Biologia Celular - Clase 13

TRANSCRIPCIÓN DEL DNA:

Copia de una secuencia de DNA a RNA

Tipos de RNA dentro de la Célula Tipo de RNA

Función

mRNA

codifica proteínas

rRNA

forma parte de la estructura del ribosoma y participa en la síntesis de proteínas

tRNA

utilizado en la síntesis de proteínas como un adaptador entre el RNA y los aminoácidos

RNA pequeños

participan en la maduración del mRNA precursor, el transporte de las proteínas hacia el ER y en otros procesos celulares

RNA polimerasa promotor

señal de terminación para RNA polimerasa

Transcripción • La transcripción es llevada a

doble hélice de DNA ABERTURA DE LA DOBLE HÉLICE DE DNA

cabo por la RNA POLIMERASA

sitio de iniciación de transcripción

• La RNA polimerasa se une a una secuencia especial llamada

INICIACIÓN DE LA HEBRA DE RNA POR UNIÓN DE DOS RIBONUCLEÓSIDOS TRIFOSFATO

PROMOTOR, que está en el lado 5’ (“río arriba”) del gen que será transcrito. • La doble hélice de DNA es desenrrollada (alrededor de

ELONGACIÓN DE LA HEBRA EN DIRECCIÓN 5’Æ 5’Æ3’ POR ADICIÓ ADICIÓN DE RIBONUCLEÓ RIBONUCLEÓSIDOS TRIFOSFATO

10 nucleótidos) y la síntesis la hebra de RNA es contínuamente desplazada por DNA, reformando la doble hélice de DNA

de RNA procede en la región corta de hélice DNA/RNA

dirección 5’ Æ 3’ • La síntesis finaliza cuando la

TERMINACIÓN Y LIBERACIÓN DE LA POLIMERASA Y LA HEBRA DE RNA TERMINADA

RNA polimerasa encuentra una señal de terminación de transcripción. Se liberan la polimerasa y la hebra de RNA terminada.

Estructura de Promotores de Procariontes

secuencia –35

secuencia –10 (Caja TATA) sitio de inicio

Transcripción hebra de DNA templado

La RNA polimerasa se une a dos secuencias del promotor, que se encuentran 10 nucleótidos río arriba (posición –10 aproximadamente) y 35 nucleótidos río arriba (35), respectivamente, del sito de inicio de la transcripción. El RNA es sintetizado a partir del sitio de inicio (nucleótido +1), utilizando como templado la hebra complementaria a la cual se encuentra el promotor.

Polimerización por la RNA Polimerasa hebra de RNA desplazada

sitio para el ribonucleósido trifosfato entrante

doble hélice de DNA

sitio de reenrollamiento

sitio de desenrollamiento

región corta de doble hélice DNA/RNA La RNA polimerasa desenrolla contínuamente la doble hélice de DNA delante del sitio de polimerización, mientras va reenrollando las dos hebras de DNA detrás de este sitio, desplazando a la hebra de RNA recientemente sintetizada. Por lo tanto se forma transitoriamente una región corta de doble hélice DNA/RNA y el producto de RNA final es liberado como una copia de simple hebra de una de las hebras de DNA.

Hebra de RNA creciente

Hebra de DNA templado

Reacción de Elongación por la RNA Polimerasa El ribonucleósido trifosfato entrante es seleccionado por apareamiento con la hebra templado de DNA; un ribonucleósido monofosfato es adicionado al extremo 3’OH de la hebra creciente de RNA (flecha roja) y se libera pirofosfato(átomos rojos). La nueva hebra de RNA crece, por lo tanto, un nucleótido a la vez, en la dirección 5’ Æ 3’ y es complementaria a la hebra templado del DNA.

Ribonucleósido trifosfato entrante Dirección 5’ Æ 3’ de crecimiento de la hebra

RNA Polimerasas de Eucariontes Sens. αamanitina

Nombre

Tipo de RNA Sintetizado

RNA Polimerasa I

RNAs ribosomales grandes (rRNA)

-

RNA Polimerasa II

RNA mensajero (mRNA)

+

RNA Polimerasa III

RNAs pequeños (rRNA 5S y tRNA)

-/+

Los procariontes tienen una sola RNA polimerasa, que transcribe todos los tipos de RNA. La de E. Coli está formada por 5 subunidades, α, β, β‘ y σ.

Comparación de mRNAs de Procariontes y Eucariontes

Los mRNAs de procariontes suelen codificar para más de una proteína, es decir son policistrónicos

Los mRNAs de eucariontes son monocistrónicos

Maduración del RNA en Eucariontes La transcripción de un gen eucarionte da origen a un RNA mensajero (mRNA) que no está listo aún para ser traducido (pre-mRNA). Estos son procesados para convertirlos en mRNAs maduros. Las modificaciones que sufren son • Adición del “cap” o caperuza en el extremo 5’ (iniciación de síntesis de proteínas y protección del transcrito creciente de la degradación). • Adición de una cola de poli(A) en el extremo 3’ (exportación del mRNA maduro hacia el citoplasma, estabilidad de mRNAs en el citoplasma y sirve de señal de reconocimiento para el ribosoma, requerida para una traducción eficiente. • “Splicing” o corte y empalme (eliminación de intrones)

Síntesis de un Transcrito Primario de mRNA RNA polimerasa II

sitio de inicio del RNA sitio de adición de poli(A)

transcrito naciente de RNA

DNA

Adición del cap (capping) capping)

Elongación de la hebra

Elongación de la hebra

Adición de poli(A)

poli(A)

Transcrito primario de mRNA (precursor de mRNA)

La adición del cap ocurre durante la transcripción por RNA polimerasa II, sobre la hebra de RNA naciente. Luego de que la hebra terminada es cortada en el extremo 3’, se produce la adición de la cola de poli(A), completando el TRANSCRITO PRIMARIO.

Adición del Cap del Extremo 5’ de los mRNAs de Eucariontes Extremo 5’ del mRNA naciente Extremo 5’ del mRNA

7-metilguanosina

fosfatasa

Guanil transferasa

Enlace 5’ – 5’ trifosfato

metil transferasa

La 7-metilguanosina se une al nuceótido del extremo 5’ del transcrito por un enlace 5’-5’. La ribosa del primer nucleótido del RNA transcrito tiene una metilación en el 2‘-OH

Adición de la Cola de Poli(A)

10-30 nucleótidos

AAUAAA Señal de Poliadenilación

AAAAAAAAAAAAAAAA Cola de Poli(A) (100-200)

El extremo 3’ de la mayoría de los transcritos de la RNA polimerasa II se define, no por un evento de terminación de transcripción, sino por el corte del transcrito en un sitio específico y la adición en el extremo 3’ cortado La señal para el corte es la secuencia AAUAAA, localizada 10-30 nucleótidos río arriba del sitio de corte, llamada señal de poliadenilación. Después del corte, la enzima poli-A polimerasa adiciona 100-200 residuos de A al extremo 3’ de la hebra de RNA para completar el transcrito primario

Estructura de Genes de Procariontes y Eucariontes

Mientras que los genes de los procariontes son contínuos, es decir la secuencia del mRNA maduro es la misma que el DNA templado, los genes de eucariontes suelen tener secuencias internas que no son codificantes, por lo cual no existen en el mRNA maduro y, por ello, deben ser removidos del transcrito primario antes de la traducción. Estas secuencias que no codifican se llaman INTRONES y las regiones codificantes se llaman EXONES.

Splicing de Transcritos Primarios Transcrito primario de RNA Inicio de traducción

exón

intrón

término

~8000 nucleótidos REMOCIÓN DE INTRONES POR SPLICING Inicio

término

mRNA TRADUCCIÓN

proteína ovoalbúmina

Splicing del transcrito primario del gen de la ovoalbúmina de pollo. Se muestra la remoción organizada de 7 intrones para la obtención de una molécula de mRNA funcional. Los sitios de splicing 5’ (sitios donantes) son representados por D y los sitios de splicing 3’ (sitios aceptores) por una A.

Mecanismo de Splicing Sitio 5’ de splicing Exón A

snRNPs

Sitio 3’ de splicing Exón B

intrón Ensamblaje del Spliceosoma

mRNA precursor

Paso 1 Formación del lazo (lariat) y corte en el sitio de splicing 5’

Paso 2 corte en el sitio de splicing 3’ y ligación de exones Intrón liberado en forma de lazo (lariat)

mRNA maduro (exones ligados)

El splicing de mRNA es catalizado por el SPLICEOSOMA, formado por ribonucleoproteínas nucleares pequeñas (snRNPs) y otros componentes. En un primer paso, el punto de ramificación A, que se localiza cerca del extremo 3’ de splicing, produce un corte en el sitio 5’ de splicing, generando un enlace covalente entre ambos puntos. En el segundo paso, el extremo 3’ libre del primer exón, resultante de la reacción anterior, se une al primer nucleótido del siguiente exón, cortando la molécula de RNA en el sitio de splicing 3’. Los dos exones quedan unidos entre sí, liberando el intrón como un lazo (“lariat”).

Transcripción: Diferencias entre Procariontes y Eucariontes Envoltura nuclear Transcripción Transcripción Traducción

Ribosoma Polipéptido

Maduración de mRNA

Célula Procarionte

Los procariontes (bacterias) no tienen núcleo. La traducción ocurre simultáneamente con la transcripción. Los eucariontes segregan la transcripción en el núcleo. El mRNA es procesado, exportado del núcleo y traducido en el citoplasma.

Ribosoma Traducción Polipéptido

Célula Eucarionte

Transcripción: Diferencias entre Procariontes y Eucariontes Procariontes

Eucariontes

Todas las especies de RNA son sintetizadas por la misma RNA polimerasa

Tres RNA polimerasas son responsables de la síntesis de las diferentes clases de RNA

El mRNA es traducido durante la transcripción

El mRNA es procesado antes de ser transportado al citoplasma, donde es traducido

Los genes son secuencias contínuas, equivalentes al mRNA que será traducido a proteína

Los genes se encuentran interrumpidos por intrones, que son removidos antes de la traducción

Los mRNA son a menudo policistrónicos

Los mRNAs son monocistrónicos

TRADUCCIÓN: Síntesis de una Proteína a partir de la Secuencia de un RNA Mensajero

Código Genético El DNA es una molécula informacional: las bases son A, C, G, T Para codificar 20 aminoácidos se necesita una “palabra” de al menos 3 letras 4 x 4 = 16 (2 bases no son suficientes) 4 x 4 x 4 = 64 (3 bases son suficientes) Nos referimos a cada “palabra” como un CODÓN. Por ejemplo, una proteína de 100 aminoácidos estará codificada por un mRNA de 300 nucleótidos. El código genético es UNIVERSAL: un codón en un organismo especifica el mismo aminoácido en cualquier otro

molécula de DNA

Gen 1

Gen 2 Gen 3

templado de DNA Transcripción

Traducción

Código Genético SEGUNDA BASE

El código genético:

Los codones especiales son: AUG Æ codón de inicio y metionina UAA/UGA/UAG Æ codones de término (codones sin sentido)

TERCERA BASE (extremo 3’)

Es Degenerado: un aminoácido puede ser codificado por más de un codón. La variabilidad suele estar en la tercera base del codón.

PRIMERA BASE (extremo 5’)

No es ambiguo: cada codón codifica para un sólo aminoácido

Código Genético

Marcos de Lectura

Dependiendo de la base donde comience la traducción, el marco de lectura puede ser diferente. Un marco de lectura abierto es aquel que comienza en un codón AUG de inicio, continúa con una extensión de codones codificantes y termina en un codón de término

Traducción

tRNA con aminoácido unido

El mRNA es traducido en el ribosoma a proteína. Cuando el ribosoma se une al sitio de inicio en el mRNA, comienza a leerlo, 3 nucleótidos a la vez (codones). El ribosoma no adiciona aminoácidos libres, sino que los aá se encuentran unidos a un RNA especial llamado RNA de Transferencia (tRNA), que posee una región complementaria al codón, llamada anticodón.

Comparación entre Ribosomas de Eucariontes y Procariontes

Subunidad mayor

Subunidad menor

RIBOSOMA PROCARIÓTICO

Subunidad mayor

Subunidad menor

RIBOSOMA EUCARIÓTICO

Los componentes de los ribosomas se designan por su valor “S”, que define la velocidad de sedimentación en una ultracentrífuga. A pesar de la diferencia en los tamaños y cantidad de sus componentes, ambos tipos de ribosomas tienen prácticamente la misma estructura espacial y funcionan de manera muy similar.

RNA de Transferencia (tRNA) Sitio de unión de aminoácidos

Sitio de unión de aminoácidos

Enlaces de hidrógeno

La estructura de “trébol” del tRNA. Existen muchas moléculas diferentes de tRNA, incluyendo al menos una para cada aminoácido. Aunque difieren en secuencia, todas poseen 3 horquillas más un brazo aceptor de aminoácidos. El tRNA mostrado corresponde a fenilalanina, por lo cual se representa como tRNAPhe. En todos los tRNA, el aá se encuentra unido a la A de la secuencia CCA del extremo 3’. Un tRNA con un aminoácido unido se llama aminoacil-tRNA. La aminoacil tRNA sintetasa adjunta un aminoácido específico a un tRNA específico.

Estructura de un Aminoacil-tRNA

aminoacil-tRNA

El extremo carboxilo terminal del aminoácido forma un enlace éster con el 3’-OH de la ribosa de la A terminal. Se dice que el aminoácido en esta estructura se encuentra ACTIVADO.

aminoácido

Formación de un Enlace Peptídico

peptidil-tRNA unido al extremo carboxiloterminal de la cadena polipeptídica creciente

aminoaciltRNA

molécula de tRNA liberada de su unión al polipéptido

Incorporación de un aminoácido a una proteína. Una cadena polipeptídica crece por la adición secuencial de aminoácidos a su extremo carboxilo-terminal.

nueva molécula de peptidil-tRNA unida al extremo carboxilo-terminal de la cadena polipeptídica creciente

Etapas de la Traducción Iniciación

el ribosoma se une al codón de inicio del mRNA

Elongación

Terminación

la cadena polipeptídica es elongada por la sucesiva adición de aminoácidos

cuando aparece un codón de término, el polipéptido es liberado y el ribosoma se disocia

Iniciación de la Traducción Existe un tRNA iniciador especial que tiene unida una metionina. tRNA de inicio

sitio de unión de mRNA

subunidad menor

subunidad mayor

El ribosoma se ensambla en el sitio de inicio con la ayuda de factores de iniciación Hay 3 sitios en el ribosoma que unen aminoacil-tRNAs: A = acepta un nuevo tRNA P = aquí se forma un enlace peptídico E = sitio de salida para tRNAs “vacíos”

Sitio E (salida de tRNA vacío) Sitio de unión de mRNA

Sitio P (unión de peptidil-tRNA) Sitio A (unión de aminoacil-tRNA) Subunidad Mayor Subunidad Menor

Iniciación de la Traducción en EUCARIONTES

Iniciación de la Traducción en PROCARIONTES Secuencia de Shine-Dalgarno

En procariontes, la subunidad menor del ribosoma, unida al tRNA de inicio, reconoce una secuencia específica de hasta 6 nucleótidos, el sitio de unión de ribosomas, también llamada Secuencia de Shine-Dalgarno. Esta se ubica 4-7 nucleótidos río arriba del AUG de inicio y es reconocida por el ribosoma por su apareamiento con una región del rRNA 16S. En procariontes, el aminoácido de iniciación es siempre formil-metionina (fMet).

Reconocimiento del Codón de Inicio en Procariontes y Eucariontes Secuencia de Shine-Dalgarno

desplazamiento (scanning) de la subunidad menor del ribosoma

Elongación: Un Ciclo de Traducción Extremo amino-terminal del polipéptido

Ribosoma listo para el siguiente aminoacil-tRNA

Translocación: El tRNA en el sitio A es translocado al sitio P, llevando consigo el mRNA. Mientras tanto, el tRNA en el sitio P se va al sitio E, siendo liberado finalmente del ribosoma. El mRNA ha cambiado su posición en el ribosoma en un codón.

Reconocimiento del codón: Un aminoacil-tRNA entrante se une al codón en el sitio A

Formación del enlace peptídico: El ribosoma cataliza la formación de un enlace peptídico entre el aá nuevo y el extremo carboxiloterminal del polipéptido creciente.

Terminación de la Traducción Factor de liberación

polipéptido libre

codón de término (UAA, UAG, UGA)

La unión de un factor de liberación a un codón de término pone fin a la traducción. El polipéptido es liberado y el ribosoma se disocia en sus dos subunidades. El factor de liberación es una proteína. Los codones de término no codifican para aminoácidos.

Ejercicio: Suponiendo que la siguiente secuencia corresponde a un mRNA completo, ¿de cuantos aminoácidos constará la proteína resultante de su traducción? 5’ CAGUCAUGCCAGUCGGAUAGACGUAGAUGAUCC 3’ Met

Pro

Val

Gly Stop

4 aminoácidos

No codifica para aminoácidos

Transcripción

RNA transcrito desde templado de DNA

Procesamiento RNA

en eucariontes, el transcrito de RNA (pre-mRNA) es procesado y modificado para producir mRNA, que migra al citoplasma.

DNA

Resumen Transcripción y Traducción en Eucariontes

RNA polimerasa RNA transcrito

el mRNA abandona el núcleo y se asocia con el ribosoma.

Activación del aminoácido cada aminoácido se une a su propio tRNA con la ayuda de una enzima específica y ATP Traducción

sucesivos tRNAs agregan sus aá a la cadena polipeptídica mientras el mRNA se desliza por el ribosoma, un codón a la vez. Cuando se completa, el polipéptido se libera del ribosoma

Polirribosomas Una molécula de mRNA puede ser traducida simultáneamente por una serie de ribosomas, tanto unidos a membranas como en forma libre. Estas estructuras se llaman polirribosomas o polisomas. Ocurren tanto en eucariontes como en procariontes.

La Transcripción y la Traducción están Acopladas en Procariontes En los eucariontes, la envoltura nuclear mantiene la transcripción separada de la traducción. Pero en procariontes, el mRNA es accesible a los ribosomas mientras se va sintetizando. Por lo tanto, los ribosomas comenzarán a sintetizar un polipéptido en el extremo 5’ de una molécula naciente de mRNA y seguirán su síntesis detrás de la RNA polimerasa, a medida que ésta completa la cadena de mRNA.