ELS ÀCIDS NUCLEICS LA NATURALESA DEL MATERIAL HEREDITARI CONSTITUENS QUÍMICS DELS ÀCIDS NUCLEICS. TEMA 3.4- Àcids nucleics

Transcripción

1 TEMA 3.4- Àcids nucleics ELS ÀCIDS NUCLEICS LA NATURALESA DEL MATERIAL HEREDITARI Un organisme no transmet a la generació següent una còpia de si mateix sinó que li subministra el material genètic que conté la informació necessària per a construir un organisme descendent. En què consisteix aquesta informació, com s'utilitza i a què ens referim quan diem material genètic? A finals del segle XIX ja se sabia que la informació hereditària es localitzava al nucli de les cèl lules, concretament als cromosomes, i durant molt de temps es va pensar que era transmesa a través de les proteïnes (recordeu que els cromosomes estan formats per ADN i proteïnes), ja que es va considerar que només aquests compostos tenien prou diversitat com per a contenir tanta informació. Mendel, tot i proposar les lleis de l herència (1865), no coneixia en absolut l existència dels àcids nucleics. I a principis del segle XX se suposava que l evolució de la vida depenia d algun tipus de molècula capaç d autoreplicar-se, però no se sabia quina. Els primers experiments sobre la naturalesa del material hereditari van ésser realitzats per Griffith al El bacteri Streptococcus pneumoniae causa una pneumònia fatal en el ratolí. Aquest científic va aïllar dues soques, una virulenta, recoberta per una càpsula de polisacàrids i que en cultivar-la originava colònies llises (soca S, smooth) i una altra no virulenta, sense càpsula, que originava colònies d'aspecte rugós (soca R, rough). Quan injectava bacteris S a ratolins, aquests morien de pneumònia, però si injectava bacteris R, sobrevivien. Griffith va inactivar bacteris S mitjançant un tractament per calor; aquests bacteris inactivats no causaven pneumònia als ratolins, però si injectava una barreja de bacteris S inactivats (morts) per calor i bacteris R, els ratolins morien malgrat que per separat cap dels dos tipus de bacteris era capaç de causar pneumònia. A més, dels cadàvers dels ratolins, Griffith va recuperar bacteris S vius. Què havia passat? Griffith va concloure que algun principi transformant havia passat dels bacteris S morts als bacteris R i aquest principi els havia donat la capacitat de fabricar la càpsula de polisacàrids que els protegia de manera que no eren eliminats pel sistema immunitari del ratolí i podien, així, causar-li la malaltia. Altres experiments posteriors van demostrar que el principi transformant era l'adn i que si es purificava ADN de bacteris S i s'afegia a un cultiu de bacteris R, aquests adquirien la capacitat de fabricar la càpsula i es transformaven en bacteris S. A més, transmetien aquesta informació a la descendència. Aquests van ser els primers experiments que van indicar que la molècula química portadora de la informació hereditària era l'adn. CONSTITUENS QUÍMICS DELS ÀCIDS NUCLEICS Els àcids nucleics són compostos que emmagatzemen i transmeten la informació genètica. Químicament són polímers formats per la unió de nucleòtids mitjançant enllaços covalents (del tipus fosfodièster) i 1

2 existeixen dos formes bàsiques: l'adn (àcid desoxirribonucleic) i l'arn (àcid ribonucleic). Per hidròlisi completa d'aquests compostos obtenim bases nitrogenades, pentoses i àcid fosfòric; per hidròlisi parcial, nucleòsids (formats per la unió d'una base nitrogenada i una pentosa) i nucleòtids (formats per la unió d'un nucleòsid i una molècula d'àcid fosfòric). Bases nitrogenades Els àcids nucleics contenen dos tipus de bases nitrogenades: Bases pirimidíniques: Són la citosina (C, que es troba tant a l'adn com a l'arn), la timina (T, que es troba només a l'adn) i l'uracil (U, només de l ARN) Bases púriques: Són l'adenina (A) i la guanina (G) i ambdues es troben tant a l'adn com a l ARN. Pentoses Trobem la ribosa a l'arn i la desoxiribosa a l'adn, ambdues en forma cíclica. La diferència entre les dues molècules és que la ribosa conté un grup -OH en posició 2' mentre que a la mateixa posició la desoxiribosa conté un H. Àcid fosfòric H3PO4 Els nucleòsids Estan formats per la unió d'una pentosa i una base nitrogenada. Si la pentosa és la ribosa s'anomenen ribonucleòtids Si és la desoxiribosa, desoxiribonucleòtids. Els nucleòtids Es formen per la unió d'un nucleòsid i una molècula d'àcid fosfòric. Existeixen nucleòtids units a més d'un grup fosfat, essent els més importants l ADP (adenosina-difosfat) i l ATP (adenosinatrifosfat). Són fonamentals en el transport de l energia en el metabolisme.

3 TEMA 3.4- Àcids nucleics ESTRUCTURA BÀSICA DELS ÀCIDS NUCLEICS Els àcids nucleics són polímers de nucleòtids units uns als altres mitjançant el grup fosfat, formant una cadena en la qual alternen pentoses i fosfats i del la qual sobresurten les bases nitrogenades, unides a les pentoses. Esquemàticament la cadena seria doble per a l ADN i simple per a l ARN: L'esquelet pentosa-fosfat es manté unit per enllaços covalents. Tant l'adn como l'arn poden estar formats, de vegades, per una única cadena (monocatenaris) o per dues cadenes enfrontades entre sí (bicatenaris) que es mantenen unides per la formació de ponts d'hidrogen entre les bases nitrogenades. A l'adn, la pentosa és la desoxiribosa i les bases nitrogenades són A, G, C, i T. ESTRUCTURA DE L ADN A l'arn la pentosa és la ribosa i les bases nitrogenades són A, G, C, i U. Quan es va saber que la informació hereditària estava continguda a l'adn i que l'adn de diferents organismes contenia diferents quantitats de bases nitrogenades, es va elaborar la idea que la informació genètica podia estar continguda a la seqüència de les bases de les molècules d'adn, és a dir, en l'ordre en el qual aquestes bases apareixien a la molècula. Per a corroborar aquesta idea era necessari: 1. Determinar l'estructura de l ADN. 2. Explicar com la informació continguda a la seqüència de les bases podia dirigir la vida de les cèl lules. Els treballs sobre la composició d'adn realitzats per Chargaff als anys 50 del segle XX van permetre establir les següents conclusions: La proporció de les diferents bases és diferent entre espècies biològiques, però molt similar entre individus de la mateixa espècie. La quantitat d'adenina és igual a la de timina, i la de guanina igual a la de citosina. A=T, G=C Aquesta seria l estructura primària: la seqüència de nucleòtids vists de forma plana. L estructura secundària (imatge) seria com es disposa en l espai la primària, és a dir, en tres dimensions. Les dades que Rosalind Franklin va obtenir mitjançant mètodes de difracció de raigs X per tal de determinar l'estructura secundària d'aquesta molècula van ser determinants i van mostrar les següents propietats: L'estructura ha de ser helicoïdal. El diàmetre ha de ser constant i d'uns 2 nm. Ha de tenir dues estructures repetitives, una cada 0,34 nm i una altra cada 3,4 nm. 3

4 Amb totes aquestes dades, i utilitzant models moleculars a escala, Watson i Crick van proposar al 1953 un model estructural de l'adn en el qual dues cadenes de nucleòtids se situen una davant l'altra i es mantenen associades mitjançant ponts d'hidrogen entre les bases nitrogenades. Hi ha controvèrsia sobre el paper poc reconegut de Rosalind Franklin en el descobriment de l'estructura tridimensional de l ADN. Segons aquest model: La molècula d'adn consisteix en una hèlix doble, ja que està formada per dues cadenes de nucleòtids enrotllades al llarg d'un eix comú. Aquesta doble hèlix és dextrogira (gira cap a la dreta) i dóna un gir complet cada 3,4 nm. Les dues cadenes es disposen en sentits oposats, una cap amunt i l altra cap avall. Les dues cadenes són, per tant, antiparal leles. Les bases nitrogenades són a l'interior de la doble hèlix, mentre que els esquelets pentosa-fosfat de les dues cadenes es troben a la part exterior. La distància entre cada parell de bases és de 0,34 nm i com que la doble hèlix fa una volta completa cada 3,4 nm, conté 10 parells de bases per volta. Les dues cadenes queden unides per ponts d'hidrogen formats entre la base nitrogenada d'una cadena i la de l'altra cadena amb la qual queda enfrontada. Els aparellaments sempre són entre A-T i G- C. Això possibilita que es mantinga constant el diàmetre de la doble hèlix. L'aparellament A-T i G-C explica també el principi d'equivalència establert per Chargaff. Aquest model mostrava ja la possibilitat que l'adn puguera complir les següents funcions: o Contenir la informació genètica codificada a la seqüència de bases. Malgrat que l'adn estiga format només per quatre tipus de bases, el número de seqüències possibles i, per tant, la diversitat de la informació emmagatzemada, és enorme. o Reproduir-se exactament per a originar dues molècules filles idèntiques a la molècula original. Això és absolutament necessari per tal que la informació genètica puga ser transmesa fidelment i es pot aconseguir gràcies al fet que l'aparellament entre les bases sempre és A-T i G-C. D'aquesta manera, si les dues cadenes se separen, cadascuna pot servir de motlle per a la síntesi d'una nova cadena complementària idèntica a aquella de la qual s'ha separat. o Un canvi en la seqüència (mutació) pot modificar la informació i aquest canvi pot ser transmès a la descendència. Les dues cadenes que formen la doble hèlix poden ser separades per diferents mètodes, entre ells la calor. El procés de separació de les dues cadenes s'anomena desnaturalització de l'adn. Si una dissolució de ADN es calfa prou ambdós cadenes se separen, es trenquen els enllaços d hidrogen que uneixen les bases, i el ADN es desnaturalitza. La desnaturalització es produeix també variant el ph o a concentracions salines elevades. Si es restableixen les condicions, el ADN es renaturalitza i ambdós cadenes s uneixen de nou Estructura terciària (a les cèl lules eucariotes) Les grans molècules d ADN de les cèl lules eucariotes estan molt empaquetades ocupant així menys espai en el nucli cel lular i, a més, com a mecanisme per a preservar la seua transcripció. A les cèl lules eucariotes l ADN es troba en el nucli associat a certes proteïnes formant nucleoproteïnes, i formant la cromatina. En la cromatina, la doble hèlix d ADN s enrotlla al voltant d'unes molècules proteiques globulars, les histones, formant els nucleosomes. El conjunt forma una estructura arrosariada anomenada collar de perles. Ara bé, els nucleosomes poden empaquetar-se formant fibres. NIVELLS SUPERIORS D'EMPAQUETATGE Els següents nivells d'empaquetatge no estan encara aclarits del tot però, pareix, que cada fibra es tornaria a enrotllar formant un bucle (cada bucle tindria 50 milions de parells de bases), sis bucles s'empaquetarien associant-se a un " esquelet nuclear" produint-se un rosetó, 30 rosetons formarien una espiral i 20 espirals formarien una cromàtide.

5 TEMA 3.4- Àcids nucleics Tot això produiria un gran acurtament de les llargues cadenes d ADN. En els espermatozoides l ADN es troba encara molt més empaquetat, i es diu que té " estructura cristal lina". Els ADN dels bacteris, virus, mitocòndries i plasts no presenten estructures tan complexes i no estan associats a histones, encara que sí que estan associats a altres proteïnes. ESTRUCTURA DELS DIFERENTS TIPUS d ARN L'ARN (àcid ribonucleic) és un polímer format per la unió de ribonucleòtids d'a, G, C i U mitjançant enllaços fosfodièster. L'ARN es troba a totes les cèl lules eucariotes i procariotes així com als virus d'arn (els virus mai tenen ARN i ADN alhora), tant mono- com bicatenari. La major part dels ARN són monocatenaris, és a dir, a diferència de l'adn la molècula està formada per una sola cadena lineal de ribonucleòtids. Això no obstant, poden tenir zones amb estructura de doble hèlix per aparellament de bases complementàries de la mateixa cadena. Els aparellaments en aquest cas són A-U i G-C, tot i que poden produir-se també aparellaments anòmals com G-U. Tan sols un tipus de virus, els reovirus, posseeixen ARN bicatenari, amb dues cadenes aparellades i estructurades en una doble hèlix. A les cèl lules, l'arn copia la informació continguda a la seqüència de bases de l'adn i aquesta informació és traduïda posteriorment a una seqüència de aminoàcids d'una proteïna. Al llarg de tot aquest procés participen diferents tipus d'arn: ARN missatger (ARNm). Se sintetitza enzimàticament al nucli de les cèl lules eucariotes o a la regió nuclear de les procariotes i la seva seqüència de bases és complementària a la d'un fragment d'una de les cadenes de ADN, amb la particularitat que allà on l'adn tingui una A, l'arn copiat tindrà un U en comptes d'una T. Un cop sintetitzat, a les cèl lules eucariotes, surt al citoplasma on s'associa als ribosomes i actua com a matriu sobre la qual s'aniran col locant, en l'ordre dictat per la seqüència de bases, els aminoàcids que formaran la cadena polipeptídica. 5

6 ARN de transferència (ARNt). Són molècules que contenen entre 70 i 90 nucleòtids. Està format per una única cadena que presenta estructura secundària gràcies a l'aparellament entre bases complementàries en diferents zones de la molècula. La seva funció és captar aminoàcids i transportar-los als ribosomes, col locant-los en el lloc indicat per la seqüència de l'arnm. Les quatre zones de doble hèlix delimiten tres bucles un dels quals conté un triplet específic de bases, l'anticodó, que és complementari d'un triplet de bases de l'arnm al qual s'unirà, el codó. Un ARNt amb un anticodó específic s'uneix sempre al mateix aminoàcid i no a un altre, la qual cosa resulta essencial per a poder traduir la informació transportada des de l'adn per l'arnm. ARN ribosòmic (ARNr). És el més abundant a les cèl lules. Es troba formant part dels ribosomes REPLICACIÓ DE L ADN Un dels requisits essencials del material genètic és que ha de reproduir-se (fer còpies) exactament. Quan Watson i Crick publicaren el model estructural de l'adn van dir: "L'aparellament específic que hem postulat suggereix directament un possible mecanisme de còpia per al material genètic". En efecte, cada una de les cadenes de la doble hèlix podria actuar com un "motlle" per a dirigir la síntesi d'una nova cadena complementària. Aquest procés de còpia és la replicació de l'adn. Meselson i Stahl demostraren al 1958 que la replicació de l'adn és semiconservativa, és a dir, que les dues molècules d'adn que passen a la generació següent tenen cadascuna una cadena vella i una de nova. Ara bé, com es copia l'adn per a formar dues noves cadenes idèntiques a la cadena original? L'ADN és replicat per enzims anomenats ADN polimerases. Aquests enzims catalitzen la síntesi d'una cadena complementària utilitzant una cadena senzilla d'adn com a motlle

7 TEMA 3.4- Àcids nucleics Vols veure el procés en marxa? Vés a EL CODI GENÈTIC Les cèl lules són capaces de mantenir la seva organització i les seves funcions gràcies a la informació genètica, que està continguda a la seqüència de nucleòtids del seu ADN. Ara bé, com pot aquesta informació dirigir els processos de la cèl lula? A mitjans dels anys 50 ja se sabia que l'adn no era més que informació, un conjunt de plans, però que són les proteïnes les encarregades de dur a terme les reaccions químiques que mantenen la vida. Així doncs, es va suposar que la funció de l'adn era dirigir la síntesi de proteïnes. Si era així, com ho feia? Més o menys en la mateixa època en què s'estava estudiant l'estructura de l'adn s'investigava també l'estructura de les proteïnes. A començament dels anys 50 es va veure que la insulina estava formada per una cadena lineal d'aminoàcids que tenien un ordre definit. Aquesta va ser una dada clau: si la insulina tenia una seqüència definida, genèticament determinada, el més probable és que la resta de proteïnes també tinguessin una seqüència fixa, diferent per a cada proteïna. A més, les propietats de cada proteïna dependrien de la seva seqüència d'aminoàcids. A partir d'aquí es va arribar a una idea fonamental: L'ADN havia d'especificar, d'alguna manera, la seqüència d'aminoàcids de les proteïnes. Primer es va pensar que els diferents aminoàcids encaixarien d'alguna manera al llarg de la doble hèlix d'adn en llocs específics determinats per la seqüència de nucleòtids, però aviat es va veure que això no podia ser així (entre altres coses perquè l'adn es troba al nucli i les proteïnes se sintetitzen al citoplasma) i que necessàriament havia d'haver: 1. Algun tipus d'intermediari entre l'adn i les proteïnes. 2. Algun codi que traduís el missatge de l'adn en forma de seqüència d'aminoàcids a la proteïna Aviat es va saber que l'intermediari era l'arn i que el codi havia de tenir tres lletres com a mínim (si fos de dues lletres -o nucleòtids- només hi hauria 4 2 =16 possibles combinacions, insuficients per a codificar els 20 aminoàcids que formen les proteïnes; amb tres nucleòtids hi ha 4 3 =64 combinacions. 7

8 Un cop es va conèixer el codi genètic es va veure que tenia les següents característiques: La informació es llegeix en grups de tres nucleòtids, anomenats triplets. Com que hi ha 64 triplets i 20 aminoàcids és possible que hi hagi aminoàcids codificats per més d'un triplet. Per això diem que el codi és degenerat. El codi és seqüencial i no encavalcat: els nucleòtids es llegeixen un rere l'altre en grups de tres i cada triplet segueix l'anterior sense encavalcar-se amb ell. El codi té triplets sense sentit que no codifiquen aminoàcids, sinó que són senyals d'aturada. El codi no és ambigu: un triplet codifica un sol aminoàcid i mai més d'un (tot i que un aminoàcid pugui ésser codificat per més d'un triplet). El codi és universal, vàlid per a tots els éssers vius. Posteriorment es va trobar alguna excepció en el cas de l'adn mitocondrial, on el triplet UAG codifica Trp (triptòfan) en comptes de ser un triplet d'aturada o AUA codifica Met (metionina) en comptes d'ile (isoleucina). TRADUCCIÓ DE L ADN Veurem ara com s aconsegueix traduir el missatge codificat de l ADN a cadena d aminoàcids (proteïna). El primer que cal pensar és que l ADN és el mateix per a totes les cèl lules del cos, i se situa dins del nucli. És com un llibre molt valuós que tenim a la biblioteca i no podem deixar treure, sols podem deixar que es facen còpies. 1. Així, el primer pas és fer una còpia d una de les cadenes de l ADN. Aquest s obre i es deixa copiar un fragment de manera complementària, i substituint la timina per l uracil. 2. Ja tenim la còpia, que es diu ARN missatger, i que ix del nucli cap al citoplasma.

9 TEMA 3.4- Àcids nucleics 3. Allí s acobla als ribosomes (ARN ribosòmic), que fan de suport. 4. Van apareixent els ARN transferents, cadascú d ells amb el seu aminoàcid corresponent (segons el codó serà l anticodó i, per tant, l aminoàcid). 5. Sobre cada codó se situa l anticodó, i el següent ARNt fa el mateix. Ela aminoàcids van unint-se ordenadament, segons les ordres de l ARNm. 6. Al final tenim la proteïna perfectament ordenada, que s emmagatzema al reticle endoplasmàtic. Més informació en moviment: 9

10