transcripcion y traduccion (del gen a la proteina)
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Transcripciòn y Traducciòn:
del Gen a la Proteìna
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El Flujo de Información Genética
• La información contenida en el DNA es en forma
de secuencias de nucleótidos específicas
• El DNA heredado por un organismo determina (en
parte) rasgos (fenotipos) específicos al dictar lasíntesis de proteínas
• La expresión génica, el proceso por el cuál el
DNA dirige la síntesis de proteínas, ncluye 2
etapas: transcripción y traducción
• El ribosoma es el lugar donde se lleva a cabo la
traducción (síntesis de polipéptidos)
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Los Genes especifican proteínas por medio de laTranscripción y Traducción
• ¿Cómo fué descubierta la relación fundamental
entre genes y proteínas?
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Evidencia a través de defectos metabólicos
• En 1909, el médico Británico Archibald Garrod sugirió, por
primera vez, que los genes dictaban los fenotipos a través
de enzimas que catalizaban reacciones químicas
específicas
• El pensó que los síntomas de una enfermedad hereditaria
reflejaban la incapacidad de sintetizar una determinada
enzima
• El nexo entre genes y enzimas requería de la comprensiónde que las células sintetizan y degradan moléculas en una
serie de pasos, una vía metabólica
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Mutantes nutricionales en Neurospora crassa
• Beadle y Tatum expusieron al hongo Neurospora crassa a
rayos X, creando mutatntes que eran incapaces de
sobrevivir en medio de cultivo mínimo, como resultado de
la incapacidad de sintetizar ciertas moléculas
• Por medio de cruzamientos ellos identificaron 3 clases demutantes deficientes en arginina, cada uno de ellos
carentes de una enzima funcional diferente, necesaria
para la síntesis de arginina
• Ellos desarrollaron la hipótesis de un gen - una enzima,que establece que cada gen dicta la producción de una
enzima específica
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Productos de la expresión génica
• Algunas proteínas no son enzimas, por lo tanto los
investigadores posteriormente revisaron la
hipótesis: un gen – una proteína
• Muchas proteínas están formadas por variospolipéptidos, cada uno de los cuáles posee su
propio gen
• Por lo tanto, una revisión posterior de la hipótesisde Beadle y Tatum es: un gen – un polipéptido
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Principios básicos de la transcripción y traducción
• La transcripción es la síntesis de RNA bajo la
dirección del DNA
• La transcripcción produce RNA mensajero
(mRNA)
• La traducción es la síntesis de un polipéptido, la
cuál ocurre bajo la dirección del mRNA
• En los ribosomas es donde ocurre traducción
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• En procariontes el mRNA producido por
transcripciòn es inmediatamente traducido sin
mas procesamiento
• En una cèlula eucarionte la membrana nuclearsepara la trasncripciòn de la traducciòn
• Los transcriptos de RNA eucariòtico son
modificados a travès del procesamiento del RNA,
para producir el mRNA maduro
• Las cèlulas son gobernadas por una cadena de
comandos: DNA RNA proteìna
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LE 17-3-1
TRANSCRIPTIONDNA
Prokaryotic cell
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LE 17-3-2
TRANSCRIPTIONDNA
Prokaryotic cell
Ribosome
Polypeptide
mRNA
Prokaryotic cell
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LE 17-3-3
TRANSCRIPTION
TRANSLATION
DNA
mRNA
Ribosome
Polypeptide
DNA
Prokaryotic cell
Nuclear envelope
TRANSCRIPTION
Eukaryotic cell
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LE 17-3-4
TRANSCRIPTION
TRANSLATION
DNA
mRNA
Ribosome
Polypeptide
DNA
Pre-mRNA
Prokaryotic cell
Nuclear envelope
mRNA
TRANSCRIPTION
RNA PROCESSING
Eukaryotic cell
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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
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El Código Genético
• ¿Cómo son las instrucciones para ensamblar
aminoácidos en proteínascodificadas en el DNA?
• Hay 20 amino acidos, pero hay solo 4 bases
nitrogenadas en el DNA
• ¿Entonces cuantas bases nitrogenadas
corresponden a un aminoácido?
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Codones: tripletes de bases
• El flujo de información del gen a la proteína estabasada en un código de tripletes: una serie de 3nucleótidos no superpuestos
• Estos tripletes son las unidades que codificanpara los aminoácidos
• Ejemplo: AGT en una posición particular de unacadena de DNA resulta en el posicionamiento delaminoácido serina en la posición correspondientedel polipéptido que se produce
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• Durante la transcripción una cadena de DNAdenominada cadena templado provee el templadopara ordenar la secuencia de nucleótidos en untranscripto de RNA
• Durante la traducción los tripletes de bases en elmRNA, denominados codones, son leidos en ladirección 5 a 3
• Cada codon especifica el aminoácido a serubicado en la posición correspondiente a lo largodel polipéptido
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Descifrado del Código Genético
• Los 64 codones fueron descifrados a mediados de
los años1960s
• El código genético es redundante pero no
ambiguo; ningún codon especifica mas de unaminoácido
• Los codones deben ser leidos en el marco de
lectura correcto (agrupamientos correctos) para
que el polipéptido especificado sea producido
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LE 17-5Second mRNA base
FirstmRNA
base(5
end)
T h i r d m R N A b a s e ( 3
e n d )
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Componentes moleculares de la transcripción
• La síntesis de RNA es catalizada por la RNA
polimerasa
• La síntesis de RNA sigue las mismas reglas de
apareamiento de bases que el DNA, excepto queel U sustituye a T
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• La secuencia de DNA donde la RNA polimerasase une es denominada promotor
• La secuencia que señaliza la finalización de la
transcripción es denominada terminador
• La secuencia de DNA que es transcripto es
denominada unidad transcripcional
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LE 17-7
Promoter Transcription unit
RNA polymerase
Start pointDNA
5 3
3 5
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LE 17-7
Promoter
5 3 3 5
3 5
5 3
Transcription unit
DNA
Initiation
Start point
RNA polymerase
Unwound
DNA
RNA
tran-
script
Template strand
of DNA
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LE 17-7Promoter
5 3
Transcription unit
3 5DNA
Start pointRNA polymeraseInitiation
3
5
5
3
Unwound
DNA
RNA
tran-
script
Template strand
of DNA
Elongation
Rewound
DNA
3 5
5 3
3
5
RNA
transcript
yhttp://www.foxitsoftware.com For evaluation only.
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LE 17-7Promoter
3 5
Transcription unit
DNA
Initiation
RNA polymerase
Start point
Template strand
of DNARNA
tran-
script
Unwound
DNAElongation
3
3
5 3
5
5
3 5
Rewound
DNA
5 3
3
5 3
5
RNAtranscript Termination
3 5
5
3
Completed RNA transcript
yhttp://www.foxitsoftware.com For evaluation only.
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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”)
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Síntesis de un transcripto de RNA
• Las 3 etapas de la transcripción:
– Iniciación
– Elongación
– Terminación
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Unión de la RNA polimerasa e iniciación de latranscripción
• Los promotores señalizan la iniciación de lasíntesis de RNA
• Los factores de transcripción median la unión de
la RNA polimerasa y la iniciación de latranscripción
• El conjunto de los distintos factores detranscripción y la RNA polimerasa unidos al
promotor es denominado complejo de iniciaciónde la transcripción
• Una secuencia en el promotor, el TATA box, escrucial para la formación del complejo de
iniciación en eucariontes
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LE 17-8
Promoter
5 3
3 5
TATA box Start point
Transcription
factors
5 3
3 5
Several transcription
factors
Additional transcription
factors
RNA polymerase II
Transcription factors
RNA transcript
5 3
3 5 5
Transcription initiation complex
Eukaryotic promoters
Template
DNA strand
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Elongación de la cadena de RNA
• A medida que la RNA polimerasa se meve a lolargo del DNA, desenrrolla a la doble hélice 10-20
nucleótidos a la vez
• La transcripción progresa a una velocidad de 60nucleótidos por segundo en eucariontes
• Un gen puede ser transcripto simultaneamentepor varias moléculas de RNA polimerasa
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Terminación de la transcripción
• Los mecanismos de terminación son diferentes enprocariontes y eucariontes
• En procariontes la polimerasa detiene la
transcripción al final del terminador
• La polimerasa continua la transcripción después
de que el pre-mRNA es clivado de la cadena de
RNA en crecimiento; la polimerasa eventualmente
se cae del DNA
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Las células eucarióticas modifican el RNA despuésde la transcripción
• Enzimas en el núcleo eucariótico modifican el pre-mRNA antes de que el mensaje genético sea
enviado al citoplasma
• Durante el procesamiento del pre-mRNA ambosextremos de este transcripto primario son
modificados
• También normalmente algunas secuencias
internas (intrones) son removidos y las otraspartes (exones) son juntadas (splicing)
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Modificaciones de los extremos del mRNA
• Cada extremo de una molécula de pre-mRNA esmodificada de una forma particular:
– El extremo 5 recibe un cap formado por un
nucleótido modificado
– Al extremo 3 se agrega una cola de poli A
• Estas modificaciones poseen varias funciones:
– Parecen facilitar la exportación de mRNA – Protegen al mRNA de ribonucleasas
– Ayudan a los ribosomas a unirse al extremo 5’
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LE 17-9
5
Protein-coding segment
5 Start codon Stop codon
Poly-A tail
Polyadenylation signal
5 3 Cap UTR UTR
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RNA Splicing
• La mayoría de los genes eucarióticos y sustranscriptos de RNA poseen secuencias nocodificantes largas, las cuáles se encuentranentre secuencias codificantes
• Estas secuencias o codificantes son denominadassecuencias intervinientes o intrones
• Las otras regiones son denominadas exonesdebido a que son expresadas, al ser traducidas ensecuencias de aminoácidos de un polipéptido
• El splicing del RNA remueve intrones y uneexones, creando una molécula de mRNA con una
secuencia codificante contínua
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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 3 UTR UTR
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• En muchos casos el splicing del RNA es llevado acabo por spliceosomes
• Los spliceosomes consisten de una variedad de
proteínas y distintos pequeños RNAs nucleares(snRNAs), los que se asocian formando
ribonucleoproteinas denominadas snRNPs), las
que reconocen los sitios de splicing
p y
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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
p y
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Ribozimas
• Las ribozimas son moléculas de RNA catalíticoque funcionan como enzimas y pueden hacer
splicing de RNA
• El descubrimiento de las ribozimas hatransformado en obsoleta la creencia de quetodos los catalizadores biológicos son proteínas
p y
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Importancia funcional y evolutiva de los intrones
• Algunos genes pueden codificar mas de unpolipéptido, dependiendo de que segmentos sean
tratados como exones durante el splicing
• Estas variaciones son dnominadas splicingalternativo
• Debido al splicing alternativo el número de
diferentes polipéptidos que un organismo puede
producir es mucho mayor que su número degenes
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LE 17-12
Gene
Transcription
RNA processing
Translation
Domain 2
Domain 3
Domain 1
Polypeptide
Exon 1 Intron Exon 2 Intron Exon 3
DNA
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• Las proteínas frecuentemente posen unaarqutectura modular que consiste de regiones
discretas denominadas dominios
• En muchos casos exones diferentes codificanpara diferentes dominios de una proteína
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Traducción: componentes moleculares
• Una cèlula traduce un mRNA en proteìna con laayuda de los RNAs de transferencia RNA (tRNAs)
• Las molèculas de tRNA no son idènticas:
– Cada una transporta un aminoàcido especìfico
en un extremo
– Cada una posee un anticodon en el otro
extremo; el anticodon se aparea con un codoncomplementario en el mRNA
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LE 17-13
Polypeptide
tRNA with
amino acid
attached
Ribosome
tRNA
Anticodon
3
5
mRNA
Amino
acids
Codons
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Estructura y funciòn de los tRNAs
ACC
• Una molècula de tRNA consiste de una cadenade RNA de alrededor de 80 nucleòtidos de largo
• La molècula de tRNA parece una hoja de trebol,
si se considera su estructura 2-D
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LE 17-14a
Amino acid
attachment site
Hydrogen
bonds
3
5
Two-dimensional structureAnticodon
Amino acid
attachment site
3 5
Hydrogen
bonds
Anticodon Anticodon
Symbol used in this bookThree-dimensional structure
3 5
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• Debido a la formaciòn de puentes de H internos,por apareamiento de bases de la misma cadena
de tRNA, la molècila se pliega formando una
estructura 3-D
• Esta estructura 3-D tiene forma de “L”
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LE 17-14b
Hydrogen
bonds
Amino acid
attachment site5
3
3 5
Anticodon
Symbol used in this book
Anticodon
Three-dimensional structure
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• Una correcta traducciòn requiere 2 pasos:
– 1er paso: la carga de un tRNA con el
aminoàcido correcto, llevada a cabo por una
aminocil-tRNA sintetasa especìfica
– 2º paso: el correcto apareamiento entre el
anticodòn del tRNA y el codòn del mRNA
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LE 17-15Amino acid
Aminoacyl-tRNA
synthetase (enzyme)
Pyrophosphate
Phosphates
tRNA
AMP
Aminoacyl tRNA
(an “activated
amino acid”)
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Ribosomas
• Los ribosomas facilitan el acople especìfico de losanticodones de los tRNAs con los codones del
mRNA durante la sìntesis de proteìnas
• Las 2 subunidades ribosomales estàn constituidaspor proteìnas y RNAs ribosomales (rRNAs)
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LE 17-16a
tRNA
molecules
Exit tunnelGrowing
polypeptide
Large
subunit
mRNA 3
Computer model of functioning ribosome
Small
subunit
5
E P A
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-
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• Un ribosoma posee 3 sitios de uniòn para el tRNA:
– El sitio P sostiene al tRNA que transporta la
cadena polipeptìdica creciente
– El sitio A sostiene al tRNA que transporta alsisguiente amminoàcido a ser adicionado en la
cadena polipeptìdica
– El sitio E es el sitio de salida, donde los tRNAsdescargados abandonan el ribosoma
LE 17 16b
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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 16
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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
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Sìntesis de un Polipèptido
• Las 3 etapas de la traducciòn:
– Iniciaciòn
– Elongaciòn
– Terminaciòn
• Estas 3 etapas requieren factores protèicos queayudan en el proceso de traducciòn
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Asociaciòn de las subunidades ribosomales einiciaciòn de la traducciòn
• La etapa de iniciaciòn de la traducciòn une almRNA, al tRNA con el primer aminoàcido, y a las2 subunidades ribosomales
• Primero, la subunidad ribosomal menor se une
con el mRNA y un tRNA especiàl iniciador • Luego la subunidad menor se mueve a lo largo
del mRNA hasta que alcanza el codòn deiniciaciòn (AUG)
• Proteìnas denominadas factores de iniciaciònpermiten que se acople la subunida ribosomalmayor, de tal forma que el tRNA iniciador ocupa elsitio P
LE 17 17
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LE 17-17
M e t
GTPInitiator tRNA
mRNA
5 3
mRNA binding site
Small
ribosomal
subunit
Start codon
P site
5 3
Translation initiation complex
E A
Large
ribosomal
subunit
GDP
M e t
-
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LE 17 18
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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
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Terminaciòn de la Traducciòn
• La terminaciòn ocurre cuando un codòn de
terminaciòn (stop) en el mRNA alcanza el sitio A
del ribosoma
• El sitio A acepta a una proteìna denominada factor
de liberaciòn
• El factor de liberaciòn provoca la adiciòn de una
molècula de agua en lugar de un aminoàcido al
extremo C terminal del polipèptido
• Esta reacciòn libera al polipèptido del ribosoma, el
cuàl se separa en sus 2 subunidades liberando
asimismo a los otros componentes
LE 17-19
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LE 17-19
3
The release factor hydrolyzes the
bond between the tRNA in the
P site and the last amino acid of the
polypeptide chain. The polypeptide
is thus freed from the ribosome.
The two ribosomal subunits
and the other components
of the assembly dissociate.
Release
factor
Stop codon(UAG, UAA, or UGA)
5
3
5
3 5
Freepolypeptide
When a ribosome reaches a stop
codon on mRNA, the A site of the
ribosome accepts a protein called
a release factor instead of tRNA.
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Polirribosomas
• Varios ribosomas pueden traducir una mismamolècula de mRNA simultaneamente, formando
un polirribosoma
• Los polirribosomas permiten a la cèlula producir varias copias de un polipèptido ràpidamente, a
partir de una misma molècula de mRNA
LE 17-20
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LE 17 20
Ribosomes
mRNA
0.1
m
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
ribosomalsubunits
Growing
polypeptides
End of mRNA(3
end)
Start of mRNA(5 end)
P ol y r i bosome
Completed
polypeptides
C l d di i i d ì
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Completado y direccionamiento de una proteìnafuncional
• Frecuentemente la traducciòn no es suficientepara producir una proteìna funcional
• Los polipèptidos son modificados luego de la
traducciòn• Las proteìnas completadas son direccionadas a
lugares especìficos en la cèlula
Pl i d P ì M difi i
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Plegamiento de Proteìnas y Modificaciones Postraduccionales
• Durante y luego de su sìntesis una cadenapolipeptìdica se curva y pliega formando unaestructura 3-D (adquisiciòn de la estructuraterciaria)
• La proteìnas tambièn pueden requerir modificaciones postraduccionales antes deconvertirse en proteìnas funcionales
Di i i d li è id l
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Direccionamiento de polipèptidos a lugaresespecìficos de la cèlula
• 2 poblaciones de ribosomas son evidentes en lascèlulas: ribosomas libres (en el citosol), y
ribosomas unidos al RER
• Los ribosomas libres mayoritariamente sintetizanproteìnas que funcionan en el citosol
• Los ribosomas unidos al RER fabrican proteìnas
del sistema de endomembranas y proteìnas que
son secretadas por la cèlula
• Los ribosomas son idènticos y pueden cambiar de
libres a unidos al RER
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LE 17-21
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Ribosomes
mRNA
Signal
peptide
Signal-
recognition
particle
(SRP)SRP
receptor
protein
CYTOSOL
ER LUMEN Translocation
complex
Signalpeptide
removed
ER
membrane
Protein
Th RNA l lti l l i th ll i
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The RNA plays multiple roles in the cell: a review
Type of RNA FunctionsMessenger
RNA (mRNA)
Carries information specifying
amino acid sequences of
proteins from DNA to ribosomes
Transfer RNA(tRNA)
Serves as adapter molecule inprotein synthesis; translates
mRNA codons into amino acids
Ribosomal
RNA (rRNA)
Plays catalytic (ribozyme) roles
and structural roles in ribosomes
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Type of RNA FunctionsPrimary
transcript
Serves as a precursor to mRNA,
rRNA, or tRNA, before being
processed by splicing or
cleavageSmall nuclear
RNA (snRNA)
Plays structural and catalytic
roles in spliceosomes
SRP RNA Is a component of the the signal-
recognition particle (SRP)
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Type of RNA FunctionsSmall
nucleolar RNA
(snoRNA)
Aids in processing pre-rRNA
transcripts for ribosome subunit
formation in the nucleolus
Smallinterfering
RNA (siRNA)
and microRNA
(miRNA)
Are involved in regulation ofgene expression
-
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La comparaciòn de la expresiòn gènica en procariontes y
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La comparaciòn de la expresiòn gènica en procariontes yeucariontes revela diferencias clave
• Las cèlulas procariontes carecen de membrananuclear, permitiendo que la traducciòn comience
mientras progresa la transcripciòn
• En una cèlula eucariòtica:
– La membrana nuclear separa la transcripciòn
de la traducciòn
– Un procesamiento extensivo del RNA ocurreen el nùcleo
LE 17-22
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RNA polymerase
DNA
Polyribosome
RNA
polymerase
Direction of
transcription
mRNA
0.25 m
DNA
Polyribosome
Polypeptide(amino end)
Ribosome
mRNA (5 end)
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LE 17-23
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Wild-type hemoglobin DNA
mRNA
3 5 5 3
5 3 3 5
Mutant hemoglobin DNA
mRNA
Normal hemoglobin Sickle-cell hemoglobin
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Susitituciones
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Susitituciones
• Una sustituciòn de un par de bases reemplaza unnucleòtido y su par con otro par de bases
• Las sustituciones de pares de bases pueden causar
mutaciones de cambio de sentido o mutaciones sin sentido
• Las mutaciones de cambio de sentido aùn codifican para
un aminoàcido, pero no necesariamente para el
aminoàcido correcto
• Mutaciones sin sentido cambian el codòn de un
aminoàcido por un codòn stop, casi siempre llevando a laformaciòn de una proteìna no funcional
• Las mutaciones de cambio de sentido son las màscomunes
LE 17-24Wild type
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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
Inseciones y Deleciones
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Inseciones y Deleciones
• Las inserciones y deleciones son adiciones opèrdidas de pares de nucleòtidos en un gen
• Estas mutaciones poseen un efecto desastrozo en
la proteìna resultante màs frecuentemente que en
el caso de sustituciones
• Inserciones o dleciones de nucleòtidos pueden
alterar el marco de lectura, produciendo
mutaciones por cambio en el marco de lectura
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Mutagenos
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Mutagenos
• Mutaciones espontàneas pueden ocurrir durantela replicaciòn, recombinaciòn o reparaciòn del
DNA
• Los mutàgenos son agentes fìsicos o quìmicos
que pueden causar mutaciones
¿Què es un gen?
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¿Què es un gen?
• Un gen es una regiòn del DNA cuyo producto finàles un polipèptido o una molècula de RNA
LE 17-26
TRANSCRIPTION DNA
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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