Tema 14. El DNA, portador del missatge genètic

Tema 14. El DNA, portador del missatge genètic

1. El DNA com a material genètic Perquè una molècula sigui portadora de la informació genètica ha de complir quatre condicions: capacitat d'emmagatzematge i conservació, capacitat d'expressió, capacitat de transmissió i capacitat de variació. Dels resultat de Mendel es va deduir que els gens eren elements discrets que dirigien l'aparició de trets específics. Així, una vegada acceptat que els gens es trobaven sobre els cromosomes, va sorgir la necessitat de saber de què estaven formats. Al principi, es pensava que estaven formats exclusivament per proteïnes, però avui en dia ja saben que si s'analitzen, es veu que estan formats per proteïnes i ADN. No va ser fins al 1944, amb els experiments d'avery, McLeod i McCarhty, que va quedar demostrat que els gens són fragments d'adn sense proteïna associada. Hershey i Chase van confirmar-ho amb nous experiments l any 1952.

2. La duplicació del DNA. La duplicació o replicació de l'adn consisteix en la separació de les dues cadenes i la síntesi d'unes altres dues de noves amb una seqüència de bases complementàries de les anteriors. Primeres hipòtesis Cada vegada que una cèl lula s'ha de dividir, ha de duplicar el seu material hereditari. La gran majoria de cèl lules contenen ADN com a material genètic, i excepcionalment, alguns virus contenen la seva informació genètica en molècules d'arn. L'estructura de doble hèlix de l'adn fa que sigui idònia per poder donar lloc a còpies. L'estudi del procés mitjançant el qual es produïa aquesta replicació va donar lloc a 3 hipòtesi: Hipòtesis conservativa: a partir d'una cadena d'adn es realitza una còpia sencera, totalment nova, de manera que al final s'obtenen dues molècules d'adn: la antiga i una altra de nova. Hipòtesi semiconservativa, cada filament de la molècula serveix com a còpia per fabricar-ne un altra de nova de manera que al final s'obtenen dues cadenes idèntiques entre si, amb un filament antic i l'altre de nou. (Watson i Crick) Hipòtesi dispersiva, cada filament es fragmenta i s'obtenen al final dues molècules d'adn amb fragments nous i fragments antics

La hipòtesi semiconservativa va ser proposada per Watson i Crick i va quedar demostrada com a certa per Meselson i Stahl l'any 1957.

3. Síntesi d ADN in vitro i in vivo Un cop demostrat el mecanisme de replicació de l'adn, ja només calia observar-lo i conèixer com té lloc exactament. Va aïllar-se així un enzim (1957), l'adn polimerasa (ADN-pol) encarregat de la síntesi de l'arn in vitro. Síntesi d'adn in vitro L'ADN polimerasa és un enzim localitzat al nucli d'eucariotes i al citoplasma de procariotes capaç de duplicar l'adn. Pel seu funcionament el que necessita és la presència de ions Mg 2+, nucleòtids i l'adn patró, on es fixarà l'adn pol a l'encebador per sintetitzar la cadena en direcció 5' 3', afegint nous nucleòtids.

3. Síntesi d ADN in vitro i in vivo Síntesi d'adn in vivo La major part del coneixement sobre la replicació d'adn prové d'estudis in vitro que utilitzen la maquinària de replicació aïllada de bacteris. De fet, el primer en estudiar la síntesi d'adn in vivo va ser Cairns al 1963, mentre treballava amb Escherichia coli. Aquest experiment va confirmar la hipòtesi semiconservativa, a més, es va comprovar que la duplicació de l'adn era bidireccional. Això va plantejar un problema ja que l'adn polimerasa sintetitza només en direcció 5 3' de manera que era impossible d'explicar com es sintetitzava la cadena 3' 5'. La resposta la va aportar uns anys més tard Okazaki, el qual va observar la presència d'uns fragments d'arn de 50 nt, ARN encebadors o primers, complementaris a la cadena motlle d'adn, que proporcionen l'extrem 3' com a punt de partida a l'adn polimerasa. Els segments encebadors són sintetitzats per un enzim anomenat primasa amb activitat ARN polimerasa. Seguidament l'adn polimerasa ja pot sintetitzar la cadena d'adn complementària: uns 1000-2000 nt d'adn a procariotes (E. coli) i 100-200 nt a eucariotes.

4. El mecanisme de duplicació de l ADN En la replicació de l'adn es diferencien tres fases: iniciació, elongació i terminació: Iniciació La replicació s'inicia amb la separació de de les dues cadenes de la molècula d'adn i el desenrotllament posterior, perquè cada una de les cadenes serveixi de motlle a les noves cadenes que se sintetitzen. La replicació comença en seqüències específiques de l'adn, anomenades origen de replicació, que serveixen com senyal d'iniciació. A aquestes zones s'hi uneix un enzim l'adn helicasa que trenca els enllaços d hidrogen entre les bases nitrogenades de les dues cadenes complementàries i les separa. Les topoisomerases són enzims que eliminen les tensions i superenrotllaments que es donen en la molècula quan es trenca la doble hèlix. Seguidament actua l'arn polimerasa, la qual sintetitza un curt fragment d'arn anomenat primer o encebador.

4. El mecanisme de duplicació de l ADN Elongació de l'adn: síntesi contínua i discontínua Una vegada que la ARN polimerasa (primasa) ha sintetitzat un fragment curt de RNA (aprox. 10 nt), anomenat encebador o primer, aquest fragment actua com a iniciador. El pas següent consisteix en l'elongació de l'adn naixent per l'adn polimerasa (ADN pol III), a partir de l'extrem 3' de l'arn encebador. L'enzim es desplaça, llegeix l'adn en sentit 3' 5' i sintetitza la nova cadena, complementària de la motlle, en sentit 5 3'. Aquest procés es repeteix una sèrie de vegades fins que al final el fragments d'arn són retirats, s'uneixen els fragments d'adn (amb uns enzims anomenats ligases). No obstant, cal recordar que les cadenes de la doble hèlix són antiparal leles entre si. D'aquesta manera, la síntesi de les noves cadenes és diferent a cada costat de la forqueta de replicació, i per això, es diu que és asimètrica. Així doncs es distingeixen dues cadenes. La cadena conductora, s'anomena així per què la seva síntesi s'inicia en primer lloc i se sintetitza de manera continua. La cadena retardada, que se sintetitza inicialment en forma de petits fragments d'adn, anomenats fragments d'okazaki, que posteriorment són units per un enzim anomenat ligasa.

4. El mecanisme de duplicació de l ADN Terminació de la replicació Un cop iniciada la replicació de l'adn, aquesta replicació continua fins que tota la molècula original ha estat copiada i s'ha format la nova molècula d'adn. A continuació, les dues molècules se separen. En alguns procariotes hi ha seqüències concretes en la cadena de l'adn plantilla, anomenades terminació de replicació que marquen la regió on ha de cesar la replicació.

4. El mecanisme de duplicació de l ADN Diferències entre procariotes i eucariotes L'esquema general del procés de replicació és comú per a les cèl lules procariotes i eucariotes. En tots dos casos la replicació es semiconservativa, bidireccional i les forquetes de replicació tenen cadenes conductores i retardades. La diferències fonamentals es troba en el següents punts: El nombre d'adn polimerases diferents: A procariotes són tres. A eucariotes són cinc. El nombre d'origens de replicació i seqüències de terminació: A procariotes sols hi ha un origen de replicació i dues seqüències de terminació, A eucariotes la longitud del DNA d un cromosoma és molt més gran que la del DNA bacterià. Així doncs, contenen diversos origens de replicació i la velocitat de replicació és deu vegades menor que a E. coli, possiblement a causa de l'empaquetament de l'adn dels eucariotes en cromatina. En eucariotes la replicació acaba quan dues forquetes de replicació es troben. Els fragments d Okazaki són més petits a eucariotes (100-200 nt)

http://www.stolaf.edu/people/giannini/flashanimat/molgenetics/dna-rna2.swf http://highered.mcgraw-hill.com/olc/dl/120076/micro04.swf (forqueta de replicació) http://www.bioygeo.info/animacionesbio2.htm#replicacion

La informació genètica Teoria un gen-una proteïna Un gen es pot definir com un fragment d'àcid nucleic que conté la informació per a un determinat caràcter. En el filament d'àcid nucleic el gen ocupa una posició fixa, anomenada locus. Un mateix locus pot estar ocupat per més d'un tipus de gen, respecte d'un mateix caràcter. I cada gen que ocupa el mateix locus s'anomena al lel. Cadascuna de les varietats existents per a un mateix caràcter (i un mateix gen). Exemple Al lel normal N Al lel hemofília n En alguns casos, el gen conté la informació per a una determinada substància. Quan aquesta substància és una proteïna, pot passar que en organismes mutant en el que li falta el gen que codifica per una determinada proteïna, aquests organismes no tenen la proteïna: és la teoria un gen una proteïna (o un gen un enzim). Activitat Es coneixen 5 tipus de mutants. Tots necessiten la substància G per alimentar-se. Molts mutants si no hi ha G al medi, la saben produir a partir d'altres substàncies, anomenades A, B, C, D i E. En la taula adjunta s'indica el tipus de mutant: un (+) si és capaç de viure amb aquesta substància, i amb un (-) si no ho és. Indica l'ordre d'aquestes substàncies en la ruta metabòlica. Ajuda: com que el mutant 5 pot viure amb qualsevol substància menys la E, deu ser perquè li manca l'enzim que transforma E en la següent, i, per tant, E ha de ser la primera.

La informació genètica Teoria un gen-una proteïna Una vegada establert el paral lelisme entre gens i enzims, es proposà la hipòtesi en la qua s'estableix una correspondència entre al seqüència de nucleòtids del gen i la seqüència d'aa de l enzim que el gen codifica. En el mecanisme en el qual es passa s'una seqüència a l'altre es diferencies dos processos: Un té lloc al nucli ( i és el pas de la seqüència d'adn a una seqüència de bases nitrogenades complementàries en un ARNm). TRANCRIPCIÓ L'altra té lloc als ribosomes (i és el pas d'una seqüència de l'arnm, a una seqüència d'aa, en forma de proteïnes). TRADUCCIÓ Recordar el dogma central de la biologia (proposat per Crick en els 50):

Transcripció: síntesi d'arnm És el pas d una seqüència d'adn a una seqüència d'arn (tant si és ARNm, com ARNr, o ARNt) Són necessaris: ADN, nt (A, U, C i G), ARN pol I una sèrie de cofactors. Només es transcriu a ARN una de les dues cadenes d AND. Segons el gen, la informació que es transcriu està a una cadena o a l altra). Les ARN polimerases sintetitzen la cadena de nova síntesi en direcció 5 3 (l enzim es mou en direcció 3 5 respecte a l ADN) En el procés intervenen diferents enzims, segons sigui una cèl lula procariota o una cèl lula eucariota. Transcripció en cèl lules procariotes (bacteris) Només tenen un tipus d ARNpol. El procés consta de les següents etapes: 1. Iniciació L'ARN pol reconeix i es fixa en una seqüència sobre l'adn, anomenada promotor, el qual determina el punt d'inici de la transcripció. El promotor contè unes seqüències de nt anomenades seqüències consens, a les quals s associa l ARNpol Qua nn l ARN pol s ha fixat sobre el promotor, desenrotlla aprox. Una volta d hèlix i inicia la polimerització d ARN, seguint la cadena d ADN patró. 2. Elongació A mesura que l'arn pol recorre el filament d'adn patró, es sintetitza un filament d'arn en direcció 5' 3'. ADN 3'...TACGCT...5' ARNm 5...AUGCGA...3 3. Finalització Té lloc quan l'arnpol arriba a una seqüències rica en G i C (seqüència d acabament). A a partir d'ara l'arn pol es separa, juntament amb el finalment d'arnm sintetitzat, i la doble hèlix d'adn torna a juntar-se. 4. Maduració. Es dóna o no en funció del tipus d ARN sintetitzat (si és ARNm no hi ha maduració ii pot ser directament traduït).

Transcripció: síntesi d'arnm Transcripció en cèl lules eucariotes Només tenen un tipus d ARNpol. El procés consta de les següents etapes: 1. Iniciació L'ARN pol reconeix i es fixa en una seqüència sobre l'adn, anomenada promotor, el qual determina el punt d'inici de la transcripció. El promotor contè unes seqüències de nt anomenades seqüències consens, a les quals s associa l ARNpol Qua nn l ARN pol s ha fixat sobre el promotor, desenrotlla aprox. Una volta d hèlix i inicia la polimerització d ARN, seguint la cadena d ADN patró. 2. Elongació A mesura que l'arn pol recorre el filament d'adn patró, es sintetitza un filament d'arn en direcció 5' 3'. AND 3'...TACGCT...5' ARNm 5...AUGCGA...3 3. Finalització Té lloc quan l'arnpol arriba a una seqüències rica en G i C (seqüència d acabament). A a partir d'ara l'arn pol es separa, juntament amb el finalment d'arnm sintetitzat, i la doble hèlix d'adn torna a juntar-se. 4. Maduració. Es dóna o no en funció del tipus d ARN sintetitzat (si és ARNm no hi ha maduració ii pot ser directament traduït).

El codi genètic És la relació entre els triplets de nt del DNA i la seqüència d'aa de les proteïnes. Així gràcies a diferents experiments de diferents científics (entre ells l'espanyol Severo Ochoa) es va arribar a confirmar la relació entre els triplets de nucleòtids i els aa.

El codi genètic Es va observar que més d'un triplet codificava per al mateix aa, i a vegades la diferència entre triplet i era només d'una lletra, això és el que s'anomena degeneració de la clau genètica, i és una avantatge ja que si per error, es produís un canvi en un nt, encara seguiria la relació entre triplet i aa. També s'ha vist que alguns triplets no codifiquen per a cap aa, sinó que són seqüències de terminació (STOP): UAA, UAG i UGA. (marquen el final del procés de traducció). El triplet AUG actua com a senyal d inici per al començament de la traducció, i si el procés a començat codifica per l aa metionina.

Traducció: biosíntesi de les proteïnes És el pas de la informació continguda a l'arnm per donar lloc a una proteïna. Aquest procés té lloc al citoplasma de la cèl lula, en concret al ribosomes lliures i als ribosomes associats al RER. Una vegada l'arnm surt del nucli és reconegut pel ribosoma gràcies a la caperutxa. Així l'arnm ja pot començar el procés que consta de quatre etapes: Activació d'aa Traducció: iniciació, elongació i acabament de la síntesi de la cadena polipeptídica Associació de diferents cadenes polipeptídiques i grups prostètics per formar les proteïnes ACTIVACIÓ DELS AMINOÀCIDS Cada aa s'uneix al seu ARNt per facilitar-li el transport cap al ribosoma on està tenint lloc la síntesi de proteïna. Es forma el complexe aminoacil-arnt.

Traducció: biosíntesi de les proteïnes TRADUCCIÓ 1. Iniciació

TRADUCCIÓ 2. Elongació

TRADUCCIÓ 3. Acabament de la síntesi