From Gene to Protein · 2018. 6. 12. · • En procariotas, ARNm producido por la transcripción se traduce inmediatamente y sin más procesamiento • En una célula eucariótica,

Copyright © 2005 Pearson Education, Inc. publishing as Benjamin Cummings

PowerPoint Lectures for

Biology, Seventh Edition

Neil Campbell and Jane Reece

Lectures by Chris Romero

Chapter 17

From Gene to Protein


Overview: The Flow of Genetic Information

• El contenido de información de ADN está en la

forma de secuencias específicas de nucleótidos

• El ADN heredado por un organismo lleva a rasgos

específicos dictando la síntesis de proteínas

• La expresión de genes, el proceso por el cual el

ADN dirige la síntesis de proteínas, incluye dos

etapas: transcripción y traducción

• El ribosoma es parte de la maquinaria celular para

su traducción, síntesis de polipéptidos



Concept 17.1: Genes specify proteins via transcription and translation

• Cómo se descubrió la relación entre genes y

proteínas?


Evidence from the Study of Metabolic Defects

• In 1909, British physician Archibald Garrod first

suggested that genes dictate phenotypes through

enzymes that catalyze specific chemical reactions

• He thought symptoms of an inherited disease

reflect an inability to synthesize a certain enzyme

• Linking genes to enzymes required understanding

that cells synthesize and degrade molecules in a

series of steps, a metabolic pathway


Nutritional Mutants in Neurospora: Scientific Inquiry

• Beadle and Tatum exposed bread mold to X-rays,

creating mutants that were unable to survive on

minimal medium as a result of inability to

synthesize certain molecules

• Using crosses, they identified three classes of

arginine-deficient mutants, each lacking a different

enzyme necessary for synthesizing arginine

• They developed a “one gene–one enzyme”

hypothesis, which states that each gene dictates

production of a specific enzyme

LE 17-2

Class I

Mutants

(mutation

In gene A)Wild type

Class II

Mutants

(mutation

In gene B)

Class III

Mutants

(mutation

In gene C)

Precursor

Ornithine

AEnzyme

A

Citrulline

Arginine

Gene A

Gene B

Gene C

Precursor Precursor Precursor

AA

B B B

Ornithine Ornithine OrnithineEnzyme

B

Enzyme

C

Arginine Arginine Arginine

C C C

Citrulline Citrulline Citrulline

Minimal

Medium

(MM)

(control)

Wild type

Class I

Mutants

Class II

Mutants

Class III

Mutants

MM +

Ornithine

MM +

Citrulline

MM +

arginine

(control)


The Products of Gene Expression: A Developing Story

• Some proteins aren’t enzymes, so researchers

later revised the hypothesis: one gene–one

protein

• Many proteins are composed of several

polypeptides, each of which has its own gene

• Therefore, Beadle and Tatum’s hypothesis is now

restated as one gene–one polypeptide


Basic Principles of Transcription and Translation

• Transcription is the synthesis of RNA under the

direction of DNA

• Transcription produces messenger RNA (mRNA)

• Translation is the synthesis of a polypeptide,

which occurs under the direction of mRNA

• Ribosomes are the sites of translation


• En procariotas, ARNm producido por la transcripción se

traduce inmediatamente y sin más procesamiento

• En una célula eucariótica, la envoltura nuclear separa la

transcripción de la traducción

• Transcritos de ARN eucariotas se modifican a través de

procesamiento del ARN para producir ARNm acabado

• Las células se rigen por una cadena celular del comando:

DNA RNA proteína

LE 17-3-1

TRANSCRIPTIONDNA

Prokaryotic cell

LE 17-3-2

TRANSCRIPTIONDNA

Prokaryotic cell

Ribosome

Polypeptide

mRNA

Prokaryotic cell

LE 17-3-3

TRANSCRIPTION

TRANSLATION

DNA

mRNA

Ribosome

Polypeptide

DNA

Prokaryotic cell

Nuclear

envelope

TRANSCRIPTION

Eukaryotic cell

LE 17-3-4

TRANSCRIPTION

TRANSLATION

DNA

mRNA

Ribosome

Polypeptide

DNA

Pre-mRNA

Prokaryotic cell

Nuclear

envelope

mRNA

TRANSCRIPTION

RNA PROCESSING

Eukaryotic cell

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


The Genetic Code

• ¿Cómo son las instrucciones para el montaje de

los aminoácidos en las proteínas codificadas en el

ADN?

• Hay 20 aminoácidos, pero sólo hay cuatro bases

de nucleótidos en el ADN

• Entonces, ¿cuántas bases corresponden a un

aminoácido?


Codons: Triplets of Bases

• El flujo de información de un gen a la proteína se basa en un código de tripletes: una serie de palabras de tres nucleótidos

• Estos tripletes son las unidades más pequeñas de longitud uniforme que pueden codificar para todos los aminoácidos

• Ejemplo: AGT en una posición particular en una cadena de ADN da como resultado la colocación del aminoácido serina en la posición correspondiente del polipéptido a ser producido


• Durante la transcripción, una cadena de ADN

llamado la cadena molde proporciona una plantilla

para ordenar la secuencia de nucleótidos en un

transcrito de ARN

• Durante la traducción, los tripletes de bases de

ARNm, llamados codones, se lee en la dirección

5’ a 3’

• Cada codón especifica el aminoácido para ser

colocado en la posición correspondiente a lo largo

de un polipéptido

LE 17-4

DNA

molecule

Gene 1

Gene 2

Gene 3

DNA strand

(template)

3

TRANSCRIPTION

Codon

mRNA

TRANSLATION

Protein

Amino acid

35

5


Cracking the Code

• Los 64 codones fueron descifradas por los

mediados de los años 1960

• El código genético es redundante, pero no

ambiguo; ningún codón especifica más de un

aminoácido

• Los codones deben leerse en el marco de lectura

correcto (agrupaciones correctas) para que se

produzca el polipéptido especificado e se

producirá

LE 17-5Second mRNA base

Th

ird

mR

NA

ba

se

(3e

nd

)


Evolution of the Genetic Code

• El código genético es casi universal, compartida

por las bacterias más simples de los animales

más complejos

Los genes pueden ser transcritos y traducidos

después de ser trasplantado de una especie a

otra



Concept 17.2: Transcription is the DNA-directed synthesis of RNA: a closer look


Molecular Components of Transcription

• La síntesis de ARN es catalizada por la ARN

polimerasa, que separa las dos cadenas del ADN

y engancha los nucleótidos de ARN a medida que

aparean sus bases a lo largo del molde de ADN

• La síntesis de ARN sigue las mismas reglas de

apareamiento de bases como el ADN, excluidos

los sustitutos de uracilo de timina


• La secuencia de ADN donde se une la ARN

polimerasa se llama el promotor; en procariotas,

la secuencia de señalización de la final de la

transcripción se llama el terminador

• El tramo de ADN que se transcribe se llama una

unidad de transcripción

Animation: Transcription

media/17_07TranscriptionIntro_A.html

LE 17-7

Promoter Transcription unit

RNA polymerase

Start pointDNA

53

35

LE 17-7

Promoter

53

35

35

53

Transcription unit

DNA

Initiation

Start point

RNA polymerase

Unwound

DNA

RNA

tran-

script

Template strand

of DNA

LE 17-7Promoter

53

Transcription unit

35

DNAStart point

RNA polymeraseInitiation

35

53

Unwound

DNA

RNA

tran-

script

Template strand

of DNA

Elongation

Rewound

DNA

35

53

3

5

RNA

transcript

LE 17-7Promoter

35

Transcription unit

DNA

InitiationRNA polymerase

Start point

Template strand

of DNARNA

tran-

script

Unwound

DNAElongation

3

3

53

5

5

3 5

Rewound

DNA

5 3

35 3

5

RNA

transcript Termination

35

5 3Completed RNA transcript

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”)


Synthesis of an RNA Transcript

• The three stages of transcription:

– Initiation

– Elongation

– Termination


Unión de la ARN polimerasa e iniciación de la transcripción

• Los promotores señalan el inicio de la síntesis de

ARN

• Los factores de transcripción median la unión de la

ARN polimerasa y la iniciación de la transcripción

• El conjunto completo de factores de transcripción y

ARN polimerasa II unido a un promotor se denomina

un complejo de iniciación de la transcripción

• Un promotor llamado una caja TATA es crucial en la

formación del complejo de iniciación en eucariotas

LE 17-8

Promoter

53

35

TATA box Start point

Transcription

factors

53

35

Several transcription

factors

Additional transcription

factors

RNA polymerase IITranscription factors

RNA transcript

53

355

Transcription initiation complex

Eukaryotic promoters

Template

DNA strand


Elongation of the RNA Strand

• A medida que la ARN polimerasa se mueve a lo

largo del ADN, continúa desenrrollando la doble

hélice, y expone de 10 a 20 bases

• Transcripción progresa a una velocidad de 60

nucleótidos por segundo en eucariotas

• Un gen puede transcribirse de forma simultánea

por varias ARN polimerasas


Termination of Transcription

• Los mecanismos de terminación son diferentes en

procariotas y eucariotas

• En los procariotas, la polimerasa se detiene la

transcripción al final del terminador

• En eucariotas, la polimerasa de transcripción

continúa después de la pre-mRNA se escinde de

la cadena de ARN en crecimiento; la polimerasa

finalmente se desprende del ADN


Concept 17.3: Eukaryotic cells modify RNA after transcription

• Las enzimas en el núcleo eucariota modificar pre-

mRNA antes de que los mensajes genéticos se

envían al citoplasma

• Durante el procesamiento del ARN, ambos

extremos de la transcripción primaria son

generalmente alterados

• Además, por lo general algunas partes interiores

de la molécula se cortan, y las otras partes

empalmados juntos


Alteration of mRNA Ends

• Cada extremo de una molécula de pre-ARNm se

modifica de una manera particular:

• El extremo 5’ recibe un casquete con una formaa

modificada de nucleótidos de Guanina

• El 3’ final consigue un cola poli-A

• Estas modificaciones tienen varias funciones:

• Ellos parecen facilitar la exportación de ARNm

Protegen ARNm de enzimas hidrolíticas

• Ellos ayudan a los ribosomas se unen al extremo 5 '

LE 17-9

5

Protein-coding segment

5 Start codon Stop codon Poly-A tail

Polyadenylation signal

5 3Cap UTR UTR


Split Genes and RNA Splicing

• Most eukaryotic genes and their RNA transcripts have long noncoding stretches of nucleotides that lie between coding regions

• These noncoding regions are called intervening sequences, or introns

• The other regions are called exons because they are eventually expressed, usually translated into amino acid sequences

• RNA splicing removes introns and joins exons, creating an mRNA molecule with a continuous coding sequence

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 3UTR UTR


• En algunos casos, el empalme de ARN se lleva a

cabo por espliceosomas

• Espliceosomas consisten en una variedad de

proteínas y varios ribonucleoproteínas nucleares

pequeñas (snRNPs) que reconocen los sitios de

empalme

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


Ribozymes

• Las ribozimas son moléculas catalíticas de ARN

que funcionan como enzimas y puede empalme

de ARN

• El descubrimiento de las ribozimas obsoleto la

creencia de que todos los catalizadores biológicos

eran proteínas

LE 17-12

Gene

Transcription

RNA processing

Translation

Domain 2

Domain 3

Domain 1

Polypeptide

Exon 1 Intron Exon 2 Intron Exon 3

DNA


La traducción es la síntesis de un polipéptido dirigida por el ARN


Molecular Components of Translation

• Una célula traduce un mensaje de ARNm en

proteína con la ayuda de ARN de transferencia

(ARNt)

Las moléculas de ARNt no son idénticos:

Cada uno lleva un aminoácido específico en un

extremo

Cada uno tiene un anticodón en el otro extremo;

el anticodón pares de bases con un codón

complementaria en el ARNm

LE 17-13

Polypeptide

tRNA with

amino acid

attached

Ribosome

tRNA

Anticodon

35

mRNA

Amino

acids

Codons


The Structure and Function of Transfer RNA

ACC

• Una molécula de ARNt consta de una sola

cadena de ARN que es sólo alrededor de 80

nucleótidos de largo

• Aplanado en un plano para revelar su base de

sincronización, una molécula de ARNt se parece

a una hoja de trébol

LE 17-14a

Amino acid

attachment site

Hydrogen

bonds

3

5

Two-dimensional structureAnticodon

Amino acid

attachment site

35

Hydrogen

bonds

Anticodon Anticodon

Symbol used in this bookThree-dimensional structure

3 5


• Debido a los enlaces de hidrógeno, ARNt realidad

retuerce y se pliega en una molécula

tridimensional

• ARNt es más o menos en forma de L

LE 17-14b

Hydrogen

bonds

Amino acid

attachment site5

3

3 5

Anticodon

Symbol used in this book

Anticodon

Three-dimensional structure


• Traducción precisa requiere dos pasos:

Primer paso: una coincidencia correcta entre un

ARNt y un aminoácido, hecho por la enzima

aminoacil-ARNt sintetasa

• Segundo paso: una coincidencia correcta entre el

anticodón ARNt y un codón de ARNm

LE 17-15Amino acid

Aminoacyl-tRNA

synthetase (enzyme)

Pyrophosphate

Phosphates

tRNA

AMP

Aminoacyl tRNA

(an “activated

amino acid”)


Ribosomes

• Los ribosomas facilitar el acoplamiento específico

de anticodones ARNt con codones de ARNm en la

síntesis de proteínas

• Las dos subunidades ribosomales (grandes y

pequeñas) están hechas de proteínas y ARN

ribosomal (ARNr)

LE 17-16a

tRNA

molecules

Exit tunnelGrowing

polypeptide

Large

subunit

mRNA 3

Computer model of functioning ribosome

Small

subunit

5

E P A


• Un ribosoma tiene tres sitios de unión para tRNA:

El sitio P sostiene el tRNA que lleva la cadena

polipeptídica en crecimiento

• El sitio A tiene el tRNA que lleva el siguiente

aminoácido a ser añadido a la cadena

• El sitio E es el punto de salida, donde los ARNt

descargado salen del ribosoma

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 17-16c

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


Building a Polypeptide

Las tres etapas de la traducción:

inicio

elongación

terminación

Las tres etapas requieren "factores" de proteínas

que ayudan en el proceso de traducción


Ribosome Association and Initiation of Translation

• La etapa de iniciación de la traducción reúne a ARNm,

ARNt con un primer aminoácido, y las dos

subunidades ribosomales

• En primer lugar, una pequeña subunidad ribosómica

se une con el ARNm y un iniciador de especial ARNt

• Entonces las subunidades pequeñas mueve a lo largo

del ARNm hasta que alcanza el codón de inicio (AUG)

• Las proteínas denominadas factores de iniciación

traer a la subunidad grande por lo que el tRNA

iniciador ocupa el sitio P

LE 17-17

GTPInitiator tRNA

mRNA

53

mRNA binding site

Small

ribosomal

subunit

Start codon

P site

53

Translation initiation complex

E A

Large

ribosomal

subunit

GDP


Elongation of the Polypeptide Chain

• Durante la etapa de alargamiento, los aminoácidos se

añaden uno por uno para el aminoácido anterior

• Cada adición involucra proteínas denominadas factores de

elongación y se produce en tres pasos: codón de

reconocimiento, la formación del enlace péptido, y la

translocación

Animation: Translation

media/17_18TranslationIntro_A.html

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


Termination of Translation

• De terminación se produce cuando un codón de

parada en el ARNm alcanza el sitio A del

ribosoma

• El sitio A acepta una proteína llamada factor de

liberación

• El factor de liberación hace que la adición de una

molécula de agua en lugar de un aminoácido

• Esta reacción libera el polipéptido, y el conjunto

de la traducción a continuación, se separa

LE 17-19

3

El factor de liberación hidroliza el

Enlace entre el ARNt en el sitio P y

El último aminoácido de la cadena

Polipeptídica. De este modo se libera

El polipéptido del ribosoma

Se disocian las dos subuni

Dades y los otros componen

Tes del complejo

Release

factor

Stop codon

(UAG, UAA, or UGA)

5

3

5

3

5

Free

polypeptide

Cuando un ribosoma alcanza un

Codón de terminación en el mARN

El sitio A del ribosoma acepta una

Proteína llamada factor de liberación

En lugar de ARN t


Polyribosomes

• Un número de ribosomas puede traducir un único

ARNm de forma simultánea, la formación de un

polyribosome

• Polirribosomas permiten una celda para hacer

muchas copias de un polipéptido muy

rápidamente

LE 17-20

Ribosomes

mRNA

0.1 mm

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

ribosomal

subunits

Growing

polypeptides

End ofmRNA(3 end)

Start ofmRNA(5 end)

Completed

polypeptides


Terminación y orientación de la proteína funcional

• A menudo, la traducción no es suficiente para

hacer una proteína funcional

Cadenas de polipéptidos se modifican después de

la traducción

Proteínas completadas están dirigidos a sitios

específicos de la célula


Protein Folding and Post-Translational Modifications

• During and after synthesis, a polypeptide chain spontaneously coils and folds into its three-dimensional shape

• Proteins may also require posttranslational modifications before doing their job


Targeting Polypeptides to Specific Locations

• Two populations of ribosomes are evident in cells:

free ribsomes (in the cytosol) and bound

ribosomes (attached to the ER)

• Free ribosomes mostly synthesize proteins that

function in the cytosol

• Bound ribosomes make proteins of the

endomembrane system and proteins that are

secreted from the cell

• Ribosomes are identical and can switch from free

to bound


• Polypeptide synthesis always begins in the cytosol

• Synthesis finishes in the cytosol unless the

polypeptide signals the ribosome to attach to the

ER

• Polypeptides destined for the ER or for secretion

are marked by a signal peptide

• A signal-recognition particle (SRP) binds to the

signal peptide

• The SRP brings the signal peptide and its

ribosome to the ER

LE 17-21

Ribosomes

mRNA

Signal

peptide

Signal-

recognition

particle

(SRP)SRP

receptor

protein

CYTOSOL

ER LUMEN Translocation

complex

Signal

peptide

removed

ER

membrane

Protein


Concept 17.5: RNA plays multiple roles in the cell: a review

Type of RNA Functions

Messenger

RNA (mRNA)

Carries information specifying

amino acid sequences of

proteins from DNA to ribosomes

Transfer RNA

(tRNA)

Serves as adapter molecule in

protein synthesis; translates

mRNA codons into amino acids

Ribosomal

RNA (rRNA)

Plays catalytic (ribozyme) roles

and structural roles in ribosomes



Primary

transcript

Serves as a precursor to mRNA,

rRNA, or tRNA, before being

processed by splicing or

cleavage

Small nuclear

RNA (snRNA)

Plays structural and catalytic

roles in spliceosomes

SRP RNA Is a component of the the signal-

recognition particle (SRP)



Small

nucleolar RNA

(snoRNA)

Aids in processing pre-rRNA

transcripts for ribosome subunit

formation in the nucleolus

Small

interfering

RNA (siRNA)

and microRNA

(miRNA)

Are involved in regulation of

gene expression


• RNA’s diverse functions range from structural to

informational to catalytic

• Properties that enable RNA to perform many different functions:

– Can hydrogen-bond to other nucleic acids

– Can assume a three-dimensional shape

– Has functional groups that allow it to act as a

catalyst (ribozyme)


Concept 17.6: Comparing gene expression in prokaryotes and eukaryotes reveals key differences

• Prokaryotic cells lack a nuclear envelope, allowing

translation to begin while transcription progresses

• In a eukaryotic cell:

– The nuclear envelope separates transcription

from translation

– Extensive RNA processing occurs in the

nucleus

LE 17-22

RNA polymerase

DNA

Polyribosome

RNA

polymerase

Direction of

transcription

mRNA

0.25 mm

DNA

Polyribosome

Polypeptide

(amino end)

Ribosome

mRNA (5 end)


Concept 17.7: Point mutations can affect protein structure and function

• Mutations are changes in the genetic material of a

cell or virus

• Point mutations are chemical changes in just one

base pair of a gene

• The change of a single nucleotide in a DNA

template strand leads to production of an

abnormal protein

LE 17-23

Wild-type hemoglobin DNA

mRNA

3 5 53

5 3 35

Mutant hemoglobin DNA

mRNA

Normal hemoglobin Sickle-cell hemoglobin


Types of Point Mutations

• Point mutations within a gene can be divided into

two general categories

– Base-pair substitutions

– Base-pair insertions or deletions


Substitutions

• A base-pair substitution replaces one nucleotide

and its partner with another pair of nucleotides

• Base-pair substitution can cause missense or

nonsense mutations

• Missense mutations still code for an amino acid,

but not necessarily the right amino acid

• Nonsense mutations change an amino acid codon into a stop codon, nearly always leading to a nonfunctional protein

• Missense mutations are more common

LE 17-24

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


Insertions and Deletions

• Insertions and deletions are additions or losses of

nucleotide pairs in a gene

• These mutations have a disastrous effect on the

resulting protein more often than substitutions do

• Insertion or deletion of nucleotides may alter the

reading frame, producing a frameshift mutation

LE 17-25

Base-pair insertion or deletion

Frameshift causing immediate nonsense

Extra U

Missing

Frameshift causing

extensive missense

Insertion or deletion of 3 nucleotides:

no frameshift but extra or missing amino acid

Missing

Stop

Stop

Amino end Carboxyl end

Stop

Wild type

mRNA

Protein

5 3


Mutagens

• Las mutaciones espontáneas pueden ocurrir

durante la replicación del ADN, la recombinación,

o la reparación

Los mutágenos son agentes físicos o químicos

que pueden causar mutaciones


What is a gene? revisiting the question

• Un gen es una región de ADN cuyo producto final

es ya sea un polipéptido o una molécula de ARN

LE 17-26

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

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