenadas impedindo a replicación do DN. Laranxa de acridina, proflavina, nitróxeno mostaza e outros. Insírense entra as bases nitroxenadas deformando o DN. Benzopireno (fume do tabaco), arsénico, cromo, asbesto, etc. Virus Retrovirus, adenovirus e virus da hepatite B. Transposóns Segmentos móbiles de DN.

45 Mutacións e evolución evolución biolóxica é o proceso de transformación das especies debido aos cambios que se producen no material hereditario e que son trasnsmitidos aos descendentes. actual teoría sintética da evolución combina as achegas de Darwin, Mendel e a investigación moderna sobre bioloxía molecular, paleontoloxía, anatomía comparada e outras áreas da ciencia. Os principios básicos desta teoría son: Nas especies obsérvase variabilidade morfolóxica, fisiolóxica e etolóxica. causa xenética da variabilidade é principalmente a mutación (aparición de novos xenes) e a recombinación xenética (novas combinacións de xenes). s mutacións poden ser prexudiciais ou beneficiosas. s máis importantes son as recorrentes (actúan de xeito repetido sobre un mesmo xene e favorecen rápidos cambios evolutivos. harles Darwin ( ) ando se produce un cambio ambiental orixínase ou aumenta a presión de selección sobre as poboacións, que deben adaptarse a un novo contexto. s especies non medran indefinidamente porque os recursos do medio son limitados, polo que ás veces o cambio é simplemente a loita por un recurso escaso. Entonces actúa a selección natural e maniféstanse as mutacións que favorecen a adaptación. O resultado é a supervivencia do máis apto.

46 Transcription

47 Translation

48 mrn Processing

49 mrn Splicing

50 Mechanism of DN replication

51 How DN is Packaged

52 DN replication

53 Operon L