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TEMA 8 : EXPRESIÓN DEL CÓDIGO GENÉTICO : DESCODIFICACIÓN DE LA INFORMACIÓN GENÉTICA ( LA EXPRESIÓN GÉNICA ) : “TRANSCRIPCIÓN Y TRADUCCIÓN DE LA INFORMACIÓN GENÉTICA“.

1. INTRODUCCIÓN :

La transcripción y la traducción de la información genética que contiene el ADN, se produce por el dogma central de la biología molecular :

ADN→ ARNm → Proteínas Hay que tener en cuenta que en las células procariotas, la transcripción y la traducción son dos procesos acoplados, de manera que a medida que se forman las cadenas de ARNm y se separan del molde, los ribosomas proceden a su traducción. En eucariotas, sin embargo, son dos procesos independientes separados en el tiempo y en el espacio, ya que la transcripción se produce en el núcleo y la traducción se produce en el hialoplasma.

2. LA TRANSCRIPCIÓN :

Como ya sabemos la mayor parte del ADN se encuentra en el núcleo de la célula, y la síntesis de proteínas tiene lugar en el hialoplasma, por lo que la información que contiene el DNA debe de transcribirse a una molécula de ARNm ( en el núcleo también se sintetizan el ARNr y el ARNt, los cuales también son necesarios para la síntesis de proteínas ). Por lo tanto, los procesos de síntesis de ARN a partir del ADN constituyen la transcripción de la información genética. Pero antes de ver el mecanismo de la transcripción, veremos la estructura del material hereditario, es decir vamos a ver la estructura de los GENES.

• ESTRUCTURA DE LOS GENES : La mayor parte de los genes son fragmentos del ADN que determinan la síntesis de una proteína, aunque existen otros que realizan funciones reguladoras ( como por ejemplo los Operones ) y de los cuales no nos ocuparemos este curso.

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La secuencia de nucleótidos que constituyen un gen, y los genes entre sí no se disponen linealmente, sino que están espaciados por fragmentos de ADN que no poseen información que pueda ser transcrita. Además, en todo gen distinguimos las siguientes regiones : 1. Región promotora. 2. Región codificadora. 3. Región terminadora.

1. Región promotora : Es una porción o zona del ADN que no codifica ningún aminoácido, pero que sirve para que los enzimas que realizan la transcripción reconozcan el principio del gen. 2. Región codificadora : Es la parte del gen que contiene la información para la síntesis de proteínas, es decir esta zona sí codifica aminoácidos. Dentro de esta región existen fragmentos de ADN que sí contienen información y que se llaman EXONES, y existen fragmentos que no contienen información y que se llaman INTRONES. El principio de esta región codificadora viene determinado por la secuencia de bases TAC y su final por los tripletes ATT, ATC, o ACT, y que reciben el nombre de tripletes sin sentido, de paro o de stop. 3. Región terminadora : Es la región que marca el final del gen.

• MECANISMO DE LA TRANSCRIPCIÓN : Hay que destacar que para cada gen SÓLO se transcribe una de las dos cadenas de ADN, y esta transcripción se realiza de la siguiente manera:

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1. Iniciación : El enzima ARN polimerasa ( existen tres tipos de ARN polimerasa : ARN polimerasa 1 que transcribe el ARNr, ARN polimerasa 2 que transcribe el ARNm, y la ARN polimerasa 3 que transcribe el ARNt y el ARNr 5S ) se fija a la región promotora del gen y provoca que la doble hélice se abra en la zona que se va a realizar la transcripción. 2. Alargamiento : El ARN polimerasa reconoce la secuencia de inicio TAC de la región codificadora y comienza la síntesis de un ARNm precursor en dirección 5' → 3', de manera que toma como molde una cadena de ADN que va en dirección 3' → 5' y empieza a formar el ARN a partir de ATP, CTP, GTP y UTP ( son ribonucleótidos complementarios trifosfato ), de manera que la reacción que se produce es la siguientes:

TRANSCRIPCIÓN: INICIACIÓN

La ARN-polimerasa reconoce y se une en el ADN que se va a transcribir a un centro promotor (secuencias cortas de bases nitrogenadas). Esta enzima hace que la doble hélice se abra y quede expuesta la secuencia de bases del ADN para que se puedan incorporar los ribonucleótidos que se van a unir.

( RNA ) n bases nitrogenadas + Ribonucleótidos trifosfato ( RNA )n+1+ Ppi

Y de esta manera se forma el ARNm precursor. Además cuando el enzima lleva leído unos 30 nucleótidos se añade al ARN que se está formando una cabeza líder en el extremo 5’ ( son unos 20-200 nucleótidos que van a servir para posteriormente en la traducción unir el ARNm a la subunidad menor del ribosoma y para que el ARNm no se degrade.

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3. Procesado : El ARNm precursor sufre una serie de transformaciones ( el ARNr y el ARNt también las sufren ). Los dos aspectos esenciales del procesado son dos : 3.1. Eliminación de los intrones. 3.2. Modificación del extremo 3'. El ARNm precursor contiene tanto los exones como los intrones, por lo cual se trata todavía de una ARNm que no es apto para que la información que contiene sea traducida y se sintetice la correspondiente proteína. De manera que el ARNm precursor sufre la supresión de los intrones por una Ribonucleoproteína pequeña nuclear ( RNPpn ) y además se le añade una cola en el extremo 3' formada por unos 200 nucleótidos y todos estos nucleótidos tienen a la Adenina como base nitrogenada, y por eso esta cola se le llama cola POLI A. Una vez ocurrido esto, ya tenemos el ARNm maduro que en eucariotas suele ser monocistrónico. Nota : En el ARNr y en el ARNt tiene mucha importancia las modificaciones de las bases.

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Recordar que todos estos procesos ( formación de los ARN ) se han producido en el núcleo celular. Ahora el ARNm maduro, que a partir de ahora lo llamaremos simplemente ARNm, pasará al hialoplasma a través de los poros nucleares, donde conjuntamente con los ribosomas y el ARNt se sintetizarán las proteínas, es decir se producirá la traducción del mensaje genético.

Región codificadora del gen

Promotor E1 I1 E2 I2 E3 Terminador ADN

ARNmprecursor

ARNmmaduro

AAAAAA

AAAAAAAUG UAG

AUG UAG

Cabeza

Cabeza E1 I1 E2 I2 E3 cola

cola

ATCTAC

Maduración del ARNm (Visión de conjunto).

ANIMACIÓN 1 DE LA TRANSCRIPCIÓN ANIMACIÓN 2 DE LA TRANSCRIPCIÓN

3. LA TRADUCCIÓN

Es la síntesis de proteínas, y para que se produzca los aminoácidos han de disponerse en el orden que define la secuencia de codones del ARNm. La síntesis de proteínas se realiza en los ribosomas en el citoplasma de la célula y participan como ya sabemos los tres tipos de ARN. El ARNm lleva la información del ADN desde el núcleo hasta el hialoplasma, el ARNt lleva los aminoácidos que se encuentran en el hialoplasma a los ribosomas y al ARNm, y el ARNr forma parte de los ribosomas. NOTAS RECORDATORIAS : 1. Cada tripletes de bases del ARNm se llama codón. 2. Las tres bases del ARNt reciben el nombre de anticodón. 3. Código genético : Relaciona la secuencia de bases del ADN o del ARNm, con la secuencia de aminoácidos de las proteínas, y sus características más importantes son : 3.a. Es degenerado. 3.b. Se lee sin comas.

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3.c. Existen tripletes de paro. 3.d. Todas las proteínas empiezan por Metionina ( Met ) ( AUG ), pero posteriormente después de la síntesis de proteínas la Met se puede eliminar.

• MECANISMO DE LA TRADUCCIÓN : Se realiza siempre en dirección 5' → 3', y consta de cuatro etapas :

1.ACTIVACIÓN DE LOS AMINOÁCIDOS.

2.INICIACIÓN.

3.ELONGACIÓN

4.TERMINACIÓN.

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• ACTIVACIÓN DE LOS AMINOÁCIDOS : Es la unión de los aminoácidos en el citoplasma con su correspondiente ARNt por la acción de un enzima específico para los distintos aminoácidos. Recordar que la unión del aminoácido con su correspondiente ARNt se produce en el extremo 3' de éste.

ANIMACIÓN DE LA ACTIVACIÓN DE LOS AMINOÁCIDOS

• INICIACIÓN : La subunidad pequeña del ribosoma se une a la región líder del ARNm y va a ir recorriendo la molécula. Al llegar al codón de iniciación AUG que codifica el principio de la síntesis de las proteínas, se les une el complejo formado por el ARNt-Met ( UAC ). Por último se une la subunidad mayor a la menor del ribosoma completando el complejo de iniciación. ANIMACIÓN DE LA INICIACIÓN

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• ELONGACIÓN : Esta etapa a su vez la podemos dividir en tres : 1. Unión del ARNt-Met reconocido por el codón. 2. Formación del enlace peptídico. 3. Translocación. El ribosoma posee dos zonas a las que se puede unir el ARNt-aminoácido reconocido por el codón : El lugar P o PEPTIDIL, donde se une el ARNt-aminoácido y el lugar A o AMINOACIL que inicialmente está desocupado. El proceso en esta etapa ocurre de la siguiente manera : 1. Unión del ARNt-Met reconocido por el codón : Entra el segundo aminoácido con su correspondiente ARNt (ARNt-aminoácido 2 ) con el anticodón correspondiente al codón del ARNm, y se sitúa en la región aminoacil del ribosoma ( este aminoácido antes lógicamente se tuvo que activar para unirse a su correspondiente ARNt ).

2. Formación del enlace peptídico : Se forma el enlace peptídico y la Met ( recordar que es el primer aminoácido que entra ) se une al siguiente aminoácido. 3. Translocación : El ribosoma se traslada hacia el codón siguiente ( en realidad es el ARNm el que se desplaza y no el ribosoma ) y el ARNt que lleva la Met se libera y sale fuera del ribosoma, de manera que el complejo ARNt-aminoácido 2-Met queda situado en la región peptidil del ribosoma y la región aminoacil está libre para que entre el tercer aminoácido con su correspondiente ARNt , el cual lógicamente también ha tenido

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que ser activado previamente. Así, sucesivamente se van añadiendo aminoácidos que constituyen la proteína hasta que se llega a un codón de paro de manera que se une a éste un Factor de Terminación ( RF ) que impide que se una al codón un nuevo aminoácil-ARNt. ANIMACIÓN DE LA ELONGACIÓN

• TERMINACIÓN : Cuando el ribosoma llega a uno de los codones sin sentido, la proteína se libera, las subunidades del ribosoma se disocian y se separan del ARNm. Hay que destacar que varios ribosomas, de 4-6, incluso 100, pueden estar traduciendo al mismo tiempo una misma cadena de ARNm, y estos ribosomas reciben el nombre de polisomas o polirribosomas. ANIMACIÓN DE LA TERMINACIÓN

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Por lo que vemos la función de los ribosomas será la de recibir las instrucciones genéticas y traducirlas en proteínas para lo cual es necesario que se una al ARNm y procesar la información. También hay que decir, que las proteínas según se sintetizan van adquiriendo espontáneamente su estructura 3ª.

VÍDEO TRANSCRIPCIÓN Y TRADUCCIÓN ANIMACIÓN TRADUCCIÓN

4. LOS OPERONES : OPERÓN LAC Y OPERÓN TRP

Este enlace te llevará a la página donde puedes descargar las presentaciones en power point de los operones. Busca en imágenes y presentaciones de Biología de 2º de Bachillerato. PRESENTACIONES EN POWER POINT DE LA TRANSCRIPCIÓN, TRADUCCIÓN Y DEL OPERÓN LAC Y DEL OPERÓN TRP

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CUESTIONES

1) Indica a qué tipo de ácido nucleico corresponden las siguientes secuencias de bases

nitrogenadas, clasificando así mismo las bases nitrogenadas : a) CGCTCCA... b) TTAGGCGGG.... c) UACCGAU... 2) ¿ Cuál es la secuencia complementaria de : 5' ACCTACACA.... 3' 3) Relaciona los nombres que aparecen en la columna de la izquierda con la

terminología expresada en la columna de la derecha : 1.Uracilo. A. Nucleósido. 2.Adenosina. B. Un tipo de ARN. 3.Histonas. C. Base pirimidínica. 4.ARNt. D. Proteína que se suele encontrar asociada al ADN. 4) El ADN presente en una determinada especie bacteriana posee sobre el total de bases

nitrogenadas un 18% de Citosina. Calcula el porcentaje de los restos de bases nitrogenadas presentes en el ADN de esa bacteria.

5) Explica la relación que existe entre el apareamiento de bases nitrogenadas y la estabilidad del ADN.

6) Supón que al hacer el análisis de la proporción de adenina del cromosoma 21 resulta ser del 33%, y la del cromosoma 22 fuera del 23%. Determina la proporción de cada una de las otras bases de cada cromosoma, así como indica que cromosoma presenta mayor resistencia a la desnaturalización por el calor y las causas que lo determinan.

7) La composición ( en unidades de fracción molar ) de una de las cadenas de ADN de doble hélice es A = 0,30 y G = 0,24.

¿ Qué puede decirse de las bases T y C de la misma cadena ? ¿ Qué puede decirse de las bases A, G, T, C, de la cadena complementaria ? 8) Al realizar un estudio de la frecuencia con que aparecen las bases nitrogenadas en los

ácidos nucleicos para 5 especies distintas se obtuvieron los siguientes resultados :

A G C T U Especie A 10 30 24 - 21 Especie B 25 32 24 19 - Especie C 24 26 26,1 23,9 - Especie D 22,5 27,5 27,4 - 22,6 Especie E 27,8 22 22,2 28 -

¿ Qué tipo de ácido nucleico ( ADN o ARN mono o bicatenario ) constituye el material hereditario de estas especies ? B/ Entre los ADN que poseen doble hélice ¿Cuál tendrá el punto de fusión más alto ?¿ Cuál será la secuencia del polipéptido formado por la adición de poli UUAC a un sistema proteico libre de células ? 11.Suponemos la siguiente secuencia de ADN : 3' TACAGCCTACGTAACCGTATT 5’

¿ Qué polipéptido se formará ? 12.La secuencia de aminoácidos de una parte del lisozima de un virus es : Thr-Lys-Ser-

Pro-Ser-Leu-Asn-Ala-Ala-Lys. ¿ Cuál será la secuencia de bases del ARNm que codifica esta proteína? ¿ Y la del ADN ?

13.Construye un péptido a partir de la siguiente información : TTAGCAGTATATTTGATTACACGGTAGCAT. ¿ Cuál es el extremo N-terminal ? ¿ y el extremo C-terminal ?.

14.Señala los errores del siguiente texto : El ADN es el ácido nucleico más abundante en la célula. Se encuentra exclusivamente en el núcleo celular y posee una masa

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molecular muy elevada. Químicamente está formado por dos cadenas de polinucleótidos ”.

15.Escribe la secuencia de ADN que codifica la síntesis del siguiente polipéptido : Cys-Gly-Met-Ala.

16.Supongamos que la hebra de ADN 3' AATGCAAAT 5', durante la transcripción de la misma hay un error de tal manera que frente al nucleótido C se sitúa otro de citosina en lugar de uno de guanina , ¿ Se modificará la secuencia peptídica codificada por esa cadena de ADN ?

17.Representando la adenina con la letra A, escribe la fórmula de la adenosina-5´-trifosfato.

18.Una hebra de ADN posee la siguiente composición de bases nitrogenadas : A = 21%, G = 30%, C=26%, T= 23%. Esta hebra es replicada por la ADN polimerasa. La cadena resultante es utilizada como modelo por la ARN-polimerasa. Razona que composición de bases tendrá el ARN producido.

19.Escribe la secuencia del ARN resultado de la transcripción del siguiente fragmento de ADN : AAGTCCATTGCCGGGTAAAATCAT , suponiendo que el segundo y el sexto tripletes son intrones. Además numera los extremos de dicho ADN

20.En cierta cepa bacteriana se sabe que a partir de la secuencia nucleotídica que se indica se produce un oligopéptido con 8 aminoácidos :

ATGATTACACCCATATGTAATCAT TACTAATGTGGGTATACATTAGTA. A)Determina la secuencia del mensajero y la secuencia aminoacídica del

octopéptido. B) Introduce una mutación de manera que en vez de un octopéptido obtengamos un pentapéptido.

21.¿ Cuántas secuencias nucleotídicas de ARNm pueden codificar el tripéptido H2N-Lys-Met-Glu-COOH ?

22.Completa los espacios utilizando la tabla del código genético : Cadena de ADN que se transcribe : 3' C _ _ _ _ _ ACT 5' ARNm : 5' _ CA _ _ _ U _ _ 3' Anticodón del ARNt : 3' _ _ _ _ _ _ _ _ _ 5' Aminoácido incorporado : Trp 23.¿ Cuántas moléculas de ADN hay en una célula somática humana, sabiendo que las

células somáticas son aquellas que no son células reproductoras ? 24.En la siguiente tabla se indican las proporciones relativas de bases púricas y

pirimidínicas de diferentes ADN. La adenina se utiliza como referencia, a la cual se le ha dado arbitrariamente un valor 10 ( las medidas se dan con una precisión de -

+ 0,4 ) :

Origen del ADN

Adenina Guanina Citosina Timina

Hombre : Bazo 10 7,2 7,0 10 Cerdo: Timo 10 6,8 6,9 9,6 Erizo: Semen 10 5,4 5,4 9,7 Trigo: Semilla 10 8,9 8,7 10,2 ¿ Cuál es la relación sencilla existente entre las diferentes proporciones de la tabla, la cual se mantiene en los cuatro organismos indicados ? 26. El material genético de los virus puede ser ADN ( de cadena sencilla o doble ) o

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ARN ( de cadena sencilla o doble ). En la tabla siguiente se indica la composición de bases de 4 virus :

a) Indica qué material genético tiene cada virus y si es de cadena sencilla o doble. b) ¿ Se puede saber la concentración de la Timina y Citosina del virus 4 ? Si es así, indícala.

Virus A G C T U 1 25% 24% 18% 33% - 2 28% 22% 22% - 28% 3 31% 19% 19% 31% - 4 22% 19% - - 33%

27. Completa la siguiente tabla :

T ADN C A A ADN G U U CODONES A U U ANTICODONES Met AMINOÁCIDOS