TEMA 15 ELS GENS I LA SEUA FUNCIÓ. IES Enric Valor Nieves Martinez Danta 1

Transcripción

1 TEMA 15 ELS GENS I LA SEUA FUNCIÓ IES Enric Valor Nieves Martinez Danta 1

2 1-La replicació semiconservativa de l ADN 2- El mecanisme de la replicació 3- L expressió del missatge genètic 4- El mecanisme de la transcripció 5- El mecanisme de la traducció 6- Regulació de l expressió del missatge genètic 7- Els gens i els caràcters de l organisme IES Enric Valor Nieves Martinez Danta 2

3 1- Replicació semiconservativa de l ADN Gen: fragment d ADN que contè informació l expresió de la qual determina algún aspecte del funcionament de l organisme. La transmissió del misatge genètic s aconsegueix amb la replicació de l ADN. Segons Watson i Crick: Les dos cadenes de l ADN es separen i front a cadascuna d elles es coloquen els nucleòtids complementaris formant-se posteriorment enllaços fosfodièster, per lo que s originaran dues molècules iguals a la progenitora. IES Enric Valor Nieves Martinez Danta 3

4 Cada molècula filla portarà un brin de la molècula mare i altra de nova formació. Els experiments de Meselson i Stahl demostren la hipòtesi semiconservativa. IES Enric Valor Nieves Martinez Danta 4

5 2- Mecanisme de la replicació Mode d acció de les ADN polimerases Les ADN polimerases catalitzen la formació dels enllaços èster entre nucleòtids consecutius. Afegeixen seqüencialment a l extrem 3 d una cadena els nucleòtids complementaris als de la cadena motle. Com a sustrat empren els nucleòtids trifosfat i l energia l aporta l alliberament del pirofosfat. En E. coli les més conegudes són la Pol I i la Pol III. Requereixen l existència d un encebador (fragment de cadena preexistent) al que afegeixen els nous nucleòtids. Tenen un centre actiu per a la seua activitat polimerasa i altre per a trencar enllaços fosfodièster. La Pol III és l enzim que s encarrega de la replicació in vivo. Aquest enzim actua associat a altres enzims: b) Girases desenrotllen l ADN. c) Helicases separen els dos brins. d) Proteïnes SSB estabilitzen l ADN monocatenari. e) Primasa sintetitza l ARN encebador. f) Ligasa solda fragments adjacents formant un enllaç èster. IES Enric Valor Nieves Martinez Danta 5

6 Mecanisme de replicació en procariotes La replicació és bidireccional. Comença en un punt que s anomena origen de replicació. Es copien els dos brins alhora, per lo tant es necessiten dos complexos enzimàtics que avancen en les dos direccions, i cadascun d aquestos complexos copia alhora les dues cadenes de l ADN. IES Enric Valor Nieves Martinez Danta 6

7 Problemes que es plantejen en la replicació: 1.- El desmuntatge de la doble hèlix de l ADN i separació dels dos brins. Un grup de enzims s encarrega de descargolar l hèlix i de separar les bases nitrogenades aparellades i un grup de proteïnes estabilitzen les cadenes senzilles d ADN. 2.- Les ADN-polimerases requereixen la preexistència d una cadena a la qual afegeixen nucleòtids per l extrem 3. Un enzim (la primasa) sintetitza una curta cadena d ARN que serveix d encebador de la replicació. 3.- Les polimerases construeixen l ADN en sentit 5 a 3. Com poden replicarse els dos brins en els dos sentits Els fragments d Okazaki varen donar la pista per a resoldre aquest problema IES Enric Valor Nieves Martinez Danta 7

8 La doble hèlix inicial es va replicant en els dos sentits formant-se les anomenades forquetes de replicació En cada froqueta un bri es replica continuament (bri conductor), la primasa actua solament una volta i l altre es replica de forma discontinua (bri alentit), la primasa sintetitza una xicoteta cadena de ARN i pol III afegix desoxirribonucleótids a l extrem 3 fins a completar un fragment d Okazaki; per avançar en sentit 5-3, la cadena motle del bri alentit forma un bucle. A continuación la pol i hidrolitza el RNA cebador i afegeix a l extrem 3 del DNA que esta sintetitzando-se els desoxirribonucleòtids que substitueixen al fragment de RNA. Finalment una DNA lligasa forma l enllaç fosfodiester que uneix els fragments del bri alentit. En cada forqueta intervenen les següents enzims i proteïnes: 1.- Girasa 5.- Pol III 2.- Helicasas 6.- Pol I 3.- Proteïnes SSB 7.- Ligasa 4.- Primasa IES Enric Valor Nieves Martinez Danta 8

9 La replicació en eucariotes El procés es similar al de procariota, amb les següents diferències: 1.- Hi ha que desmuntar l estructura de la cromatina. 2.- Duplicar el nombre d histones. 3.- L ADN eucariòtic és de major longitut i la seua replicació més complexa, els cromosomes eucariòtics compten amb nombrosos punts inicials de replicació. 4.- Les ADN polimerases són més complexes 5.- El tamany dels fragments d Okazaki és menor que en procariotes IES Enric Valor Nieves Martinez Danta 9

10 Reparació de l ADN La fidelitat de la replicació és essencial per a la supervivència de l espècie. Les polimerases actuen amb molt pocs errors. Per a corregir els posibles errors que ocurreixen en la replicació existeixen sistemes de reparació sofisticats. Una endonucleasa específica reconeix l error en la cadena nova i escindeix l enllaç fosfodièster. L ADN polimerasa I elimina el nucleòtid incorrecte i s hi afegeix el correct. Finalment l ADN ligasa tanca l osca. També es reconeixen i reparen els errors provocats per radiacions o espontàniament. IES Enric Valor Nieves Martinez Danta 10

11 3-Expresió del misatge genètic L expresió del missatge genètic està relacionada amb el funcionament de l organisme. El funcionamient de l organism ve regit per dos tipus de macromolècules: ARN i proteïnes. L ARN intervé en la sintesi de proteïnes i les proteïnes realitzen moltes funcions als organismes. Un gen és un fragment d ADN que determina la síntesis d una molècula d ARN o de una proteïna (sentit més restringit). IES Enric Valor Nieves Martinez Danta 11

12 Els gens estructurals produeixen proteïnes la acció de les quals es manifesta en la producció de caràcters de l organisme. Els gens reguladors poden ser de dos tipus: Poden produïr RNA que no es tradueix en proteïnes. Poden produïr proteïnes reguladores que no intervenen directament en la producció de un caràcter de l organisme. IES Enric Valor Nieves Martinez Danta 12

13 3- El mecanisme de la transcripció La transcripció en procariota L enzim responsable de la transcripció és l RNA polimerasa. És un enzim procesiu que s uneix a una regió del ADN(promotor) que es troba abans de l inici del gen que ha de transcriure i el va recorrent afegint els ribonucleòtids complementaris formant així una cadena d ARN Per a aquesta unió és imprescindible la subunitat sigma, que forma part de l ARN pol. Una vegada començada la transcripció la subunitat a s allibera i l ARN pol. va recorrent el bri motle en sentit 3-5 i va afegint ribonucleòtids complementaris del bri motle del DNA, formant així la cadena d ARN en sentit 5-3. Quan l ARN pol es troba una seqüència de terminació l ARN pol. s allibera de l ADN i de l ARN format. IES Enric Valor Nieves Martinez Danta 13

14 Transcripció en eucariota a) Existeixen 3 tipus d ARN polimerases: I (rrna), II (proteïnes), III(tRNA i RNA 5S) b) En cada cas la iniciació, els promotors i els complexos de iniciació són diferents. c) En procariota és molt freqüent els marn policistrònics (porten informació per a la síntesi de varies proteïnes). En eucariota cada mrna porte informació per a una sola proteïna. d) Durant la transcripció hi ha que procedir al desmuntatge dels nucleosomes. e) L ARNm transcrit inicialment ha de processar-se fins arribar a marn madur. Principal canvis que tenen lloc en la maduració: 1- Eliminació dels introns. 2- Adició d una caputxa en l extrem 5 que lo protegeix i serveix de senyal de reconeixement. 3-En molts casos s afegeix una cua d àcid poliadenílic en l extrem 3. IES Enric Valor Nieves Martinez Danta 14

15 IES Enric Valor Nieves Martinez Danta 15

16 Diferencies entre transcripció i replicació 1.- La transcripció és selectiva, només es transcriuen algunes regions de l ADN (els gens). 2.- En la transcripción, solament es copia un sol bri de l ADN. Hi ha gens que es troben en un bri i altres en l altre bri. 3.- La transcripció es reiterativa, es a dir, un gen pot transcriure s moltes vegades. La replicació ocurreix solament una vegada abans de la divisió cel.lular. IES Enric Valor Nieves Martinez Danta 16

17 5- La traducció Consisteix en la síntesi de proteïnes d acord amb les instruccions contingudes en l ARNm. En aquest procés intervenen: els ribosomes, l ARNm, l RNAt, els aminoàcids i diversos enzims. Es consumeix energia. El còdig genètic és la relació entre la seqüència de bases en l ARNm i la seqüència d aminoàcids de la proteïna (Tabla I) IES Enric Valor Nieves Martinez Danta 17

18 Formació de l aminoacil-trna Avans de la traducció els aminoàcids s uneixen al corresponent trna. Aquest procès té lloc en dos fases i és catalitzat per els enzims aminoacil-trna sintetases. 1ª Fase: Activació de l aminoàcid. aa + ATP aa AMP + PPi 2ª Fase: Transferència de l aminoàcid activat. L especificitat dels aminoàcid trna ligases és molt estricta, cada aminoàcid es pot unir solament amb un tipus de trna en funció del seu anticodó, o en cas contrari es produirien errors importants en la traducció. La traducció ocurreix en els ribosomes, les subunitats dels quals es trobaben separades avans del procés. La traducció té lloc en tres fases: fase d iniciació, elongació i terminació IES Enric Valor Nieves Martinez Danta 18

19 a) Fase d iniciació Un trna portador de metionina s uneix a la subunitat menor. L ARNm es fixa a la subunitat menor d un ribosoma. La subunitat menor recorreix l ARNm fins el primer codó AUG on s ensambla el primer ARNt portador de metionina (en cèl. procariòticas formilmetionina) Després d un procés complex en el qual participen els factors d iniciació s uneix la subunitat major que poseeix tres locus E, A i P per a l allotjament dels aminoàcids. El primer RNAt queda allotjat al lloc P. IES Enric Valor Nieves Martinez Danta 19

20 b) Fase de elongació El trna que porta Met es troba al lloc P. Al locus A s uneix el següent aa-trna. La metionina s uneix a l aminoàcid que transporta aquest ultim trna mitjantçant la peptidiltransferasa (ribozim de la sub. major del ribosoma). La cadena polipeptídica queda unida al trna sobre el lloc A. Els factors de elongació ajuden a que el ribosoma vaja desplaçán-se sobre el mrna (primer la subunitat major i després la subunitat menor). El peptidil trna passa a situar-se sobre el lloc P. El lloc A queda lliure per a que entre el próxim aa-trna. El primer trna queda allotjat en el lloc E, listo per a la seua expulsió. Aquest procés es repeteix cada volta que s incorpora un nou Aminoàcid a la cadena. El ribosoma recorreix el mrna en sentit 5 a 3. El desplaçament del ribosoma consumeix energía aportada per el GTP. IES Enric Valor Nieves Martinez Danta 20

21 c) Fase de terminación. Quan el ribosoma arriba a un codó de terminació s uneix a unes proteïnes, factors de terminació, que provoquen el desprendiment de la cadena polipeptídica completa. El mrna es separa de la subunitat menor i aquesta de la major, que queden disponibles per a iniciar un nou cicle de traducció. IES Enric Valor Nieves Martinez Danta 21

22 Polisoma Un RNAm recorregut simultàniament per diversos ribosomes IES Enric Valor Nieves Martinez Danta 22

23 Processament de les proteïnes El primer aminoàcid que s incorpora és la Met. Totes les proteïnes no comencen per aquest aminoàcid. La cadena polipeptídica pateix un procés de maduració en el qual es solen perdre alguns aminoàcids de l extrem N-terminal. En eucariota la maduració és més complexa. Les proteïnes destinades a altres orgànuls o que s aboquen fora de la cèl.lula, es sintetitzen en ribosomes units a les membranes del RER i la seua maduració és paral.lela a la translocació. IES Enric Valor Nieves Martinez Danta 23

24 6- Regulació de l expresió del missatge genètic Mecanisme de regulació de la trascripció en procariotas segons la teoria de l operó basada en la síntesi de triptòfan per el bacteri Escherichia coli IES Enric Valor Nieves Martinez Danta 24

25 Totes les cèl.lules de l organisme porten el mateix misatge genètic, però no totes produeixen les mateixes substàncies. Hi ha uns mecanismos de regulació que determinen en quins moments i en quines cél.lules de l organismo han de desenvolupar la seua funció uns gens o altres. És molt pràctic per a la cél.lula realizar la regulació per a la sintesi d una proteína a nivel de la transcripció, de forma que si es produeix l ARNm que es tradueix en una proteína es produeix eixa proteína i si deixa de produir-se l ARNm que es tradueix en una determinada proteína no es sintetitzarà eixa proteína. Els mecanismos de regulaciío dels gens són molt complicats. Nosaltres anem a estudiar el mecanisme de regulació de la transcripció en procariota segons Jacob y Monod. Els postularen la teoría de l operó. IES Enric Valor Nieves Martinez Danta 25

26 Regulació de la transcripció en procariota segons la teoria del operó La biosintesi de Triptòfan té lloc mitjantçant cinc reaccions enzimàtiques Aquestos enzims són codificades per cinc gens que s agrupen consecutivament en l ADN bacterià. Aquesta agrupació és a lo que s anomena operó. L operador és una seqüència d ADN previa a l ADN que es trascriu en ARNm on pot unir-se una proteïna repressora que impedeix la unió de l ARN pol., per lo que impideix la transcripció dels gens estructurals. El gen regulador, que no forma part de l operó, codifica la sintesi de la proteïna repressora que es sintetitza en forma inactiva i s activa quan s uneix l aminoàcid Triptófan. D aquesta forma un excés de Triptófan inibeix la seua sintesi i la seua absència activa la seua sintesi. IES Enric Valor Nieves Martinez Danta 26

27 De la teoría de l operó deduim el següent: 1.- Hi ha gens, com els reguladors, l expresió dels quals no influeix directament en els caràcters de l organism sinó que regulen el funcionament d altres gens 2.- Hi ha regions de l ADN, com l operador, que no porten informació per a la síntesi d ARN o proteïnes sinó que regulen el funcionament d altres gens 3.- Hi ha proteïnes, com les repressores, que s uneixen a determinades regions de l ADN regulant el funcionament dels gens. Fora d aquestos principis elementals, els mecanismes de regulació de l expresió genètica són molt variats i en molt casos molt complexos. IES Enric Valor Nieves Martinez Danta 27

28 7-Els gens i els caràcters de l organisme Els gens determinen la síntesi d ARN o proteïnes o regulen el funcionamient d altres. Segons la genètica tradicional un gen determina un caràcter de l organisme. Com determinen els gens els caràcters a l organisme? Beadle, Tatum y Horowitz van postular el principi un gen - un enzim. Els caràcters d un organisme són resultat de reaccions químiques i aquestas ocurreixen per l acció dels enzims que són proteïnes i estan codificades per gens. Així el principi abans exposat pot ampliar-se a un gen- un enzim- una reacció- un caràcter. Un exemple del que hem expossat anteriorment: La coloració de la pell es deu a la presència del pigment melanina. En la formació de la melanina intervenen molts enzims entre els quals es troba la dopaoxidasa, la absència de la qual produeix absència de melanina i per tant de coloració en la pell, cabell i en l iris (albinisme).. IES Enric Valor Nieves Martinez Danta 28

29 Els experiments de Beadle i Tatum en Neurospora crassa demostren la relació entre els caràcters biològics i les reaccions enzimàtiques. La forma silvestre del moho pot produir els seus aminoàcids a partir de sucre i sals minerals; però existeixen mutants que presenten algun gen inactivat per lo que careixen dels enzims necessaris per a la producció dels aminoàcids. Sustancias del medio mínimo ornitina citrulina arginina Enzima a b c Genes IES Enric Valor Nieves Martinez Danta 29

30 El proteoma i la proteòmica El proteoma: Conjunt de proteïnes d un organisme. La proteòmica: Ciència que estudia el proteoma dels organismes. Hi ha moltes més proteïnes que gens, degut a: Els splicing alternatius: eliminació de fragments de mrna segons les condicions de la cèl.ula, donant lloc a diferents proteïnes. Els canvis postraducionals: el procesament dels polipèptids pot ser diferent segons les condicions cel.lulars. Els gens polimòrfics: els diferents individus d una espècie presenten gens que codifiquen proteïnes amb diferent seqüència d aminoàcids però amb la mateixa funció. IES Enric Valor Nieves Martinez Danta 30