Este documento presenta una introducción a la estructura de los genes a nivel molecular. Explica las diferencias entre los genes procariotas y eucariotas, describiendo la organización y componentes de los genes como promotores, regiones codificantes e intrones/exones. Además, distingue tres clases de genes eucariotas basados en la ARN polimerasa que los transcribe.

1. ATLAS ANIMADO DE BIOLOGÍA MOLECULAR PATRICIA E. VELEZ V. & PEDRO A. MORENO T.

2. ATLAS ANIMADO DE BIOLOGÍA MOLECULAR A NUESTRAS ADORABLES Y ENTRAÑABLES HIJITAS ANGELITA Y DANIELITA POR SU ALEGRIA Y SU MOTIVANTE INSPIRACION PARA ESTA OBRA

3. PREFACIO Esta obra, denominada ATLAS ANIMADO DE BIOLOGIA MOLECULAR ha sido realizada para motivar de una manera gráfica, dinámica y amena a todo aquel que desea ampliar sus conocimientos básicos en Biología Molecular. Los temas de este trabajo digital, han sido organizados como Parte I y II . La Parte I, Estructura de los Genes , aborda los aspectos generales de los genes y los tipos de genes; y la Parte II , Mecanismos Moleculares del ADN , los procesos que suceden en la molécula de ADN. Los diagramas de una gran parte de esta obra han sido concebidos por los autores de la misma, como producto de años de docencia y de trabajo investigativo y formativo. Esperamos que e st a modesta obra sea para el estudioso de la Biología Molecular un elemento motivante para la profundización en estos fascinantes modelos de mecanismos moleculares que suceden en la molécula de la herencia, el ADN, tanto como lo ha sido para nosotros!

4. La presente obra digital tiene todos los derechos reservados. Este Atlas o cualquiera de sus partes no podrá ser reproducido ni archivado en sistemas recuperables, ni transmitidos en ninguna forma o por ningún medio, ya sean mecánicos o electrónicos, fotocopiadoras, grabaciones, o cualquier otro sin el permiso previo de los autores. Este Atlas esta protegido por leyes de copyright y tratados internacionales. La reproducción o distribución no autorizada de este Atlas o parte del mismo dará lugar a graves penalizaciones tanto civiles como penales y será objeto de cuantas acciones judiciales correspondan en derecho. Registro ISBN: 958-33-5618-2 Agradecimientos: Esta obra permitió descubrir el talento de la estudiante de Ingeniería de Sistemas, Lorena Quenán , a quien queremos dar el reconocimiento por su trabajo. También queremos agradecer a la Vicerrectoría de Investigaciones de la Universidad del Cauca el apoyo logístico para la realización de esta obra . ATLAS ANIMADO DE BIOLOGIA MOLECULAR

5. ATLAS ANIMADO DE BIOLOGÍA MOLECULAR PARTE I ESTRUCTURA DE LOS GENES

6. Patricia Eugenia Velez V, M.Sc. Genética Humana Docente Genética Molecular Departamento de Biología Facultad de Ciencias Naturales, Exactas y de la Educación Universidad del Cauca Pedro A. Moreno T., Doctor en Biología Celular y Molecular Department of Biology & Biochemistry University of Houston, Houston, TX, USA. AUTORES :

7. NOCIONES GENERALES Eucariota : Material Genético confinado en una estructura central llamada Núcleo definida por una envoltura nuclear. Procariotas : Material Genético disperso en el citoplasma, no se encuentra confinado en una estructura membranosa.

8. FLUJO DE LA INFORMACIÓN GENÉTICA ADN TRANSCRIPCION ARNt ARNm ARNr RIBOSOMA TRADUCCION PROTEÍNA Núcleo celular Citoplasma celular

9. C NH C C N N HC NH2 N C O O C C N O NH CH CH3 C ESTRUCTURA QUIMICA DE LAS BASES NITROGENADAS Adenina (A) Citosina (C) Guanina (G) Timina (T) NH2 CH C N O N CH C NH2 C CH N N HC N C C N

10. ESTRUCTURA GENERAL DE UN NUCLEOTIDO N C N C N C C N C N O H H H OH OH H CH 2 5' O P  O - O - O 1' 2' 3' 4' 6 2 4 1 5 3 7 8 9 ADENINA FOSFATO ADENOSINA (1  -9) 5’ MONOFOSFATO (AMP) RIBOSA H H H H

11. ESTRUCTURA DEL ADN Forma esquemática de la unión de los fosfatos (P), los azúcares (S)y las bases (B) en el ADN . Deoxirribosa Ribosa S B P S B P P S B

12. DEFINICIONES BASES BASES NITROGENADAS Deoxitimidilato Deoxicitidilato Deoxiguanilato Deoxiadenilato La combinación de un fosfato, una deoxirribosa y una base constituye un deoxinucleótido. Deoxitimina Deoxicitosina Deoxiguanosina Deoxiadenosina La combinación de una deoxirribosa y una base constituye un deoxinucleósido Timina (T) Citosina (C) Guanina (G) Adenina (G) A Acido: Solamente 2 de los tres grupos ácidos del ácido fosfórico son usados para formar la cadena del ADN. El tercero dá el enlace para la cadena-fosforribo, una propiedad acídica. N Nucleico: Estas moléculas se encontraron primero en el núcleo de la célula, antes habían sido encontradas en la mitocondria, los cloroplastos (en las células de las plantas), y en el citoplasma de las procariotes. D Deoxirribo: La pentosa no tiene un oxígeno en la posición 2. Compare una deoxirribosa con una ribosa

13. CORTA EFEMERIDES DE LA ESTRUCTURA DEL GEN En Procariotes: Concepto del Gen: 1857: Carácter hereditario. Recesivo y Dominante. Mendel 1865: Johansen : Gen : DNA 1944: Identificación del Gen con una enzima de la Neurospora crassa: siguiendo las vias metabolicas de la enzima. Codifican para proteínas estructurales. 1953: Watson y Crick: Descubrimiento de la estructura molecular del ADN. 1965: Genes se organizan en cistrones u operones 1966: Holley: ARNt , A RNr , A RNnp , ARNm 1972: Baltimore: Genes ARN (retrovirus) Genes virales GENES CONTINUOS 1977: Philipp y Richards: Genes discontinuos o interrumpidos (Eucariotes) ¿Qué es un Gen? Es un ácido nucleico (ADN y ARN) que codifica para una proteína (enzima o proteína estructural) o un ARN (ARNt; ARNr, ARNnp, ARNm).

14. ESTRUCTURA DEL GEN PROCARIOTE 3 ’ 5’ 3 ’ 5’ UT 3 ’ 5’ 3 ’ 5’ 5’ UTR 3’ UTR Región Promotora ( RP ) Región Terminadora ( RT ) Región Codificante ( RC ) +1 SIT CI (ATG) CT STT  TTS Región no traducida Convenciones: UT: Unidad de transcripción SIT: Sitio de iniciación de la transcripción UTR: Región no traducida ( 5´o 3´) CI: Codón de iniciación CT : Codón de terminación STT : Sitio de terminación de la transcripción TTS: Transcription termina- tion site.

15. ESTRUCTURA DEL PROMOTOR PROCARIOTE 3 ’ 5’ Control positivo CajaCRP CajaCAT Control negativo Caja Prinow +1 SP -65 -35 -10 -2 -1 + 1 CRP CRS Proteína Represora del Catabolito Región O (operadora): Se pega al 7-8 nucleot . Represor (Impide que se abra el ADN, se una la RNA pol y por ende, que se Transcriba el gen) + 1SP: “Punto de arranque” También se llama sitio SIT (Sitio de Inicio de la Transcripción): Sitio en el cual entra el primer nucleotido en el RNAm. Se abre el ojal de transcripción para la transcripción del gen. Caja Prinow: tetranucleótido rico en AT. Región O Secuencia Represora del Catabolito

16. ESTRUCTURA DEL PROMOTOR PROCARIOTE Un gen Procariote yace en una región que se llama la UT (Unidad de Transcripción. La que se transcribe) Tiene 3 regiones Región codificante: Donde se codifica el gen Región Promotora: Sitio a partir del cual se transcribe y se regula el gen Región Terminadora: Sitio a partir del cual se termina la transcripción SIT : +1 Sitio de Inicio de la Transcripción. Punto limitante entre la región codificante y la región promotora (Start point = sp)

17. ESTRUCTURA DE LA REGION UTR 5’UTR 20 - 60 pb CI * * +1 CI (AUG) +1 10 pb RBS 5’ UTR 3’UTR “ Se transcribe pero no se traduce” * Espacios conectores ARNr + proteína Ribosoma Sitio de Unión al Ribosoma Poly - Purinas A - G S/D Secuencia Shine/Dalgarne Se une al 3’ARNr 16s (subunidad menor) RBS: (Del inglés Ribosomal Binding Site)

18. ESTRUCTURA DEL GEN PROCARIOTE CI CT Cuerpo del Gen CI CI CI CT CT CT Región Intercistrónica larga = diferentes ribosomas Región Intercistrónica corta = el mismo Ribosoma > 1 gen: - Policistrónico - Se vuelven operones E. Coli: tiende a tener 3 genes “ En procariotas es Continua” 5’ 3’ RNAm 2 1 3

19. ESTRUCTURA DE LA REGION TERMINAL Región Terminal CT STT 5’ 3’ 3’ UTR SDR: Señal de degradación del RNA m = Ribonucleasa o RNasa Se descompone en sus partes Factor de terminación de la transcripción: STT:  dependiente STT:  independiente AT:  independiente GC:  dependiente Figura hexamérica de proteínas Terminales intrínsecos

20. ESTRUCTURA DEL GEN EUCARIOTE: TRES TIPOS DE GENES Existen 3 clases de genes transcritos por 3 ARN pol diferentes: ARN pol I, II y II ARN pol I: Nucleolo ARNr Clase I ARN pol II Nucleoplasma ARNm ClaseII ARN pol III Nucleoplasma ARNr 5S (excepción) Clase III ARNnp ARNt Genes

21. ESTRUCTURA DEL GEN EUCARIOTE - CLASE II RP RC UT CI CT IRE ARE 5’ UFR UCR UCE 5’ UTR 3’ UTR 3’ DFR DCR DCE SP +1 SI + 10 cap 7 metil guanosina AAUAAA Depende del hierro Para degradadar el RNAm Elemento rico en hierro 50 pb Rico en AU Elemento rico en AU Secuencia consenso Desestabiliza el poly A CI IRE ARE +1 Secuencia Líder: Proteínas que atraviesan la membrana y aa hidrofóbico 3 ’ 5’ Asa 5’ RP

22. ESTRUCTURA DEL PROMOTOR - CLASE II 3 ’ 5’ 5 ’ 3’ sp +1 -65 -35 RP = Región Promotora RR = Región Reguladora Caja TATA Hexapleta rica en AT Se regulan lo genes caseros (“House Keeping genes”) Existen: - Elementos de respuesta a estrógenos, corticoides, glucocorticoide - Dependientes del tejido Se pegan factores inducibles a esta región promotora o fuera de ella. Puede haber otras cajas dependiendo del tipo de gen y también los genes especializados como los morfogenes o como los genes homeóticos (desarrollo) o de diferenciación Caja CAAT Caja TATA Elementos de respuesta Caja GC

23. Exón 1 Intrón Exón 2 GT 5’BD’ AG 3’BA’ GU AG GU AG GU AG T A C T A A C SITIO DE RAMIFICACION BD: brazo dador BA: brazo aceptor Empalmar Exones Regla GU - AG: Secuencia Consenso: al inicio y al fin del intron X: 5 intrones (mamíferos) X: 2 intrones (Otros organismos) Siempre presente Se localiza a 2/3 longitud del intron BS: - Consenso - Rica en pirimidinas (T y C) ESTRUCTURA DE LA REGION CODIFICANTE CLASE II SR: Sitio de ramificación (Branch site)

24. AMPLIFICADORES Y SILENCIADORES (ENHANCERS – SILENCERS) Amplificador Silenciador Amplificador Silencian a los enhancers o amplificadores de expresión Regulación temporal y tejido especifica en los Genes Clase I y Clase II RP SP +1 Amplificador : - Secuencia consenso - Región amplificadora del gen - Ubicua: Puede estar hasta dentro de los intrones excepto en los exones Ejemplo: * : Hígado : Glucogenasa *

25. -110 -40 -10 SP Core del promotor -170 GC -70 pb Región espaciadora entre core promotor y la región UCE (elementos de codificación no traducidos) Se transcriben en tandem En procariotas están organizados los genes para ribosomas de igual manera que los eucariotas con la excepción de que hay 1000 y 2000 copias en tandem del mismo gen 28 S 5.8 S 18 S Ribonucleasas ESTRUCTURA DEL GEN EUCARIOTE - CLASE I +1

26. SP +1 Octámero PSE TATA RP RC UT Box A Box C Se pega la RNA pol III 90 pb  3 ’ 5’ 5 ’ 3’ ARNt ala ARNt met ESTRUCTURA DEL GEN EUCARIOTE - CLASE III

27. PROCESAMIENTO DEL GEN EUCARIOTE - CLASE III ARNt ala ARNr 5S ARNt met Ribonucleasa

28. BIBLIOGRAFIA Lodish, H; Baltimore, D; Zipursky, L.; Matsudara, P.; Darrell, J. Molecular Cell Biology. Third Edition. Scientific American Books New York, 1997. Lewin, Benjamin. Genes VII. International Student Edition. Oxford University. Press, Inc. Nex York, 1999