Replicació de l'ADN, transcripció i expressió gènica: resum i conceptes clau

Síntesi de l'ARN Nucleolar (ARNn)

Es copia un segment d'ADN i es forma ARNn (precursor de l'ARNr) que s'emmagatzema en el nuclèol. Aquest ARNn passa per un procés de maduració i, conjuntament amb proteïnes, es formen les dues subunitats de l'ARNr (ribosòmic). Aquesta còpia es fa gràcies a l'enzim ARN polimerasa.

La Transcripció i la Maduració de l'ARNm

La transcripció té lloc a l'interior del nucli. Es transcriu la informació de l’ADN, normalment només d'un gen. Un cop feta la transcripció, l'ARN format (pre-ARNm) ha de passar un procés de maduració (splicing) en el qual s'eliminaran els introns, ja que aquests no tenen la informació per codificar proteïnes. Per tant, només queden els exons.

Amb un sol gen podem obtenir diferents tipus de proteïnes, ja que els exons poden variar de posició (splicing alternatiu) i la informació es canviaria.

El Codi Genètic i la Traducció

Cada tres bases nitrogenades l'anomenem codó. Cada codó té un aminoàcid complementari. Un cop ja tenim l'ARNm madur, passa cap al citoplasma i s'uneix a les dues subunitats del ribosoma.

Això es fa amb l'ajuda de l'ARNt (de transferència), que transporta l'aminoàcid corresponent. L'aminoàcid s'uneix gràcies a l'enzim aminoacil-ARNt-sintetasa. Aquest ARNt s'uneix al ribosoma amb el braç T, i el braç anticodó s'uneix amb el codó de l'ARNm, permetent així la formació de la proteïna.

L'ARNm es destrueix per evitar la creació contínua de proteïnes idèntiques.

La Replicació de l'ADN

Com es duplica l'ADN?

A partir d'una molècula d'ADN se n'aconsegueixen dues. Aquest procés s'anomena replicació i té lloc durant el cicle cel·lular.

La molècula d'ADN es separa i forma dues cadenes noves idèntiques a la molècula principal. Això passa per la complementarietat de bases.

Quan es produeix aquest procés?

Quan la cèl·lula fa mitosi (o, més precisament, durant la fase S del cicle cel·lular).

El Cicle Cel·lular

És la durada de la vida d'una cèl·lula des que es forma a partir d'una mitosi fins que es torna a fer una nova mitosi.

El cicle cel·lular es divideix en dues grans fases: la interfase (o fase de repòs) i la mitosi.

En la fase de repòs o interfase, en un cicle de 24 hores, la interfase dura aproximadament 22 hores.

Subfases de la Interfase

• Fase G1: La cèl·lula creix i sintetitza proteïnes. Per sintetitzar proteïnes hi ha 2 processos: Transcripció i Traducció.
• Fase S: És la fase on es fa la replicació de l'ADN.
• Fase G2: La cèl·lula es prepara per a la mitosi i sintetitza proteïnes i enzims.

Teories sobre la Replicació de l'ADN

En la replicació hi ha 3 teories principals:

Teoria Conservativa

D'una molècula d'ADN patró s'originen una altra molècula patró idèntica a l'anterior i una de completament nova. Això passa perquè es dupliquen les dues al mateix moment.

Teoria Semiconservativa

De la molècula patró se separen les dues cadenes. Cada cadena origina la seva còpia, així obtenim dues molècules idèntiques a la del patró, cadascuna amb una cadena vella i una de nova.

Teoria Dispersiva

La duplicació es fa per fragments barrejats de nou i vell.

L'experiment definitiu per demostrar quina d'aquestes tres teories era la correcta va ser l'experiment de Meselson i Stahl el 1958. La hipòtesi correcta és la semiconservativa.

L'Experiment de Meselson i Stahl (1958)

Es van cultivar bacteris en un medi amb N¹⁵ (nitrogen pesant). Això fa que les molècules sintetitzades amb N¹⁵ pesin més que les sintetitzades amb N¹⁴.

Van passar els bacteris cultivats en N¹⁵ a un medi de N¹⁴ i es van esperar mitja hora perquè l'ADN bacterià es dupliqués una sola vegada. Ho van centrifugar i van observar que l'ADN aïllat ocupava la posició del mig (densitat intermèdia). Així es va poder descartar la teoria conservativa, perquè segons aquesta, l'ADN aïllat hauria d'haver ocupat dues posicions (dues bandes de diferent pes).

Llavors, per descartar una de les dues teories que quedaven, van deixar que l'ADN bacterià es dupliqués dues vegades o més en el medi N¹⁴. Després de centrifugar-ho, van observar que apareixien dues bandes: una amb l'ADN lleuger (N¹⁴) i l'altra amb l'ADN híbrid (el que només s'havia duplicat una vegada). Aquest fet va permetre descartar la teoria dispersiva, que segons aquesta hauria d'haver seguit tenint una sola banda intermèdia.

Procés de Replicació de l'ADN

1. Iniciació en els punts d'origen

   La replicació s'inicia en els punts d'origen, que són seqüències de nucleòtids que marquen l'inici de la replicació.

   • Nota: En els procariotes només hi ha un punt d'origen, mentre que en els eucariotes n'hi ha molts.

2. Formació de les forquilles de replicació

   A partir del punt d'origen es formen les forquilles de replicació. Les helicases trenquen els enllaços de ponts d'hidrogen en cada direcció. Les proteïnes SSB mantenen les dues cadenes separades. També actuen les topoisomerases, que eviten el superenrotllament de l'ADN causat per les helicases (tallen les cadenes i les tornen a unir).

3. Síntesi del bri conductor (5' a 3')

   La replicació comença, realitzada per l'ADN polimerasa III, que sempre actua en direcció 5' a 3'. En l'extrem 3' de la cadena patró, l'ADN polimerasa III començarà sense cap problema. La nova cadena que es forma s'anomena bri conductor o filament conductor.

4. Síntesi del bri retardat (Fragments d'Okazaki)

   L'altra cadena patró va en direcció 3' a 5' (respecte a la síntesi). Com que l'ADN polimerasa III no pot sintetitzar en direcció 3' a 5', ha de recular (aproximadament 1000 nucleòtids) i comença a sintetitzar de 5' a 3', anant en sentit contrari a l'obertura de la forquilla. Es formen els fragments d'Okazaki. Aquesta cadena s'anomena bri retardat o filament retardat, perquè el procés és més lent.

5. Necessitat de l'ARN primasa

   L'ADN polimerasa III és incapaç d'iniciar la síntesi de nou (no pot col·locar els primers nucleòtids). Per això, actua l'ARN primasa, que col·loca segments d'ARN (encebadors o primers) a l'inici de cada cadena nova i dels fragments d'Okazaki.

6. Substitució i unió

   Els fragments d'ARN primasa (formats per uns 10 nucleòtids) són substituïts per nucleòtids d'ADN. Aquesta funció la realitza l'enzim ADN polimerasa I.

   L'enzim lligasa uneix els nucleòtids d'ADN acabats de substituir a la resta de la cadena nova, tancant els buits entre els fragments d'Okazaki.

7. Finalització

   La molècula d'ADN queda totalment replicada quan s'uneixen totes les forquilles de replicació.

   Nota: En la unió dels nucleòtids de la cadena nova, s'utilitzen nucleòtids trifosfats. Es desprenen dos fòsfors per obtenir l'energia necessària per a la unió.

Enzims i Molècules Clau en la Replicació de l'ADN

Diferències de la Replicació entre Eucariotes i Procariotes

La Transcripció

És la còpia d'un gen d'ADN a ARNm, el qual conté la informació per sintetitzar proteïnes.

Descobriments Clau en l'Expressió Gènica

Garrod (1902)

Va ser el primer a estudiar la relació d'un gen amb una proteïna el 1902. Va estudiar-ho a partir de la malaltia Alcaptonúria. En aquesta malaltia, l'àcid homogentísic s'acumula a causa d'una mutació en el gen que impedeix el pas de l'àcid. Són mutacions hereditàries.

Beadle i Tatum

Van treballar amb fongs i van induir mutacions amb raigs UVA. Van observar que depèn d'on s'apliquin els raigs UVA, es mutarà un gen o un altre. En el cas de l'enzim A, es va aplicar els raigs UVA en un fragment d'ADN i es va observar que en mutar aquell gen A, l'enzim A no es produïa. El mateix passava amb l'enzim B i C.

Amb això van demostrar que el gen conté la informació per formar enzims i que si el gen muta, aquell enzim ja no es produeix i probablement se'n produeixi un altre.

Fases de la Transcripció

La transcripció consta de 3 fases:

1. Iniciació

S'inicia per la senyal d'uns nucleòtids promotors, que no es transcriuen. Un exemple és la TATA box (TATAAAA). Per unir l'ARN polimerasa II amb la cadena d'ADN, actuen unes proteïnes anomenades factors de transcripció sigma.

2. Elongació

Es continua formant la cadena d'ARNm en direcció 5' a 3'. Quan s'han format entre 30-50 nucleòtids d'ARNm, es col·loca a l'extrem 5' la caputxa de metil-guanosina-trifosfat.

3. Terminació

L'acabament del gen va marcat per la seqüència de nucleòtids TTATTT. L'ARN polimerasa II abandona la cadena d'ADN, ajudada per uns factors de transcripció rho.

Quan l'ARN és immadur, es col·loquen a l'extrem 3' unes 200 adenosines, formant la cua de poli-A.

Maduració de l'ARNm en Eucariotes

La maduració de l'ARNm es duu a terme en unes estructures anomenades espliceosomes, formats per proteïnes i per ribonucleoproteïnes petites (snRNP).

En aquestes estructures hi ha enzims amb nucleòtids complementaris als extrems dels introns. Un cop aquests enzims localitzen els introns, els tallen (splicing) i les lligases uneixen els exons.