La replicació, transcripció i traducció de l'ADN

Duplicació de l’ADN en procariotes

La duplicació de l’ADN circular i tancat d’un bacteri o procariota és duta a terme pel complex enzimàtic anomenat ADN polimerasa. Els bacteris tenen dos tipus principals, entre d’altres, que són l’ADN polimerasa I i l’ADN polimerasa III. L’ADN polimerasa uneix nucleòtids a gran velocitat; és a dir, polimeritza (uneix) nucleòtids.

El procés segueix els següents passos:

• a) L’ADN polimerasa reconeix el punt d’inici de la replicació, que és una seqüència específica del seu ADN (per exemple, en E. coli s'anomena OriC).
• b) Es trenquen els ponts d’hidrogen entre bases complementàries i s’obren les dues cadenes mitjançant helicases que desenrosquen l’hèlix.
• c) Es col·loquen unes proteïnes estabilitzadores (SSB) per evitar que l’hèlix es torni a formar.
• d) En aquest moment s’observa un ull de replicació amb dues forquetes de replicació.
• e) A partir del punt d’inici de replicació, es copiaran de forma complementària i bidireccional les dues cadenes d’ADN, de manera que s'obtindran quatre cadenes per cada ull de replicació. Com que la cadena motlle i la cadena nova sintetitzada han de ser antiparal·leles i l’ADN polimerasa només pot unir nucleòtids en sentit 5' → 3':
  • Dues de les quatre cadenes sintetitzades es poden fer directament en el sentit 5' → 3' (aquestes s’anomenen cadenes conductores) i són sintetitzades de manera contínua.
  • En canvi, les altres dues cadenes no es poden sintetitzar de manera contínua partint del punt d’inici; l’ADN polimerasa necessita situar-se a uns mil nucleòtids avall i, des d'allà, sintetitzar la cadena en l’únic sentit que pot (5' → 3'). Aquestes cadenes es sintetitzen en petits fragments d’ADN anomenats fragments d’Okazaki, que s'uniran posteriorment. Aquestes s’anomenen cadenes endarrerides perquè es sintetitzen de forma discontínua.
• f) A més, l’ADN polimerasa és incapaç d'iniciar la síntesi de cap de les cadenes per si sola. Necessita l’ajuda d’una ARN polimerasa anomenada primasa, que inicia totes les cadenes polimeritzant un trosset d’uns 10-40 nucleòtids d’ARN anomenat encebador o primer. Posteriorment, aquests fragments d’ARN seran eliminats i substituïts per ADN, i una lligasa unirà tots els fragments.

La replicació, tant en procariotes com en eucariotes, és semiconservativa, ja que cada cèl·lula filla tindrà una cadena d’ADN preexistent i una cadena de nova formació.

Diferències entre eucariotes i procariotes

• Els eucariotes presenten més tipus d'ADN polimerases que els procariotes.
• Els fragments d'Okazaki són més curts en eucariotes.
• Atès que l’ADN d’un bacteri té una longitud aproximada d’1 mm i la d’un eucariota d'uns 50 mm, calen molts més punts d’inici de la replicació en els eucariotes (entre 50 i 100 per cada fibra de cromatina), mentre que en procariotes només n'hi ha un.

Activitat autocorrectora i reparació de l’ADN

L’ADN polimerasa té la capacitat de repassar els nucleòtids que ha polimeritzat, eliminar-los i substituir-los si ha comès un error. Tot i aquesta activitat autocorrectora, poden quedar errors o mutacions, les quals són importants perquè incrementen la variabilitat genètica i afavoreixen els canvis evolutius.

De manera natural, l’ADN necessita reparar-se perquè experimenta:

• Pèrdues de bases púriques (Adenina i Guanina).
• Creació de ponts d’hidrogen entre Timines contigües.
• Conversió de la Citosina en Uracil.

Transcripció

Consisteix a fer una còpia complementària a la seqüència d’un gen (d’ADN) en format ARN. Aquest procés té lloc al nucli dels eucariotes. L’ARN que es forma s'anomena transcrit i pot ser:

• mRNA (ARN missatger): codifica proteïnes.
• tRNA (ARN de transferència) i rRNA (ARN ribosòmic): no es tradueixen, sinó que formen part de l'estructura de síntesi.

La transcripció té lloc en tres fases:

• a) Iniciació: L’ARN polimerasa reconeix una seqüència anomenada promotor, obre la doble hèlix i comença a polimeritzar nucleòtids d’ARN.
• b) Elongació: La cadena d’ARN s'allarga en sentit 5' → 3'.
• c) Finalització: Quan l’ARN polimerasa arriba a una seqüència de stop, es desenganxa i s’acaba el procés.

Fases de la traducció

Podem distingir les següents etapes:

• a) Fase d’activació del tRNA: Consisteix a unir un aminoàcid a l'extrem 3’ del tRNA. L’enzim aminoacil-tRNA sintetasa uneix l’aminoàcid consumint ATP.
• b) Iniciació: Unió de l’mRNA a la subunitat petita del ribosoma, unió del primer aminoacil-tRNA (metionina) i acoblament de la subunitat gran.
• c) Elongació: L'entrada de nous aminoacil-tRNA al lloc A, formació de l'enllaç peptídic i desplaçament del ribosoma en sentit 5' → 3'.
• d) Finalització: En arribar a un codó STOP, s’allibera la proteïna i es separen els components.

Mutacions

Una mutació és un canvi en el material genètic d’un individu. Es classifiquen segons:

• El tipus de cèl·lula:
  • Somàtiques: Afecten cèl·lules no sexuals i no són heretables.
  • Germinals o meristemàtiques: Afecten els gàmetes o cèl·lules de creixement vegetal i poden heretar-se.
• L'abast de la mutació:

Mutacions puntuals

Afecten uns quants nucleòtids d’un gen:

• a) Deleccions: Pèrdua de nucleòtids.
• b) Addicions: Inserció de nucleòtids.
• c) Substitucions: Una base és substituïda per una altra (ex: fenilcetonúria, on no es pot metabolitzar la fenilalanina).

Mutacions cromosòmiques o estructurals

Afecten fragments sencers d'un cromosoma:

• a) Delecció: Pèrdua d’un fragment (ex: síndrome del miol del gat al cromosoma 5).
• b) Addicions: Duplicació de fragments (ex: gens de les histones).
• c) Inversions: Un fragment s’uneix de forma invertida.
• d) Translocacions: Intercanvi de fragments entre cromosomes (ex: cromosoma Filadèlfia).

Causes de les mutacions

Poden ser degudes a:

• Errors durant la replicació (taxa de 10⁻⁵ a 10⁻⁹).
• Errors durant l'autocorrecció de l’ADN polimerasa.
• Errors en la separació de cromosomes durant la divisió cel·lular.
• Inestabilitat química de l’ADN.

Tot i els efectes perjudicials, les mutacions incrementen la variabilitat genètica i possibiliten l'evolució.