Información en los seres vivos

• El fenotipo se correlaciona con el genotipo• Dogma central: ADN - ARN - proteínas - rasgos• Estable y transmisible

– Puede ser copiada y diseminada• Capacidad de modificación

– Mutación– Recombinación – Sexo (intercambio de material genético)

Del genotipo al fenotipo

Material genético (ADN) Genes

Proteínas Estructura molecular

Función

AnimalesHongos

Bacterias

Plantas

Rasgos

Almacenamiento de la información genética: estructura del ADN

Estructura del genoma de los organismos procariotas

• Contienen un único cromosoma de estructura circular• Básicamente ADN desnudo• Mayoría de la secuencia de ADN compuesta por genes

E. coli- 4.6 Mb ~87% --- 4288 genes

• Material genético almacenado en el núcleo• Organizado de forma compleja en varios

cromosomas de estructura linear • ADN asociados a proteínas (histonas y no histonas):

fibras de cromatina

Estructura del genoma de los organismos eucariotas

En los eucariotas la información genética se reparte en un nº variable

de cromosomas

Complejidad del genoma eucariota

• Parte del genoma de los organismos eucariotas no codifica para proteínas:– ADN altamente repetitivo, centrómeros, ADN satélite,

telómeros (5% del genoma humano) – ADN moderadamente repetitivo, SINEs, LINEs, ARNr

y VNTRs (30% del genoma humano)

• Los organismos eucariotas contienen secuencia no codificante (no traducida a proteína) incluso dentro de la secuencia génica

Replicación del ADN

O

El ADN se replica en dirección 5’ – 3’

Extremo 5’

Extremo ·3’

O

OO

OH

OH

P

P

PPP

P

P

P

P

A T

T A

GC

C

OH

Extremo 5’

Replicación del ADN

• Video replicación del ADN

• http://www.youtube.com/watch?v=zmu9OPuXj-k&feature=related

El ADN contiene la información para producir las proteínas de un

organismo

Naturaleza química de las proteínas

• La unidad básica de la proteína es el aminoácido, existen 20 aminoácidos distintos

• Los aminoácidos están unidos covalentemente mediante enlaces formando cadenas (polipéptidos)

Proteínas

• Las proteínas son la clase más versátil de macromoléculas en la célula

• Existen 20 amino ácidos diferentes que forman parte de las proteínas

• Gran variedad de características químicas • Pueden sufrir muchas modificaciones

bioquímicas que alteran o regulan su función• Llevan a cabo la mayoría de las funciones

celulares

Niveles de organización de las proteínas

Flujo de la información genética para generar proteínas

• ADN • Código de 4 letras• Largas moléculas con

miles de genes

• Proteína• Código de 20 letras• Moléculas de tamaño

discreto

(RT) TRANSCRIPCIÓN

TRADUCCIÓN

Estructura los genes eucariotas

Transcrito

El “splicing” tiene lugar en el “spliceosome”

http://www.youtube.com/watch?v=FVuAwBGw_pQ

Transcripción

• Proceso complejo que implica varios pasos

• La ARN polimerasa sintetiza un molécula de ARN monocatenario usando

como molde la secuencia de una de las cadenas de ADN

• El inicio de la transcripción está regulado por factores de transcripción

que reconocen secuencias normalmente situadas justo antes del punto

de inicio de la transcripción (extremo 5’)

• Existen secuencias que indican el final de la transcripción, al ARN recién

sintetizado se le añade una secuencia de adeninas, la denominada cola

poli A

(RT) TRANSCRIPCIÓN

TRADUCCIÓN

• Video síntesis de proteínas

• http://www.youtube.com/watch?v=FNqmh4PoMPQ

Flujo de información, de la secuencia geníca a la proteína

Regulación del flujo de la información genética

ADN Pre-ARNm ARNm Proteína Proteínaactiva

Transcripción Splicing Traducción Modificaciones post-traduccionales

CromatinaADN-B ADN-Z

Nivel principal de regulación

Splicing alternativo

Estabilidad

Transcripciónal Post-transcripción Post-Traduccional

Splicing alternativo

• Hace referencia a variaciones en la forma de combinar exones que generan diversas formas de una proteína

• El splicing alternativo de pre-ARNm es un importante mecanismo de regulación de la expresión de genes en eucariotas superiores. Regulación cualitativa

• Explica por ejemplo la existencia de aproximadamente 1.000.000 de anticuerpos diferentes en humanos a pesar de que el genoma humano contiene únicamente unos 30.000 genes

Fig 24.4 Alternate splicing of transcripts from the rat troponin T gene.

“Splicing alternativo”

Result in slightly different action of muscle

Fig 24.5 Alternate splicing of transcripts from the Sex-lethal gene in male and female Drosophila.

Genes expressed that lead to female development

Genes expressed that lead to male development

Bioinformática

• Las nuevas tecnologías de secuenciación permiten secuenciar el genoma completo de un organismo

• Se está generando una enorme cantidad de datos

• ¿Cómo analizar todos estos datos?– Bioinformática

• Fusión de las ciencias de la computación con la ciencia genómica

• Desarrollo de nuevas herramientas para analizar datos

• Contig 190 25703 - 32806 • atgctctttaccatgcaattcaccactcgatccaccgtggcctcgcccgagcagcagcaccaacaccaacagcgcagtatctcgtactcggatatcgaacttggtcttgagcgcatcagctctcgcgacagcaatggcagct

ccaactttacgcacagagcctatcctccaccgctatctcagcaatatgacgacacatccaccaactcctttcattcatcgcagccagacatcacagcctcttcttcaactttgtcgtctcgcctcgtgagcgccaactactcccgtcctcggttcgagcatgcgcacactcaaccacccacacccgaccaagaccgctccagctccggctccggctccggctccggctctcgctcctactttcccgccaactcgcattccgactctttgcccggtcccagcactcatagcatcagcccttcctttgacgaggacgaactccgtcagatcatgtcgcacattccagctaaccaagccacgtccagctcggatggcgatgtaggcaaggccgtccagtctgccaaccatcaggacatcagtccgttcctcttccagagcgagaacgcagctcccttttcctcctcccactccaaccgtaccagtgtcaatccatccgcagcctcgaccgccagcccgtcgacttcggcggcaaccaggacacgtccgcgcgggggcaccaacgcctcgcagtacaacaccctagacactagcttcggtagcatcgatcggcctggcctttcttcttcccgctctcagtattcattgcgcccacagaccccaccctcggcgtccacttccactagcactctcaacggctccaaggacacgcacgcttctgccgtcaagaagacgcgcaatccgttcggctttctcaaaaagaagtcctcggcccactcaaatgcttcctcgaatcaccccacgcgccacgacatcggctcggtctcttcgctctcgtcgcgctacggtcccaacgcggcggccaacgtcaatccgatgcgcccacctgcctggctcgataatcactgcacacttgccaactccaactcgccttcttcggcttcgctgcgctctcactaccaccagcctcctgcctcttcgaatccccctccttggcagaaccccctcgtgtctcgtgcagactcgactccttccgccatgagtctcgaagatgaggtcgaggctgagcatcatctcaagaaggaccctcgcaagcgcatcaaaggcgttcgccatcaccttgcaaagaccaccaagcccggcgaggacgccgactcggcacgcgaccctgcctttgcagcccagagccagtccatcgaacaagaggtcgaactctcgttggacatgaactttgaccagctcgatgactttgtcgacaccaacgcagcgcgccagcggctccagggctcgatcactgagtctgccagtccttccgagcatcgctcaccaaacggaagcgaagccggcgtgtatcgctcgccatccccttcccagactcccattgccgaacgccagacttcggtcacttctaccgtcgaatctccctcgcacgcctcggaagcctcgctcgcaccctcgggctctctgcgaaccccgagtcgcactactgcgtctacctctacctcgtccgcttccaccgtactcagcgaccgtcttccttcgcaggtcaacatgcttcctcgcaatagcgtccccaggctcagcctagccgagatgcaaaactaccagtcgctccgtaaactctcgaacaacctcatcgacatgtcccagacgcaaaacccttccgctatgggcgcatcctaccgccgcggatccatcgcagccgcccaagcacctgtcgacgcgcctcagctaggtgtcgctcctcgtactgactctgagctctccgatcgcaaggacagcgtagtctctacccacagcatgcgctccaaccatagcggcatctcgcccaagacctcatacgccaacctgcccagtgtcattcaggagcgtcagaagccggctactgcacttccctccgccgcgaattggacatcatccatcaccagagacaaaacggccaatggacatgctgaccacgcctaccaatttccgcccgcaactgagtatcagtccaacttgctgctcagcgtgcgcaagtcgagtgccagctcggggcaggagcctagctccagctggatggctcccgacagttgggccgtacaaccggacaagatgcgcgactatcttcgcgacgataatgtcggcgaggaggaagacgacgacgacgaccagcaccaagccagagccgctttggccaccgatggcaagaggcgcggttccagctccggtatcagctcgacgcatgcatcgagcatgttccgcacctcatccaccgaccctttcaagaagactgcctcgcttgctggctcacgtcgcggcacggacgactcggtcgatccgctcaccgctttgcctccattgccaggctccaagtcggtggacgaggcagcagccaacaaggtcgatgtactccagcagaccaataatctcgctcaatcggctctggtgcaacagcagtctcaatcccagaaccaccaccagcccagccccaacgtccgtcccacctcgagaggcggtgctggtgcccacatgtttgcctccgccggcgcttccgctgcagcagctgctgcgggcaagcttggtttacatcgtccatctaaacatcgtatgaacgcgcgacccaataccgcaggctccgttggtgcgacccgaccttccaccaccacgctcggctcgaccctctcggcagaggacgacacaagcatcaacggctccatccgacgcgacggccatccgctcaagcgctccgcaactgccaacacgaacaacgccacgggaactttgcctcgcaaccacttcatccgcgtctacaagacggacggcacctttgcaacgctctcgtgctcactcgtctcgacggcaaacgaagtacagacaatcctcgcgcgcaagagcctcaccaccgaatcggccgcatacaggctttttgtgcgggacaagggctccgagagaccgctggggatctcggacaagccttctcagctccagcgtcgtcgtctcattcaggcaggctacaccgagaacgatggcttggaagatatgggcagagacgatttgtcatacctgcttcgcttcgtctttcgccccgacagtgttcccaccttcgactcggaatccatcggccacagcgagcacacattccagcatctcgatctgcacagccgcaatctcgaaatggtgcccatctttctgtataagcatgccgactggattgttagcctcgatctgtcaggcaatcccatgtctgatcttccgctcgactttgtacagctctgttcaagcctgcgaactctgcgactctcaaacttggcgctcaagcgcatcccgcaaagtgtccggcacagcgaaaccttgacgcacctcgacgtatccaacaatcgaattgtcgagctcgcgcatgtcagtctcgatcttattccggagctcatgtcgctcaaggtgcaaaacaatcgtctctttgacttgccctcatacttttccagcatcagcacgctgaggaacctcaacatctctaacaaccgctttgaagaattccccaaggtcatctgcgacgtcccttcgctggtcgatcttgatgtgtcattcaattcgatcactgaattgcccgccgaaatcgccaacctcatcaacttagagcgcttcatcctagccggcaacgagctggaaaagctgccggacagcatgagcgagctcgtcagcttgcgcaccatcgacctgcgtcgtaacaaggtgcaggacgtttcgtcgctgcttggtcttccacgccttcaaaacatccaggccgagagcaacaacatcaagtcgtttgaagctacactgggtccgcaactcactcaggtcgagctcggtcgcaacccactcagcaaggtgcgcatcgctgctctcaccacgtgcgatctcacctcgctcgacctgtcgtcgaccaacatgacgcggctcgaggaaggtctcttcccgcagctgcctgcgctcgtcaagctgacgctcgatggcaatcagctcgttgtgctgcccgacacgctcggagacttgaagcgactcgagatgctatcatgcagcaacaatctgcttgctaccctccccgagtcgatcggtgatctcaaggcgctcaaggagctgcttgtgcacaacaacaacctcaaaacgcttccacagaccttgtggctctgcgagagcctcgcacacatcaatctcagctccaacttgctcgaatcgttcccagcagtgcctgacattcgcaccgatgcttccgttggagatgcggctgcagctgccggcacttcggccgttatcgctgcacgaaagggatctacaagctcgtcgctgacgcacaggtctaacactggtggcgccaatgggaacatcaatctctctacgccctccgaggtctttgtggcgccgctctcgctcagcctgcagaagctgcgtctgggagacaatcgtctaggcgatgacgttttcagtgtcctgtccgagctcacctcgctcgaggtgctcaacctcagcttcaacgagatctttgagattcccgattttagtctccagacgctcaccaagctgcgtgagctatacatcagtggtaatcagcttagcacgattccttccgacgatcttgtggtgctacaagagctgcgcatcctccacctcaactgcaacaagctcactactctccccaccgaacttggcaagctcaagaagctcgccaacctggatgtcggtaataacgtgctcaagtacaacattgccaattggcattacgactggaactggaacatgaacccggagctacgctacctcaacctttccggcaacacgcgtctcgagatcaagaccaagctgagcgatatgggcttcacgcgcaagtccaacatctcggacttcagccgcttaaccagcttgcgcatgctgggtctcatggatgtcacaatgccattgcattcaaatgccacgccggatgagtcggacaaccgccgtgtgcgaacctcgctctcgcaggtcaacggaatggcttacggaatcgcc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Terminología

• Genoma: conjunto de ADN de un organismo • Transcriptoma: población total de ARNm en una condición

determinada • Proteoma: población total de proteínas en una condición

determinada• Interactoma: descripción de todas las interacciones que tienen

lugar entre moléculas • Metaboloma: descripción de todos los reactivos/productos/enzimas

implicados en metabolismo• ORFeoma/predictoma: descripción de todas las proteínas

potenciales codificadas por el genoma. Genoma anotado

• Secretoma: descripción de todas las proteínas secretadas codificadas por el genoma

© 2003 John Wiley and Sons Publishers

Fig 21.17 Annotated, sequence-based map of an 8-mb segment of DNA at the

tip of human chromosome 1.

Fig 15.18 A single gene may produce a family of closely related polypeptides by using alternate pathways of exon splicing.

Genomas bacterianos

• Un gran número de genomas bacterianos secuenciados – Mycoplasma genitalium – 580,070 bases– Mycobacterium tuberculosis- 4.4 Mb– E. coli- 4.6 Mb

• ~87% --- 4288 genes– ~30% bien caracterizado

– ~38% función desconocida

– Espacio promedio entre genes – 118 bp

• 0.7% elementos repetitivos no codificantes• ~11% elementos reguladores o de función desconocida

Genoma de levadura

Sacchromyces cerevisae – 16 cromosomas – 12 Mb– 5885 genes codificantes de proteínas (1 gene/~2100 bp)– 140 genes ARNr – 275 genes ARNt – 40 genes ARNsn– Principal diferencia con procariotas

• Redundancia genética– Múltiples copias de genes y secuencias no codificantes

– Útil para estudair evolución de secuencias

Genoma de C. elegans

• Primer organismo multicelular secuenciado• 97 Mb

– Relativamente poca cantidad de ADN repetitivo

– 19,099 genes (1 gene/~5100 bp)• Mismo # de proteínas que llevan a cabo funciones

básicas de la célula• Muchos genes específicios de organismo

multicelulares– Señalización intercelular

• 43% similitud con proteínas humanas

Genoma de Drosophila melanogaster

• 180 Mb – ~30% heterocromatina centromérica – 97% de eucromatina secuenciada– 13.601 genes– # de genes de copia única similar al de C.

elegans– Contiene ~180 genes similares a 290 human

genes humanos implicados en enfermedades• Drosophila un buen modelo para estudiar

enfermedades

Genoma de Arabidopsis thaliana

• 125 Mb baja cantidad de elementos repetitivos

• ~26,000 genes– 70% se encuentran duplicados o forman parte

de familias de genes – ~15,000 genes claramente diferenciados

Proyecto Genoma Humano

• 2.95 Gb de 3.2 Gb es eucromatina– >90% de eucromatina secuenciada– ~1% de secuencias codifican proteínas

• Se predicen entre 30.000 y 35,000 genes # poco elevado:

• Levaduras - 6,000 genes• Drosophila - 13,000 genes• C. elegans - 19,000 genes• A. thaliana - 26,000 genes

Genes en genoma humano

• Exones 1.1 %• Intrones ~24%• Regiones intergénicas 74%

• Tamaño promedio de genes – ~7 kb• Número promedio de intrones - 10• Solo 94 de 1.278 familias de proteínas son

específicas de vertebrados– Genes implicados en procesos bioquímicos básicos

parece que evolucionaron solo una vez y se han mantenido de bacterias a levaduras y a mamíferos

Genoma humano

• 60% de proteínas predecidas son similares a otras secuencias

• Principales diferencias con gusanos/moscas– Complejidad de las proteínasComplexity of

proteins• Más dominios/proteína y nuevas combinaciones

de dominios• Aparición de nuevas funciones en dominios ya

existentes

Fig 21.19 Pie chart showing homology of predicted human proteins to proteins of other species for those

where homologues were detected by computer searches of the public databases.

© 2003 John Wiley and Sons Publishers

Fig 21.18 Functional classification of the 26,383 genes predicted by Celera Genomics’ first draft of the

sequence of the human genome.© 2003 John Wiley and Sons Publishers