El Flux de la Informació Genètica: estructura del DNA i regulació gènica

NUCLEOTIDS

Biomolecules complexes formades sempre per C, H, O, N i P, i molt puntualment S.

PENTOSA

RIBOSA-> Forma ribonucleòtids DESOXIRIBOSA-> Forma desoxiribonucleòtids

BASE NITROGENADA

PÚRIQUES-> Adenina (A) i guanina (G) PIRIMIDÍNIQUES-> Timina (T), Citosina (C) i Uracil (U)

ÀCID FOSFÒRIC

Fosfat-> H3PO4 Els nucleotids son els monomers dels polímers d'ARN i ADN.

Cas ARN-> RIBONUCLEOTIDS Adenina, guanina, citosina i uracil.

Cas ADN-> DESOXIRIBONUCLEÒTIDS Adenina, guanina, citosina i timina.

ENLLAÇ ÈSTER-FOSFAT

O O O-P=O O-P=0 O O 1 SCH2 CH2 O 14 3 2 OH OH O OH -O-P=0 + H2O OH O O P=O 5CH2 O O 50 CH2 O OH OH 3 2 OH OH O 3L'ADN està format per DUES LLARGUES CADENES POLIMERIQUES que inclouen les seves respectives bases nitrogenades. Les diferents molecules d'ADN es diferencien en la MIDA i en la SEQUENCIA de les bases nitrogenades. Els individus de la MATEIXA ESPECIE comparteixen la MATEIXA SEQUENCIA en totes i cadascuna de les cellules, però les múltiples combinacions possibles determinen l'enorme VARIABILITAT biologica existent, ja que CADA ESPECIE té una SEQUENCIA de bases característica i DIFERENT.

NIVELLS ESTRUCTURALS DE L'ADN

ESTRUCTURA PRIMÀRIA

Seqüència de nucleòtids

ESTRUCTURA SECUNDARIA

Disposició espacial

ESTRUCTURA TERCIÀRIA

DOBLE HÈLIX dextrogira

MODEL DE LA DOBLE HELIX

Formada per dues cadenes de polinucleotids enrotllades al voltant d'un eix imaginari.

CARACTERÍSTICA 1

Les bases nitrogenades se situen cap a l'interior. Els grups fosfats i les pentoses cap a l'exterior.

CARACTERÍSTICA 2

Cadenes ANTIPARALLELES. Presenten orientacions oposades.

CARACTERÍSTICA 3

COMPLEMENTARIETAT entre les bases. Adenina - Timina Citosina - Guanina

CARACTERÍSTICA 4

Les dues bases s'uneixen mitjançant PONTS d'HIDROGEN. Adenina - Timina-> 2 ponts d'hidrogen Citosina - Guanina-> 3 ponts d'hidrogenPodem trobar ADN en les cèl·lules però també en els virus:

• En les cèl·lules PROCARIOTES, l'ADN constitueix un CROMOSOMA BACTERIÀ situat en el NUCLEOIDE; la molecula és de doble helix circular. Els bacteris poden portar petites porcions d'ADN extracromosomic, doble helix circular, anomenats PLASMIDIS.
• En les cèl·lules EUCARIOTES, l'ADN es troba dins el NUCLI. Com que la cellula és molt petita i els organismes tenen moltes molecules d'ADN per cel·lula, cada molecula d'ADN ha d'estar EMPAQUETADA de forma molt compacta i precisa. L'ADN nuclear es BICATENARI LINEAL. MITOCONDRIS i CLOROPLASTS també presenten ADN propi de caracteristiques similars a l'ADN bacterià.

Els VIRUS PORTADORS d'ADN presenten, en la majoria dels casos i amb major DIVERSITAT, una molecula d'ADN bicatenari recoberta de l'embolcall proteic que constitueix la CAPSIDA. Paral·lelament al descobriment de l'ADN es va descobrir l'ARN. L'ARN està format per LLARGUES CADENES POLIMERIQUES que inclouen les seves respectives bases nitrogenades.

FORQUILLES

Zones amb doble hèlix.

LLAÇOS o BUCLES

Zones no complementàries entre les forquilles.

Tipus d'ARN

ARN MISSATGER (ARNm)

Presenta una estructura LINEAL MONOCATENARIA, que pot formar FORQUILLES en determinats trams i les seves BASES son COMPLEMENTÀRIES.

SÍNTESI

COMPLEMENTARIETAT de bases utilitzant com a MOTLLE un fragment o gen d'ADN que codifica per a una proteïna. El proces s'anomena TRANSCRIPCIÓ.

TIPUS

ARNm MONOCISTRÒNIC: 1 proteïna ARNm POLICISTRONIC: diverses proteïnes CODO: correspon a cada triplet (tres bases nitrogenades), fent referencia a un aminoacid en la sintesi de proteïnes.

ARN de TRANSFERÈNCIA (ARNt)

Presenta zones amb estructura secundaria de DOBLE HELIX i altres en què es formen BUCLES, donant-li un aspecte de TREVOL de tres fulles; espacialment, la seva estructura es mes complexa, en forma de BUMERANG.

FUNCIÓ

TRANSPORTAR els AMINOACIDS en el citoplasma per a la sintesi de proteïnes.

ARN RIBOSÒMIC (ARNr)

Presenta molecules LLARGUES i MONOCATENARIES, encara que també té fragments amb estructura de doble cadena.

FUNCIÓ

ESTRUCTURAL, ja que associat a PROTEINES, constitueix les SUBUNITATS RIBOSOMIQUES que associades a l'ARNm realitzaran la sintesi de proteïnes.

ARN

ADN

Pentosa Ribosa Desoxiribosa

Composició Bases nitrogenades A, U, GIC A, T, GIC

Cadenes Monocatenari Bicatenari

Estructura Configuració Excepte l'ARNt i la seva estructura en trèvol, no presenten una configuració determinada Estructura de doble helix

Funció Alguns fan possible la sintesi de proteïnes, altres tenen funció reguladora i catalítica. Emmagatzema i transfereix la informació genetica

Procariota Citoplasma Citoplasma

Localització Eucariota Citoplasma (mitocondris i cloroplasts) Nucli (mitocondris i cloroplasts)

DOGMA CENTRAL de la biologia molecular

El DOGMA CENTRAL de la biologia molecular descriu el FLUX DE LA INFORMACIÓ GENÈTICA: la TRANSMISSIÓ del missatge genetic d'una generació a la següent, i l'EXPRESSIÓ a la seva forma funcional, les PROTEÏNES.

• Hipòtesi «un gen, un enzim» (1948), de G. Beadle i E. L. Tatum. Tenint en compte que no totes les proteïnes són enzims i que hi ha proteïnes formades per més d'una cade- na polipeptídica, la formulació actual d'aquesta premissa es correspon amb «un gen, un polipeptid», és a dir, cada gen conté informació per a la síntesi d'una cadena polipep- tídica.
• Descobriment de l'ADN polime- rasa (1956) per Arthur Kornberg, enzim fonamental en la replicació que pateix l'ADN abans de la divisió cel·lu- lar i que permet la transmissió de la informació genètica a la següent gene- ració.

Primera versió del dogma central de la biologia molecular (1970), enunciat per Francis Crick, amb referência a dos processos: la transcripció i la traducció. Durant la transcripció de l'ADN es copia la informació continguda en un gen mitjançant la sintesi d'un ARNm, intermediari entre l'ADN nuclear i els ribosomes citoplasmatics, als quals es dirigeix per iniciar la sintesi proteica o traducció.

TRANSCRIPCIÓ TRADUCCIÓ REPLICACIÓ ADN ARN Polipeptid

El coneixement del cicle replicatiu dels virus va portar a modificar el dogma inicial:

• Els virus poden tenir ADN o ARN com a MATERIAL GENETIC. Ús de l'enzim ARN REPLICASA.
• Els RETROVIRUS posseeixen l'enzim TRANSCRIPTASA INVERSA, encarregat de sintetitzar ADN a partir d'ARN durant un proces denominat TRANSCRIPCIÓ INVERSA.

TRANSCRIPCIÓ TRADUCCIÓ ADN ARN Polipeptid REPLICACIÓ *TRANSCRIPCIÓ INVERSA *Exclusiva dels virus *REPLICACIÓ

DIFERENCIES ENTRE EL GENOMA PROCARIOTA I L'EUCARIOTA

El terme GENOMA inclou el conjunt de gens d'un organisme. Com en molts altres aspectes, hi ha importants DIFERENCIES entre el genoma dels dos grans tipus de cel·lules.

Genoma procariota

Genoma eucariota

Localització Es localitza al citoplasma, a la regió del nucleoide i als plasmidis. La major part en el nucli, però també en mitocondris i cloroplasts (en aquests organuls, amb caracteristiques de procariotes).

Organització Un cromosoma principal d'ADN circular i plasmidis també circulars. Genoma nuclear format per diverses molecules lineals d'ADN, majors que el cromosoma procariota i associades a histones. Genoma de mitocondris i cloroplasts semblant al procariota.

Quantitat d'ADN i gens Practicament tot l'ADN conte informació per a la sintesi de proteïnes. Més quantitat d'ADN. Només se'n tradueix un 10 %, la qual cosa significa que la major part de l'ADN nuclear eucariota no conté informació genètica, és a dir, no codifica proteines, encara que pot estar relacionat amb el manteniment de l'estructura dels cromosomes (les funcions encara son poc conegudes). Gran part del genoma sense gens és altament repetitiu (conté seqüències de nucleotids repetides centenars de vegades). En consequencia, la quantitat d'ADN no es proporcional a la quantitat de gens. Així, mentre que el nostre genoma es mil vegades mes gran al d'Escherichia coli, tan sols conte cinc vegades mes gens que el del bacteri.

Estructura dels gens Els gens son continus. Els gens no solen ser continus, entre les sequencies codificadores (exons) s'intercalen sequències de nucleotids sense informació genètica (introns). Els EXONS són regions CODIFICADORES del gen. Els INTRONS són regions NO CODIFICADORES del gen.

REPLICACIÓ ADN

Duplicar l'ADN per tal de tenir dues copies del seu genoma i possibilitar el REPARTIMENT EQUITATIU de material genetic entre les cèl·lules filles.

QUAN?

Durant la FASE S del cicle cellular.

ON?

Procariotes-> CITOPLASMA Eucariotes-> Interior del NUCLI

COM?

Replicació SEMICONSERVATIVA: cadena original + cadena complementària

Fases de la replicació en PROCARIOTES

INICIACIÓ

Obertura de la DOBLE HELIX, que permet l'accés a les cadenes simples.

ON?

En seqüències concretes de l'ADN, anomenades ORÍGENS DE REPLICACIÓ.

HELICASES: trenquen els enllaços d'hidrogen que mantenen unida la doble helix. TOPOISOMERASES: eviten el superenrotllament de la doble helix; fan talls i unions. PROTEÏNES SSB: estabilitzen les cadenes separades i eviten que es tornin a unir.

CONSEQÜÈNCIA

Formació de la BOMBOLLA DE REPLICACIÓ, que inclouen extrems anomenats FORQUILLES DE REPLICACIÓ.

ELONGACIÓ

Sintesi de cadenes complementàries a les cadenes originals, que actuen com a motlle i correcció d'errors.

PRIMASA Sintetitza ARN a partir d'ADN. Sintetitza els PRIMERS, en què actua l'ADN polimerasa III.

Uneix nucleotids en sentit 5'-> 3' a partir de l'extrem 3' lliure del PRIMER.

ADN POLIMERASA III Sentit 5'-> 3', CADENA LÍDER (contínua) Sentit 3'-> 5' CADENA RETARDADA (discontinua), FRAGMENTS d'OKAZAKI.

ADN POLIMERASA I No és només polimerasa, sino també NUCLEASA, talla enllaços entre nucleotids. Elimina els PRIMERS d'ARN i els substitueix per NUCLEOTIDS d'ADN.

LLIGASES Uneixen els nous fragments entre si, i donen lloc a CADENES CONTINUES.

TERMINACIÓ

Les molécules resultants adquireixen la CONFIGURACIÓ HELICOIDAL. Un cop finalitzats tots els processos anteriors, a mes de la unió de tots els seus fragments i la correcció d'errors, s'obtenen DUES MOLECULES D'ADN FILLES IGUALS, que formen una DOBLE HÈLIX.

Diferències en comparació amb la replicació en EUCARIOTES

1. La replicació de l'ADN va acompanyada de la SINTESI d'HISTONES.
2. Hi ha 5 ADN polimerases, dintre de les quals 1 intervé en la replicació de l'ADN MITOCONDRIAL.
3. Hi ha múltiples ORIGENS DE REPLICACIÓ pel nombre més gran d'ADN. Hi ha nombroses unitats de replicació en el seu genoma, denominades REPLICONS.
4. La VELOCITAT de replicació es MENOR.
5. Els FRAGMENTS d'OKAZAKI son mes CURTS.

LA TRANSCRIPCIÓ

Expressió gènica = TRANSCRIPCIÓ + TRADUCCIÓ

TRANSCRIPCIÓ ADN

Sintesi d'ARN a partir de la informació continguda en l'ADN.

QUAN?

Durant la INTERFASE del cicle cel·lular.

ON?

Procariotes-> CITOPLASMA Eucariotes-> NUCLI: matriu i estroma

COM?

CADENA MOTLLE, té la sequència complementaria de la de l'ARN transcrit. CADENA CODIFICADORA, no es transcriu. Es llegeix en sentit 3'-> 5', però se sintetitza l'ARN en sentit 5'-> 3'.

GEN: UNITAT DE TRANSCRIPCIÓ, és a dir, una regió del genoma amb la informació necessaria per a la sintesi d'un ARN.

UNITAT DE TRANSCRIPCIÓ

PROMOTOR

Seqüència de nucleotids que NO ES TRANSCRIU i marca l'inici. En PROCARIOTES i MITOCONDRIS, un mateix promotor pot servir per a diversos gens contigus que es transcriuen junts. En EUCARIOTES, cada gen posseeix el seu PROPI PROMOTOR.

REGIÓ CODIFICADORA

Contigua al promotor, formada per la SEQUENCIA de NUCLEOTIDS que es TRANSCRIU.

TERMINADOR

Seqüència que indica el FINAL de la TRANSCRIPCIÓ (rica en G i C).