Replicació del DNA i Síntesi Proteica: Mecanismes i Regulació

La Duplicació del DNA i la Biosíntesi de les Proteïnes

1. La duplicació del DNA

1.2 Les primeres hipòtesis sobre la duplicació del DNA

- La hipòtesi semiconservadora sobre la duplicació del DNA és deguda als científics Watson i Crick. Proposa que les dues cadenes de DNA inicial se separen i cadascuna serveix de motlle per a la síntesi, segons la complementarietat de les bases nitrogenades, d'una nova cadena. Per tant, en les dues molècules del DNA de doble hèlix produïdes, un dels filaments seria l'antic, i l'altre, el modern.

- En la hipòtesi conservadora es proposa que després de la duplicació queden, d'una banda, els dos filaments antics junts i, de l'altra, els dos filaments nous també espiralitzats.

- En la hipòtesi dispersiva es proposa que els filaments, al final, estan constituïts per fragments diferents de DNA antic i de DNA acabat de sintetitzar.

1.3 L'experiment de Meselson i Stahl

Aquest experiment ens va demostrar que la hipòtesi correcta va ser la semiconservadora. Meselson i Stahl van cultivar bacteris (Escherichia coli) en un medi amb nitrogen pesant (¹⁵N), que és un isòtop del nitrogen ¹⁴N. Aquest nitrogen pesant (¹⁵N) té el mateix nombre d'electrons (7e) i de protons (7p) que l'àtom del ¹⁴N, i així té el mateix comportament químic, però posseeix un neutró més (8n), per la qual cosa pesa més que el ¹⁴N. El seu pes atòmic és 15 i no 14. Això comporta que les molècules de DNA sintetitzades amb ¹⁵N pesin més que les construïdes amb ¹⁴N, fet que permet separar-les amb centrifugació utilitzant un medi que presenti un gradient de densitats. Les molècules de DNA "lleuger" queden més amunt, i les de DNA "pesant", més avall dins del tub de la centrífuga. Per fer l'experiment van passar els bacteris cultivats amb ¹⁵N a un medi amb nitrogen normal (¹⁴N) durant una mitja hora, que és el temps necessari perquè el DNA bacterià es dupliqui, el van extreure i el van centrifugar. Després, amb rajos ultraviolats, que són molt absorbits quan travessen una dissolució que conté DNA, es va poder deduir que el DNA acabat de sintetitzar ocupava, al tub de centrifugació, una posició intermèdia entre la que ocupava el DNA amb ¹⁵N i el DNA amb ¹⁴N. Així doncs, es tractava d'un DNA "híbrid" i calia descartar la hipòtesi conservadora.

Si en lloc de deixar els bacteris en ¹⁴N durant una divisió els deixaven durant dues, apareixien dos DNA, un d'híbrid i un altre de lleuger. Si s'hi deixaven durant tres, la proporció de DNA híbrid era més petita. Això descartava la hipòtesi dispersiva i confirmava la hipòtesi semiconservadora.

Meselson i Stahl van completar l'experiment amb un altre assaig. Després d'aïllar el DNA "híbrid" i sotmetre'l a una temperatura de 80 a 100 °C durant trenta minuts, van aconseguir que se separessin els dos filaments i, per mitjà d'un refredament sobtat, que no es tornessin a associar de nou. Posteriorment, amb la centrifugació de preparat, van comprovar que un filament era lleuger, i l'altre, dens, fet que va confirmar de manera definitiva la hipòtesi semiconservadora. Aquests experiments s'han dut a terme en molts altres organismes, i en tots s'ha complert la hipòtesi semiconservadora.

2. El sentit de creixement dels nous filaments

In vitro: és el procés que es produeix al laboratori i no en una cèl·lula viva.

2.1 La síntesi de DNA in vitro

Kornberg, un deixeble del bioquímic espanyol Severo Ochoa, va estudiar el mecanisme pel qual, a partir d'un filament, s'hi anava sintetitzant a sobre el nou filament complementari, i quin enzim regulava aquest procés. El 1956, Kornberg va aïllar l'enzim DNA-polimerasa a partir del bacteri Escherichia coli. Aquest enzim és capaç de sintetitzar DNA in vitro.

Per actuar, la DNA-polimerasa necessita la presència de desoxiribonucleòtids-5-trifosfats d'adenina, timina, guanina i citosina, ions magnesi Mg²⁺ i un DNA en el qual un dels filaments actua com a filament "patró", i un extrem de l'altre, que s'ha retirat en part, com a "encebador".

La DNA-polimerasa és un enzim constituït per uns mil aminoàcids que es troba al nucli i als mitocondris. Té uns quants loci o llocs on es fixen els substrats. Aquests queden ocupats pel DNA patró, el DNA encebador i el següent nucleòtid que s'hi afegeix. Pot unir uns milers de nucleòtids per minut i permet la síntesi in vitro de DNA a partir d'un DNA natural.

La DNA-polimerasa és incapaç d'iniciar una cadena de novo. El seu paper es limita a afegir nucleòtids a l'extrem d'una cadena preexistent, l'anomenat DNA encebador. Concretament actua afegint nucleòtids a l'extrem que presenta lliure el carboni 3' del nucleòtid, ja que és incapaç d'afegir-los a l'altre extrem, que és el que presenta lliure el carboni 5' del nucleòtid.

Així doncs, la cadena del DNA encebador tan sols pot créixer en el sentit 5' → 3'. Per això, en una cadena de DNA, el nucleòtid que té lliure el carboni 5' és el primer nucleòtid de la cadena, i el que té lliure el carboni 3' és el darrer nucleòtid afegit i al qual se n'hi pot afegir un altre.

A més, la DNA-polimerasa actua de manera que el nou filament sintetitzat és antiparal·lel i complementari.

2.2 El problema de la direcció en la duplicació del DNA in vivo

Entre els primers experiments encaminats a observar la duplicació del DNA en els éssers vius, cal destacar el que va fer Cairns el 1963. La tècnica seguida va consistir a mantenir bacteris de l'espècie Escherichia coli en un medi amb timina marcada amb triti (³H), és a dir, una timina que en lloc d'hidrogen tenia triti. Aquest isòtop radioactiu emet partícules beta (β) capaces d'impressionar una placa fotogràfica, fet que permet localitzar les noves molècules de DNA sintetitzat.

Cada dos o tres minuts es dipositava el DNA bacterià sobre una placa sensible per obtenir-ne l'autoradiografia. Així es va obtenir la seqüència completa d'una replicació del DNA, que dura uns trenta minuts: les imatges inicials tenien forma de V, les quals corresponen a les anomenades forquetes de replicació, formades pels dos nous filaments de DNA tritiat sintetitzats sobre la doble cadena antiga que s'havia escindit en dos per poder servir de motlles; les posteriors, de mitja lluna, les quals corresponen a les anomenades bombolles de replicació; i les finals semblaven cercles més o menys aixafats (formes circulars), les quals van fer possible descobrir que el DNA de l'Escherichia coli era circular.

L'experiment de Cairns va tornar a confirmar la hipòtesi semiconservadora i, a més, va descobrir l'existència d'un punt concret com a origen de la replicació del DNA bacterià. Erròniament, es va deduir que la replicació era unidireccional, però posteriorment s'ha comprovat que és bidireccional, és a dir, hi ha una forqueta a l'esquerra del punt d'inici i una altra forqueta a la dreta, que van progressant en direccions oposades.

Aquest fet va plantejar dos dilemes: el primer era com la DNA-polimerasa podia sintetitzar sense necessitat d'encebador; i el segon, com els dos filaments de la forqueta creixien en paral·lel: si un ho feia en direcció 5' → 3' l'altre ho havia de fer en direcció 3' → 5', la qual cosa era impossible d'explicar, ja que cap DNA-polimerasa treballa en aquesta direcció.

El 1968, el descobriment que va fer Okazaki d'uns fragments constituïts per uns cinquanta nucleòtids de RNA i uns mil o dos mil nucleòtids de DNA va donar la solució al dilema. Aquests fragments, anomenats fragments d'Okazaki, són sintetitzats per l'RNA-polimerasa, que no necessita encebador, i després per la DNA-polimerasa, en direcció 5' → 3' sobre diferents regions del filament patró. Més tard, sense moure's, després de perdre la seva porció d'RNA, es poden fusionar entre si, fins que poden arribar a fer la sensació que el nou filament de DNA creix en direcció 3' → 5'. És una cosa molt semblant al que passa a la cua d'entrada d'un espectacle: l'acumulació de persones que caminen cap endavant en fila índia forma una cua que creix cap enrere.

3. El mecanisme de la duplicació del DNA

La duplicació del DNA presenta algunes diferències en bacteris i en eucariotes.

3.1 El mecanisme de la duplicació del DNA en bacteris

Duplicació:

• Helicases
• Topoisomerases
• Proteïnes SSB
• RNA polimerasa primasa
• DNA polimerasa III (conductor)
• DNA polimerasa I (3' → 5' exonucleasa) RNA-DNA
• DNA lligasa (unir fragments d'Okazaki) DNA-DNA

- Hi ha una seqüència de nucleòtids al DNA (origen de la replicació), que actua com a senyal d'iniciació de tot el procés de duplicació.

- El procés s'inicia amb l'enzim helicasa, que trenca els ponts d'hidrogen. Com que el desenrotllament de la doble hèlix dóna lloc a superenrotllaments en la resta de la molècula, capaços d'aturar el procés, cal l'acció de topoisomerases que eliminen les tensions de la fibra.

- A continuació, hi intervenen les proteïnes estabilitzadores (SSB), les quals mantenen la separació dels dos filaments complementaris. D'aquesta manera s'inicia la formació de la forqueta de replicació.

- El procés és bidireccional (una helicasa treballa en un sentit, i l'altre en el sentit oposat). Les dues forquetes de replicació formen les bombolles o ulls de replicació.

- Ara hi intervé una RNA-polimerasa, anomenada primasa, que sintetitza un fragment curt de RNA format per uns deu nucleòtids, anomenat primer, que actua com a encebador.

- Després hi intervé la DNA-polimerasa III, que, a partir del primer comença a sintetitzar en direcció 5' → 3'. Els mateixos nucleòtids, que perden dos dels seus grups fosfat, aporten l'energia necessària per al procés. Aquest nou filament és de creixement continu, ja que l'helicasa no s'atura, i s'anomena filament conductor.

- Sobre l'altre filament, que és antiparal·lel, l'RNA-polimerasa (primasa) sintetitza un filament d'uns quaranta nucleòtids d'RNA. A partir d'aquests, la DNA-polimerasa I, que té la funció exonucleasa, retira els segments d'RNA, i després amb la funció polimerasa, omple els buits amb nucleòtids de DNA. Finalment, hi intervé la DNA-lligasa, que uneix els fragments d'Okazaki. Així doncs, aquest filament és de creixement discontinu. Com que necessita que es desespiralitzi un segment d'uns quants milers de nucleòtids perquè se n'iniciï la síntesi, tarda més a créixer que l'altre, i per això s'anomena filament retardat.

- El procés continua d'aquesta manera fins a la duplicació total del DNA. El creixement és bidireccional, cadascun dels nous filaments està sintetitzat, en part, de forma contínua i, en part, de forma discontínua. Tan sols en alguns casos excepcionals, els dos filaments del DNA poden créixer de forma discontínua.

3.2 El mecanisme de la duplicació del DNA en eucariotes

És un procés semblant al que se segueix en els bacteris, però cal destacar dues diferències:

- El DNA dels eucariotes està força associat a histones. Durant la replicació, el filament que serveix de patró al filament conductor es queda les histones i tots dos s'enrotllen sobre els octàmers antics. El filament que serveix de patró al retardat i el retardat es cargolen sobre nous octàmers d'histones que arriben als llocs de replicació per formar altres nucleosomes.

- Tenint en compte que la longitud del DNA d'un cromosoma eucariòtic és molt més gran que el DNA bacterià i que, segurament per la presència d'histones, el procés és bastant més lent, en cada DNA d'un cromosoma no hi ha un sol origen de replicació, sinó aproximadament un centenar. S'hi formen unes cent bombolles de replicació, que es distribueixen irregularment, i així hi ha regions amb moltes bombolles i regions amb molt poques. S'activen de manera coordinada i constitueixen les unitats de replicació o replicons. Cal destacar també, que els fragments d'Okazaki són més petits, d'uns cent o dos-cents nucleòtids, i que el procés de replicació es duu a terme durant el període S de la interfase, que dura, aproximadament, de sis a vuit hores.

4. El mecanisme de la transcripció

La transcripció és el pas d'una seqüència de DNA a una seqüència d'RNA, tant si és RNAm com RNAr o RNAt. Per fer-ho, hi intervenen el DNA, ribonucleòtids trifosfat de A, C, G i U, les RNA-polimerases (RNAp) i els cofactors. Se'n poden distingir dos mecanismes diferents, segons si es tracta de bacteris o de cèl·lules eucariotes.

4.1 La transcripció en procariotes

Els bacteris només tenen un tipus d'RNA-polimerasa (primasa). En el cas de la síntesi d'RNAm es distingeixen les etapes següents.

INICIACIÓ: abans de cada regió de DNA que es transcriu, l'anomenada unitat de transcripció, hi ha una regió de DNA que no es transcriu, anomenada promotor. El promotor conté unes seqüències de nucleòtids, anomenades seqüències de consens, a les quals s'associa l'RNA-polimerasa i el primer nucleòtid que serà transcrit. El promotor determina quina de les dues cadenes ha de ser transcrita i, de vegades, és comú a diversos gens. Una vegada l'RNA-polimerasa s'ha fixat sobre el promotor, desenrotlla aproximadament una volta d'hèlix, i inicia la polimerització d'RNA seguint un dels dos filaments del DNA, l'anomenat filament patró.

ELONGACIÓ: el procés continua a raó d'uns quaranta nucleòtids per segon. A mesura que l'RNA-polimerasa recorre el filament de DNA patró cap a l'extrem 5', se sintetitza un filament d'RNA en direcció 5' → 3'.

Exemple de transcripció:

seqüència de DNA: 3' ... TACGCT ...5'

seqüència d'RNAm: 5' ... AUGCGA ...3'

FINALITZACIÓ: es produeix quan l'RNA-polimerasa arriba a una seqüència anomenada terminador. Aleshores se separa i el DNA torna a formar la doble hèlix.

MADURACIÓ: si el que se sintetitza és un RNAm, no hi ha maduració; en canvi, si és un RNAt o un RNAr, hi ha un transcrit primari, que després sofreix un procés de tall i empalmament similar al que s'explica per als eucariotes.

4.2 La transcripció en eucariotes

En primer lloc cal ressaltar que hi ha tres tipus d'RNA-polimerasa, segons el tipus d'RNA que s'ha de sintetitzar. En segon lloc, cal destacar que els gens estan fragmentats de manera que sempre cal un procés de maduració en el qual s'eliminin les seqüències sense sentit o introns i s'empalmin les seqüències amb sentit o exons. Excepcionalment hi ha gens, com els de les histones, que no presenten introns. Finalment, cal recordar que en els eucariotes el DNA està associat a histones i forma nucleosomes. S'ha observat que en gens que es transcriuen contínuament (com els de l'RNAr), el DNA sempre està estès, en altres sempre està, aparentment, en forma de nucleosomes, i en altres hi ha transició a la forma estesa tan sols durant la transcripció. En el cas de la síntesi d'RNAm es distingeixen les etapes següents:

INICIACIÓ: hi ha una regió del DNA anomenada regió promotora, on es fixa l'RNA-polimerasa II, que consta de dos senyals anomenats seqüències de consens: la CAAT i la TATA, a diferents distàncies del punt d'inici. Perquè es pugui fixar l'RNA-polimerasa, abans s'han de fixar en aquestes seqüències unes proteïnes anomenades factors de transcripció. Tot el conjunt rep el nom de complex d'iniciació de la transcripció.

ELONGACIÓ: el procés de la síntesi continua en sentit 5' → 3'. Al cap de trenta nucleòtids transcrits s'afegeix una caputxa constituïda per una metilguanosinatrifosfat invertida (m⁷Gppp...) a l'extrem 5'. Un mateix gen pot ser transcrit per diverses RNA-polimerases a la vegada, una darrere de l'altra.

FINALITZACIÓ: es produeix quan s'arriba a la seqüència TTATTT del DNA. A continuació, hi intervé l'enzim poli-A-polimerasa, que afegeix a l'extrem final 3' un segment d'uns 200 ribonucleòtids d'adenina, l'anomenada cua de poli-A, al transcrit primari o pre-RNAm, també anomenat RNA heterogeni nuclear (RNAhn).

MADURACIÓ: es produeix al nucli. Un enzim anomenat ribonucleoproteïna petita nuclear (RNPpn), que és un complex de proteïna i RNApn, és el que duu a terme la maduració. Diverses RNPpn s'associen entre si i amb proteïnes, i formen una estructura gairebé de la mida d'un ribosoma anomenada espliceosoma. Aquesta és la que separa els introns gràcies al fet que l'RNApn conté unes seqüències que són complementàries de les dels dos extrems dels introns. Quan s'associen, l'intró es corba i es desprèn. A continuació, actuen unes RNA-lligases específiques que empalmen els exons. L'RNAt i l'RNAr també presenten processos de maduració. En l'RNAt cal destacar l'addició del triplet CCA a l'extrem 3'. La maduració de l'RNAr s'inicia amb l'RNA nucleolar (RNAn), tal com s'ha explicat en l'apartat sobre els àcids nucleics.

5. La clau genètica

La interpretació de la clau genètica, és a dir, la relació que hi ha entre la seqüència de nucleòtids i la seqüència d'aminoàcids, es va aconseguir a partir dels descobriments següents:

- El 1955, Severo Ochoa i Grunberg-Manago van aïllar l'enzim polinucleòtid fosforilasa, capaç de sintetitzar RNAm sense necessitat de model i a partir de qualsevol tipus de nucleòtids que hi hagués al medi. Així, a partir d'un medi en el qual tan sols hi havia UDP, se sintetitzava un RNAm en el qual únicament es repetia UMP, l'anomenat poli-U (... UUUUUU ...).

- El 1961, Nirenberg va disposar una sèrie de vint tubs amb els vint aminoàcids proteics en cadascun. A cada tub hi havia un aminoàcid diferent marcat amb ¹⁴C. A tots i cadascun dels tubs va afegir el poli-U i tots els elements necessaris per a la síntesi proteica. Va observar que tan sols apareixia un polipèptid radioactiu al tub on s'havia marcat la fenilalanina. A partir d'un poli-C en va identificar la col·linearitat amb la prolina. A partir d'un poli-G no va obtenir resultats satisfactoris i a partir d'un poli-A va obtenir un polímer de lisines. Com que tan sols hi ha quatre tipus de nucleòtids i com que hi intervenen vint tipus d'aminoàcids, la col·linearitat no es podia establir d'un en un, ni entre doblets de nucleòtids, sinó, com a mínim, entre triplets de nucleòtids i aminoàcids.

- Posteriorment, i amb mescles proporcionades de diferents ribonucleòtids difosfat, es va acabar de deduir la clau genètica i es va confirmar que la col·linearitat es devia establir entre els triplets de nucleòtids i els aminoàcids.

L'expressió "codi de la vida" va passar de ser una metàfora i una hipòtesi de treball útil a una realitat verificada experimentalment.

En la clau genètica es pot observar que per a alguns aminoàcids hi ha diversos triplets. Generalment difereixen en un sol nucleòtid (per exemple, UAU, UAC són Tyr). Aquesta situació s'anomena degeneració de la clau genètica i representa un avantatge, ja que, encara que es produís un error en la còpia d'un nucleòtid, continuaria la col·linearitat entre el triplet i l'aminoàcid.

D'altra banda, si tan sols hi hagués vint triplets que fossin traduïbles, hi hauria 44 triplets (64 - 20 = 44) sense sentit, i un simple error en un nucleòtid d'un triplet probablement el convertiria en un triplet sense sentit, i així s'interrompria la biosíntesi.

Amb la clau actual simplement hi hauria un aminoàcid diferent i això, tret que pertanyi al centre actiu d'un enzim, no és perillós.

6. La traducció o biosíntesi de les proteïnes

6.1 Activació dels aminoàcids

Els aminoàcids, en presència de l'enzim aminoacil-RNAt-sintetasa i d'ATP, tenen la capacitat d'associar-se i donar lloc a un aminoacil-RNAt, de manera que s'alliberen AMP, PP_i i queda lliure l'enzim, que després torna a actuar. La unió de l'aminoàcid al seu RNAt específic es duu a terme entre el seu grup carboxil (- COOH) i el radical - OH de l'extrem 3' del RNAt.

6.2 Traducció

INICIACIÓ DE LA SÍNTESI: l'RNAm s'uneix a una subunitat ribosòmica petita gràcies a una seqüència inicial anomenada regió líder, que no es tradueix, en la qual hi ha
uns deu nucleòtids complementaris amb l'RNA ribosòmic. A aquests s'hi associa un aminoacil-RNAt iniciador específic, que presenta l'anticodó 3' ...UAU... 5' i que porta
l'aminoàcid metionina en les cèl.lules eucariotes i l'aminoàcid formilmetionina en les procariotes. Després, la subunitat petita es mou repecte a l'RNAm fins que troba
el codó d'iniciació que és 5' ...AUG... 3'. Aleshores s'estableixen enllaços d'hidrogen entre el codó 5' ...AUG... 3' i l'anticodó 3' ...UAC... 5'. A aquest grup de molècules
s'uneix la subunitat ribosòmica gran, i així es forma el complex ribosomal o complex actiu. Aquest procés necessita energia, que és aportada per un GTP i unes
proteïnes anomenades factors d'iniciació. En el complex ribosomal es diferencien tres llocs d'unió o centres:

- El centre peptidil o centre P, on se situa el primer aminoacil-RNAt;
- El centre acceptor o centre A, on se situen els aminoacils-RNAt següents;
- El centre de sortida o centre E, on se situa l'RNAt sense aminoàcid.

La iniciació de la síntesi presenta algunes diferències entre procariotes i eucariotes. En les cèl.lules procariotes l'RNAm no experimenta maduració. Fins i tot abans
d'acabar-se la síntesi, ja es comença a traduir. En les eucariotes, l'RNAm se sintetitza al nucli i abans de sortir experimenta un procés de maduració. A l'extrem 5'
porta una caputxa constituïda per una metilguanosinatrifosfat, que permet que els ribosomes la identifiquin, i a continuació es troba l'anomenada regió líder, que no
es tradueix.
L'RNAm, si és prou llarg, pot der traduït per uns quants ribosomes alhora, un rere l'altre. Si s'examinen amb el microscopi electrònic. s'observa una mena de rosari
de ribosomes que s'anomena poliribosoma.

ELONGACIÓ DE LA CADENA POLIPEPTÍDICA: el primer triplet que es tradueix és l'AUG, que correspon a l'aminoàcid metionina. Al centre A arriba el segon
aminoacil-RNAt. El radical carboxil de l'aminoàcid iniciador (metionina) s'uneix amb el radical amino de l'aminoàcid següent per mitjà d'un enllaç peptídic. L'enzim
peptidiltransferasa catalitza aquesta unió. Així doncs, el centre P queda ocupat per un RNAt sense aminoàcid. Aleshores es produeix la translocació ribosomal i
aquest RNAt passa a ocupar el centre E i surt del ribosoma. El dipeptidil-RNAt ara queda al centre P i el centre acceptor A queda lliure en espera d'un nou
aminoacil-RNAt. Aquest procés necessita energia, que aporta un GTP, unes proteïnes anomenades factors d'elongació, i es repeteix en cada un dels codons
següents. En els procariotes es tradueix un codó per dècima de segon.

FINALITZACIÓ DE LA SÍNTESI: el final de la síntesi està determinat pels anomenats triplets sense sentit, que són tres: UAA, UAG i UGA. No hi ha cap RNAt l'anticodó
del qual en sigui complementari. En canvi, són reconeguts pels factors proteics d'alliberació (FR), que necessiten consumir GTP per actuar. S'instal.len sobre el centre
A i provoquen que la peptidiltransferasa faci interaccionar el darrer grup - COOH amb l'aigua, amb la qual cosa la cadena polipeptídica queda alliberada. A continuació,
l'RNAm i les dues subunitats ribosomals se separen.

6.3 Associació de diverses cadenes polipeptídiques per constituir les proteïnes
A mesura que la cadena polipeptídica es va sintetitzant, aquesta va adoptant una determinada estructura secundària i terciària mitjançant els enllaços per pont
d'hidrogen i els enllaços disulfur, respectivament.
Després d'aabar la traducció, hi ha proteïnes enzimàtiques que ja són actives i d'altres que necessiten eliminar alguns aminoàcids per ser-ho. Alguns enzims
necessiten associar-se a ions o a coenzims per ser eficaços. Les proteïnes poden estar constituïdes per una cadena polipeptídica o per diverses subunitats. Les
subunitats poden ser iguals o desiguals, segons si provenen del mateix gen o de gens diferents.

CÈL.LULES PROCARIOTES
1. El DNA no està enrotllat formant nucleosomes i, per tant, no necessita desenrotllar-se per ser ''llegit''.
2. Tan sols hi ha una bombolla de replicació. Els fragments d'Okazaki tenen de 1000 a 2000 nucleòtids.
3. Els gens són continus.
4. La transcripció es fa al citosol (en nucleoide o DNA està immers al citosol).
5. Hi ha un sol enzim RNA-polimerasa sigi quin sigui el tipus de RNA que s'ha de sintetitzar.
6. L'RNAt i l'RNAr procedeixen d'un transcrit primari madurat (talls i empalmaments). L'RNAm, a diferència de l'eucariòtic, se sintetitza directament, sense
maduració prèvia (no hi ha addició de caputxa, ni eliminació d'introns ni addició de cua de poli-A).
7. La traducció de l'RNAm s'inicia abans que acabi de ser sintetitzat.
8. Els ribosomes reconeixen l'RNAm gràcies al fet que la regió líder conté una seqüència que es completa amb l'RNA ribosòmic.
9. L'RNAm pot ser policistrònic, és a dir, dóna lloc a més d'una proteïna.
10. El primer aminoàcid de la cadena és la formilmetionina.

CÈL.LULES EUCARIOTES
1. El DNA està enrotllat i forma nucleosomes, per la qual cosa generalment s'ha de desenrotllar.
2. Hi ha moltes bombolles de replicació o replicons. Els fragments d'Okazaki tenen de 100 a 200 nucleòtids.
3. Sovint els gens no són continus, sinó que presenten introns intercalats.
4. La transcripció es fa a l'interior del nucli.
5. Cada tipus d'RNA és sintetitzat per un dels tres tipus d'enzims RNA-polimerases.
6. Tots els transcrits primaris experimenten maduració, però tan sols al preRNAm hi ha addició d'una caputxa (un mGTP invertit) a l'extrem 5', eliminació dels introns
i addició de cua de poli-A.
7. L'RNAm ha d'anar des del nucli fins al citosol, on es duu a terme la traducció.
8. Els ribosomes reconeixen l'RNAm gràcies a la caputxa.
9. L'RNAm sempre és monocistrònic, és a dir, dóna lloc a només una proteïna.
10. El primer aminoàcid de la cadena és la metionina.

7. La regulació de l'expressió genètica
Les cèl.lules no estan constantment sintetitzant tots els tipus de proteïnes sobre les quals tenen informació. Si fos així, es produiria un caos metabòlic. Així doncs,
és evident que ha d'existir un sistema de regulació. Com que la quantitat de proteïnes sintetitzades depèn directament de la quantitat d'RNAm present al citoplasma,
i com que la mitjana de vida d'aquest és molt curta (minuts), la quantitat d'RNAm sintetitzat regula els nivells enzimàtics del medi. Per tant, n'hi ha prou de regular la
síntesi d'RNAm. Aquesta depèn, en els procariotes, del substrat disponible, i en les cèl.lules eucariotes dels organismes pluricel.lulars, de l'ambient hormonal del medi
intern. Precisament en bacteris es va descobrir el model de control negatiu o de l'operó, i de control positiu o per AMP cíclic (AMPc).

7.1 L'operó
ESTABLIMENT DEL MODEL DE L'OPERÓ: el descobriment de com es controla la síntesi de RNAm es va iniciar a partir de l'anomenat efecte glucosa que va observar
J. Monod el 1947. Si a un medi de cultiu bacterià de l'Escherichia coli amb lactosa s'hi afegeix glucosa, el nivell de l'enzim B-galactosidasa disminueix sensiblement,
i passa de 4000 a 5 molècules per cèl.lula. Aquesta disminució és lògica, ja que per aconseguir glucosa ja no cal desdoblar la lactosa en glucosa i galactosa, reacció
que catalitza la B-galactosidasa. Els enzims tan sols apareixen quan són necessaris i després són degradats. Posteriorment, durant els anys cinquanta, Jacob i Monod,
mentre treballaven amb l'Escherichia coli, van descobrir que els enzims reprimits en l'experiment anterior eren tres: la B-galactosidasa, la B-galactosidpermeasa i la
B-galactosidtransacelitasa. Els tres enzims estan relacionats amb el metabolisme de la lactosa. D'aquest fet es va concloure que el substrat (glucosa) no tan sols
reprimia un enzim, sinó tot el conjunt d'enzims que intervenen en una mateixa via metabòlica. El 1961, Jacob i Manod van proposar un model anomenat operó, qu explica
com s'efectua en control de la biosíntesi proteica. En aquest model es diferencien dos tipus de gens: els gens estructurals i els gens reguladors. Els gens estructurals
són els codifiquen les proteïnes estructurals i les proteïnes enzimàtiques. Els gens reguladors, són els que codifiquen les proteïnes que tenen com a missió controlar
l'activitat dels gens estructurals. Aquestes proteïnes s'anomenen repressores.

FUNCIONAMENT DE L'OPERÓ: en l'operó lac de l'Escherichia coli hi ha un sol gen regulador i tres gens estructurals. Aquests es troben contiguts i es transcriuren
tota alhora. Al costat del primer gen estructural que es transcriu hi ha dues zones específiques: la zona promotosa, que és on es fica l'RNA-polimerasa, i la zona operadora,
que és on es fica el repressor. En l'operó lac, el repressor produït pel gen regulador i s'associa a la zona operadora i impedeix que l'RNA-polimerasa, que es troba a la zona
promotora, transcrigui els gens estructurals. Aquest operó funciona segons el sistema d'inducció enzimàtica, ja que hi ha unes molècules anomenades inductores, que en
aquest cas són les molècules de lactosa, que, en associar-se amb els repressors, els provoquen unes alteracions a l'estructura. A causa d'això, aquests repressors perden
afinitat per la zona operadora, i l'RNA polimerasa, com que no troba obstacles per actuar, transcriu els gens estructurals. Hi ha altres operons que funcionen segons el
sistema de repressió enzimàtica, també anomenat repressió per producte final. Per exemplem l'operó his de l'Escherichia coli, és el responsable de la síntesi de la
histidina. En aquest tipus de regulació, el repressor en estat normal és inactiu, per la qual cosa es fabriquen constantment els enzims necessaris per produir la histidina;
però si apareix una altra molècula específica anomenada corepressos, en aquest cas la pròpia histidina, el repressor es torna actiu i el complex repressor-corepressor es
fixa sobre la zona operadora, impedeix el pas a l'RNA-polimerasa i es reprimeix la síntesi d'histidina. Al laboratori es comprova que si s'afegeix histidina al medi,
desapareixen tots els enzims necessaris per a aquesta síntesi.

7.2 El control de la biosíntesi proteica per AMP cíclic
A més del control de la biosíntesi a càrrec de l'operó, s'ha descrit un altre tipus de regulació: la regulació per l'AMP cíclic. Aquesta molècula la forma, a partir de
l'ATP, l'enzim adenilciclasa, situat a la cara interna de la menbrana citoplasmàtica.
L'AMPc, per actuar, necessita l'acció de la proteïna anomenada proteïna activadora del catabòlit (CAP). El complex CAP-AMPc té una gran afinitat per una zona
que hi ha al promotor, anterior al lloc on se situa l'RNA-polimerasa. Sembla que, sense la seva presència, l'RNA-polimerasa que origina l'RNAm que informa dels
enzims que metabolitzen la lactosa té moltes dificultats per associar-se al seu lloc a la zona promotora.
S'ha comprovat que, quan augmenta el nivell de glucosa a la cèl.lula, disminueix el nivel d'AMPc. Això està motivat perquè la glucosa, quan travessa la membrana
plamàtica, passa a glucosa-6-fosfat i el grup fostat és aportat per l'ETP.Com que l'ATP es gasta en això, en queda poc per ser convertit en AMPc i, per tant, no es
forma prou complex CAP-AMPc. Per aquest motiu, l'RNAp no es pot fixar i, per tant, no es produeixen els enzims per al metabolisme de la lactosa. Això implica
l' ''efecte glucosa'' esmentat abans, que no quedava aclarit en el model de l'operó. Així doncs, tan sols quan s'esgota la glucosa, i a més hi ha presència de lactosa,
el bacteri produeix els enzims per metabolitzar aquesta lactosa.

7.3 El control de l'expressió gènica en eucariotes
Les cèl.lules dels organismes eucariòtics pluricel.lulars amb teixits diferenciats responen sobretot a les variacions hormonals del medi intern. En aquestes, les
hormones provoquen respostes similars a les que el substrat provoca en bacteris. Encara que totes les cèl.lules tenen el mateix DNA, no en totes es manifesta
la mateixa informació, i aquí hi ha la clau de la diferenciació cel.lular. Per exemple, els gens de l'hemoglobina tan sols s'expressen en els eritròcits.
Els segments de DNA que es troben molt condesats no s'expressen, mentre que els que estan estesos, fins i tot sense formar nucleosomes i facilitant l'acció
de l'RNA-polimerasa, seran els que es transcriuran. Segons les zones que queden condensades, apareix, durant el desenvolupament embrionari, la diferenciació
cel.lular, i amb aquesta, l'organogènesi o formació d'òrgans a l'embrió. Segons el tipus de cèl.lula, hi haurà uns receptors de membrana o una altres i, per tant, tan
sols unes seran cèl.lules respecte d'unes hormones determinades. El control de l'expressió gènica deguda a les hormones difereix segons si es tracta
d'hormones lipídiques o proteiques.

- Les hormones lipídiques, com ara les esteroides, gràcies a la seva composició travessen molt fàcilment la membrana citoplasmàtica. en el citoplasma s'uneixen a
proteïnes receptores intracel.lulars i formen complexos ''hormona-receptor'' (H-R), que es dirigeixen el nucli. Allà es fixen sobre seqüències determinades del DNA
i indueixen la transcripció de determinats gens, segurament facilitant la descondensació d'unes zones de DNA. Per exemple, les hormones anabolitzants
provoquen la síntesi de proteïnes musculars.

- Les hormones proteiques, atesa la mida de les seves molècules, no poden travessar directament la membrana citoplasmàtica. Per fer-ho, s'uneixen a proteïnes
receptores específiques de la membrana i es forma el complex H-R. Aquest procés provoca que l'enzim adenilciclasa que es troba a la cara interna de la membrana
citoplasmàtica s'activi i passi l'ATP AMPc, que és l'anomenat segon missatger (l'hormona rep el nom de primer missatger). L'AMPc es dirigeix al nucli i activa les
proteïnes reguladores de la transcripció.

D'acord amb aquest mecanisme, l'hormona no necessita penetrar a la cèl.lula, simplement estableix contacte amb la membrana per estimular la formació d'AMPc,
que s'erigeix com a mitjancer dels efectes biològics de l'hormona a l'interior cel.lular.