Biologia Molecular: Replicació, Expressió Gènica i Estructura Proteica

Disseny Experimental: Conceptes Fonamentals

• Problema: Influeix la quantitat d'hores de llum en l'acumulació de greixos?
• Hipòtesi: Potser la quantitat d'hores de llum afecta l'acumulació de greixos.
• Variable Independent (controlada per l'experimentador): Hores de llum.
• Variable Dependent (no controlada): Acumulació de greixos.
• Variables Controlades: Temperatura, alimentació dels ratolins, edat.

Experiment de Frederick Griffith

Frederick Griffith va ser un bacteriòleg que va treballar amb el Pneumococcus, un bacteri que causa pneumònia en humans i animals. Per descobrir una vacuna per a aquesta malaltia, va necessitar dues soques:

• La soca S (patògena)
• La soca R (innòcua)

*Soca: Conjunt de microorganismes de la mateixa espècie que comparteixen característiques que no tenen altres membres de l'espècie.

Resultats de l'Experiment de Griffith:

• Quan al ratolí se li van injectar bactèries virulentes, encapsulades i vives (S), el ratolí va morir.
• Quan al ratolí se li va injectar la soca R (innòcua), com són fàcilment atacables pel sistema immune, les maten i el ratolí va viure.
• La injecció de pneumococs S morts per la calor no produïa cap efecte al ratolí.
• Si s'injectaven R vius i S morts, el ratolí moria i a la sang es trobaven S vius.

Replicació del DNA

El missatge genètic està escrit al DNA. Perquè aquest missatge sigui conseqüent, ha d'autoreplicar-se per transmetre's a la descendència i ha d'expressar-se.

Principis Teòrics de la Replicació (Watson i Crick):

• Replicació Semiconservativa: Cada doble hèlix nova està composta per una cadena original o parental i una de nova síntesi. Les dues són idèntiques a l'hèlix inicial.
• Cadenes Complementàries: Una cadena actua com a motlle de l'altra. En cadascuna de les cadenes simples s'incorporen nucleòtids complementaris, formant així dues cadenes noves.

Experiment de Meselson i Stahl

• Objectiu: Identificar el mecanisme de replicació del DNA.
• Resultat: Van confirmar el model de replicació semiconservativa.

Enzims Clau en la Replicació del DNA

DNA Polimerasa:

Enzims que afegeixen nucleòtids complementaris a l'extrem 3' per formar noves cadenes.

Primasa:

Les DNA polimerases necessiten l'ajuda d'altres enzims. La primasa sintetitza petits fragments d'RNA en direcció 5'→3' i els hibrida amb les cadenes senzilles de DNA. Aquests fragments són encebadors amb els quals la polimerasa pot afegir nucleòtids i continuar amb la síntesi (el nucleòtid sempre s'afegeix en direcció 5'→3').

Helicasa:

Trenca els ponts d'hidrogen entre les bases i obre la doble cadena a la forqueta de replicació.

Proteïnes SSB (Single-Strand Binding Proteins):

Proteïnes que s'uneixen a les cadenes de DNA per estabilitzar-les i evitar que es tornin a unir.

Topoisomerases (ex. Girasa):

Tallen, desemmotllen i enganxen cadenes de DNA, eliminant tensions.

DNA Ligasa:

Una de les cadenes se sintetitza contínuament a la cadena líder, i l'altra en petits fragments discontinus, els fragments d'Okazaki, a la cadena retardada. La DNA ligasa uneix aquests fragments de DNA per formar una cadena contínua.

Expressió Gènica: De l'RNA a la Proteïna

Conceptes de Traducció

Aminoàcids:

Unitats bàsiques de les proteïnes.

Polipèptid (Proteïna):

Cadena d'aminoàcids units.

Codó:

Seqüència de tres nucleòtids a l'ARNm que codifica un aminoàcid específic o un senyal de stop. Els últims tres de la cadena són el codó stop; els primers tres, el codó d'inici.

Anticodó:

Seqüència de tres nucleòtids complementària al codó, present al tRNA.

tRNA (RNA de Transferència):

Molècula que transporta un aminoàcid específic al ribosoma.

Procés de Traducció (Síntesi de Proteïnes)

És un procés de traducció d'ARNm a proteïnes, amb el ribosoma col·locat sobre la cadena d'ARNm. Mitjançant els tRNA que entren pel centre A i es mouen al centre P, es connecten els anticodons del tRNA amb els codons de l'ARNm, i es formen enllaços peptídics amb els aminoàcids. El centre E és per on surten els tRNA després d'haver deixat l'aminoàcid a la cadena polipeptídica. D'aquesta forma, l'ARNm eucariota, ja que trobem la guanina metilada a l'extrem 5', es tradueix a les proteïnes.

Casos d'Estudi / Preguntes

1. Transcripció i RNA Polimerasa:

• La transcripció és el procés de passar de DNA a ARNm gràcies a l'RNA polimerasa, que transcriu amb l'ajuda d'altres enzims de les cadenes del DNA.
• Si s'inhibeix la funció de l'RNA polimerasa, l'ARNm no sortirà al citoplasma (es quedarà al nucli) i les proteïnes d'aquell organisme no tindran la informació suficient per saber què fer en cada part de l'organisme.

2. Mutació per Substitució:

• Una mutació per substitució pot fer que el pèptid ja no acabi amb l'aminoàcid triptòfan, sinó que sigui una seqüència stop. Per tant, la proteïna o pèptid tindrà un aminoàcid menys.

Conceptes Clau de Genètica

• La doble hèlix se separa i cada cadena actua com a motlle d'una nova cadena complementària.
• La replicació de DNA es produeix durant la interfase i és semiconservativa.
• L'error d'un nucleòtid pot implicar que totes les respostes siguin correctes (en un context de pregunta de test).
• La transcripció consisteix a generar fragments d'ARNm a partir de DNA i es dona al nucli.
• Molècules necessàries per a la síntesi d'RNA: un motlle de DNA, nucleòtids (A, C, G, U) i RNA polimerasa.
• El codó es troba en l'ARNm.
• El codi genètic és la pauta de traducció de l'ARNm en els ribosomes.
• Un gen s'expressa quan es transcriu i es tradueix a una proteïna.
• El procés d'expressió de la informació genètica es desenvolupa en dues etapes: la transcripció (des del DNA a l'RNA) i la traducció (de l'RNA a la proteïna).

Proves de Reconeixement de Proteïnes

• Reactiu de Biuret: S'utilitza per reconèixer proteïnes. Quan es posa i surt lila, hi ha presència de proteïna (canvia de color).
• Procés de Desnaturalització: Canvi en l'estructura normal d'una proteïna.

Estructura de les Proteïnes

Primària:

Ordre en què es col·loquen els aminoàcids per formar la cadena polipeptídica. Dona lloc a l'especificitat.

Secundària:

L'estructura primària plegada. Exemples: hèlix alfa (hèlix dextrogira amb ponts d'hidrogen entre C=O i NH cada 4 aminoàcids) o làmina beta.

Terciària:

Nous girs i desplegaments que donen la configuració definitiva a la proteïna. Inclou enllaços peptídics, ponts d'hidrogen, ponts disulfur i interaccions hidrofòbiques.

Quaternària:

Unió de diverses cadenes polipeptídiques, formant un oligòmer. S'uneixen mitjançant els mateixos enllaços que en l'estructura terciària.

Replicació del DNA: Diferències entre Procariotes i Eucariotes

• Localització: En procariotes es produeix al citoplasma; en eucariotes, al nucli.
• Forma de la cadena: En eucariotes, forma una cadena lineal molt més llarga que l'anell dels procariotes.
• Associació amb histones: El DNA eucariota està associat a les histones, cosa que fa que la replicació sigui més lenta. Les histones de la cadena parental s'associen a la cadena contínua, i a la cadena retardada s'associen histones noves.
• Complexitat de DNA polimerases: Les DNA polimerases de les eucariotes són més complexes que les de les procariotes.
• Fragments d'Okazaki: Els fragments d'Okazaki són més curts en eucariotes que en procariotes.
• Fase del cicle cel·lular: La replicació del DNA a les cèl·lules eucariotes es produeix durant la fase S del cicle cel·lular. No tots els orígens s'inicien durant aquesta fase. En la fase G1 es marquen els possibles orígens de replicació i, segons el tipus cel·lular i les condicions ambientals, s'inicien uns o altres en la fase S.

Dogma Central de la Biologia Molecular

El dogma central descriu el flux de la informació genètica:

1. Replicació: DNA → DNA
2. Transcripció: DNA → RNA
3. Traducció: RNA → Proteïna
4. Transcripció Inversa: RNA → DNA (mitjançant l'enzim transcriptasa inversa)

Replicació en Procariotes: Procés Detallat

1. Inici

Comença pel reconeixement de la seqüència que marca l'origen de replicació. S'obre la bombolla de replicació i s'acoblen els enzims corresponents a cada forqueta.

2. Desenvolupament de la Cadena Líder (Contínua)

1. Comença per la síntesi, al costat de l'origen de replicació, d'un encebador o primer d'RNA per la primasa.
2. Aquesta s'hibrida amb la cadena parental de DNA.
3. L'encebador ofereix un extrem 3' lliure a partir del qual la DNA polimerasa III (DNA-pol III) afegeix nucleòtids sense parar fins al final de la síntesi.
4. La DNA polimerasa I (DNA-pol I) reemplaça l'RNA de l'encebador per nucleòtids de DNA.

3. Desenvolupament de la Cadena Retardada (Discontínua)

1. Comença per un encebador d'RNA que ofereix un extrem 3' i que s'estableix una mica allunyat de l'origen de replicació.
2. La DNA-pol III afegeix nucleòtids fins a arribar a l'origen (en direcció 5' → 3'). Es forma així un fragment d'Okazaki.
3. La primasa forma un altre encebador d'RNA perquè la DNA-pol III continuï amb la síntesi d'un altre fragment. Així successivament. Aquesta cadena es compon de nombrosos fragments.
4. Tots els encebadors són substituïts per DNA gràcies a la DNA-pol I i, finalment, la ligasa els uneix, formant una cadena contínua nova.

4. Final

Al final de la replicació tenim dues cadenes de DNA dobles en forma d'anells entrellaçats. Les topoisomerases en tallen un, fan passar l'altre pel tall i finalment solden el tall, acabant així la replicació del DNA bacterià amb dos anells independents.