02 la informació genètica

LA INFORMACIÓ GENÈTICATEMA 2

ELS ÀCIDS NUCLEICS

Els àcids nucleics emmagatzemen i transmeten la informació genètica. Són macromolècules formades per la unió d’unes unitats més senzilles anomenades nucleòtids.

Un nucleòtid està format per tres subunitats:

• un grup fosfat – fòsfor i oxigen. (àcid ortofosfòric)

• un glúcid - un monosacàrid (ribosa o desoxiribosa) – 5 àtoms de carboni (pentosa)

• una base nitrogenada: Adenina (A), Guanina (G), Citosina (C), Timina (T) i Uracil (U)

TIPUS DE BASES NITROGENADES

Púriques - 2 anells - Adenina i Guanina)

Pirimidíniques - 1 anell - Citosina, Timina i l’Uracil)

Els polinucleòtids

Formen llargues cadenes

L’àcid fosfòric d’un nucleòtid està unit a la pentosa del següent per mitjà d’un enllaç

En cada polinucleòtid el grup fosfat i la pentosa són sempre iguals, però varia la seqüència de bases nitrogenades.

La gran longitud de les cadenes de polinucleòtids i les múltiples combinacions segons les quals es poden ordenar les bases nitrogenades fan que el nombre de molècules diferents d'àcids nucleics sigui gairebé infinit.

però la T només a l’ADN

i l’U només a l’ARN

ÀCIDS NUCLEICS:

ADN i ARN, que són polímers formats per la unió de unes unitats bàsiques anomenades nucleòtids.

A, G i C es troben tant a l’ARN com a l’ADN,

L’ADN

L’ADN va ser aïllat per primera vegada el 1869 per Friederich Miescher, contemporani als estudis de Mendel i Darwin.

L’any 1914, Feulgen, va veure que l’ADN es trobava a totes les cèl·lules i en els cromosomes.

L’any 1943, Avery et al, va descobrir que l’ADN d’una soca virulenta d’un bacteri es podria transmetre a una soca no virulenta i canviar el seu comportament patològic.

Més tard es va veure la importància dels cromosomes en les cèl·lules somàtiques (diploides) i les cèl·lules sexuals (haploides)

Conclusions: L’ADN varia entre espècies – les cèl·lules d’un teixit tenen el mateix ADN – l’ADN no varia ni amb l’edat, nutrició ... PERÒ EL LLENGUATGE GENÈTIC ÉS IDÈNTIC PER A TOTS ELS ÉSSERS VIUS!!!!!!!!!!!!!!

L’ADN conté tota la informació necessària perquè un ésser viu funcioni i es desenvolupi.

Watson i Crick proposaren un model que estigués d’acord amb els coneixements sobre el comportament i propietats de l’ADN.Caracterísitques:

• L’ADN és un molècula molt llarga i prima formada per dues cadenes de polinucleòtids.

• l’ADN forma una doble hèlix, on les pentoses i els grups fosfat formen l’esquelet extern de l’espiral i les bases nitrogenades es disposen a l’interior.

• les dues cadenes de l’ADN no són idèntiques, tenen sentits oposats (antiparal·leles)

• les bases nitrogenades enfrontades estableixen ponts d’hidrogen (dos ponts entre A i T i 3 ponts entre G i C)

ADN:

nº bases purines = nº bases pirimidines

i el nº A = nº T i el nº C = nº G

La seqüència de bases nitrogenades d’una de les cadenes determina la seqüència de l’altra

http://recursos.cnice.mec.es/biosfera/alumno/2bachillerato/biomol/actividades/videoadn/adn.htm

L’ARN

L’ARN és una macromolècula formada per la unió de nucleòtids (ribosa + ac fosfòric + bases nitrogenades (A,U,C,G)

L’ARN participa en l’expressió de la informació que conté l’ADN per mitjà de la síntesi de proteïnes, que són les que regulen la majoria de processos vitals d’un organisme.

La majoria de molècules que formen l’ARN són monocatenàries, tot i que aquesta única cadena pot formar una doble hèlix doblegant-se sobre si mateixa.

Alguns virus tenen l’ARN com a única molècula de magatzem de la seva informació genètica (virus de la sida)

• ARNm (missatger) que és una fotocòpia d’un tros d’ADN i on s’explica la construcció d’una proteïna

• ARNt (transferència) intervé en la traducció de l’ARNm i en la unió dels aminoàcids

•ARNr (ribosòmic) forma part dels ribosomes, orgànuls de la síntesi proteïca

Existeixen tres tipus bàsics d’ARN:

L’ADN TÉ LA CAPACITAT DE REPLICAR-SE, ÉS A DIR, POT FER CÒPIES IDÈNTIQUES DE SI MATEIX.

Abans que una cèl·lula comenci a dividir-se ha de duplicar el seu ADN (REPLICACIÓ) i sintetitzar una gran quantitat d’histones, per tal de formar els cromosomes fills

La rèplica és un procés que té lloc una sola vegada en cada generació cel·lular i es produeix al final de la interfase a una velocitat de 50 nucleòtids per segon (mamífers)

Existeixen 3 mecanismes possibles de replica:

• hipòtesi conservativa

• hipòtesi semiconservativa (+ acceptada)

• hipòtesi dispersiva

• la replicació comença amb el trencament del ponts d’hidrogen que uneixen les bases nitrogenades. Això provoca la separació dels dos filaments d’ADN.

• cada cadena parental es transforma en un motlle per a la síntesi d’una nova cadena complementària. Uns enzims s’encarreguen de llegir la cadena parental i de la unió dels nucleòtids complementaris.

• a mesura que es van formant les noves cadenes, s’estableixen novament els ponts d’hidrogen i els filaments es van enrotllant. El resultat són dues molècules d’ADN iguals entre si i a la molècula original.

REPLICACIÓ: fotocòpia d’ell mateix

C C A T C G C T A A A G C G T G G A

FORQUETA DE REPLICACIÓ

ADN polimerasa en direcció 5’ — 3’

TCCACGCTTTAGCGATGG

ADN lligasa

La reacció fonamental per a l’addició dels nucleòtids, és la funció que fa l’enzim ADN polimerasa 5’- 3’, unint les pentoses a l’extrem 3’ d’una cadena de DNA.

forquilla de replicació 5’ 3’

FILAMENT CONDUCTOR

FILAMENT RETARDAT fragments de Okazaki - ADN lligasa

Replicacions successives

d’ADN

TOTES TENEN LA MATEIXA INFORMACIÓ

ENZIMS REPARADORS (en cas d’error d’aparellament de nucleòtids)

Les dues cadenes d’ADN formaran cada una, la cromàtida germana d’un cromosoma.

L’ADN, PORTADOR DE LA INFORMACIÓ GENÈTICA

A finals del S XIX era ja conegut que la informació genètica residia en el nucli de la cèl·lula, però es creia que les proteïnes, per la seva complexitat, eren les responsables del seu emmagatzematge.

L’EXPERIMENT DE GRIFFITH

Un factor transformant present en la soca S virulenta morta es transmetia a la soca R viva inofensiva i la convertia en soca S virulenta

L’EXPLICACIÓ D’AVERY

La substància encarregada de transformar els bacteris inofensius en virulents era l’ADN, que determinava la producció o no de la càpsula bacteriana.

De tots els éssers vius!!!

EL CONCEPTE DE GEN

Cada ésser viu presenta uns trets característics, trets que anomenem CARÀCTER.

Els caràcters són heretats dels progenitors, però poden tenir una clara INFLUÈNCIA AMBIENTAL.

S’anomena gen la unitat funcional dels cromosomes que correspon a un segment determinat d’ADN, el qual conté una informació concreta i determinada (caràcter).

EXPERIMENT DE BEADLE I TATUM

UN GEN – UN ENZIM ( UN GEN ---- UNA PROTEÏNA )

Actualment, des del punt de vista de la funció que porta a terme, un gen es defineix com un fragment de l’ADN que duu la informació per sintetitzar una proteïna, necessària perquè s’expressi un caràcter determinat en un individu.

The Nobel Prize in Physiology or Medicine 1958

Els rajos X provoquen mutacions en els enzims de les diferents rutes metabòliques de Neurospora crassa

L’ESTRUCTURA DEL GENOMA

No tots el GENS codifiquen per a proteïnes, ja que molts gens s’encarreguen de regular l’activitat d’altres gens.

A més, l’ADN posseeix fragments dels quals se’n desconeix la seva funció.

El conjunt del material genètic d’un individu s’anomena GENOMA.

CURIOSITATS DEL NOSTRE ADN

Cada cèl·lula del nostre cos disposa d’un nucli que en el seu interior té dues molècules d’ADN, o sigui som individus diploides, on una informació ve del pare i l’altre de la mare.

Aquesta molècula d’ADN tindria una llargària de 2,5 metres, però la trobem 25000 vegades replegada dins del nucli de la nostra cèl·lula eucariota.

Si escrivíssim totes les bases amb les seves lletres respectives aconseguiríem una línia de 5000 Km, o sigui la distància entre Catalunya i Nova York. Si fabriquéssim llibres arribaríem a omplir més de 3000 guies telefòniques.

CURIOSITATS DEL NOSTRE ADN (II)

L’ADN que ens informa sobre les proteïnes només representa un 3% de tota la molècula, o sigui només un 3% s’estima que són gens.

Normalment es parla que en l’ADN hi ha entre 50000 i 100000 gens, tot i que actualment no hi ha mecanismes informàtics eficaços per llegir la seqüenciació que s’ha obtingut amb el projecte del genoma humà.

S’han trobat gens que estan formats per menys de 100 nucleòtids, per tant cercar-los en mig de tanta quantitat de bases és molt dificultós.

A més a més els gens comencen de formes molt peculiars, fins i tot es sobreposen els uns amb els altres, o s’incorporen en introns d’altres gens.

EL GENOMA EN ELS DIFERENTS TIPUS DE CÈL·LULES

• en els organismes procariotes, el genoma està format per un sol cromosoma circular. Alguns bacteris, a més, disposen de plasmidis, que són molècules d’ADN circulars que es repliquen de manera independent al cromosoma bacterià.

• en els organismes eucariotes, la major part del genoma constitueix la cromatina, localitzada al nucli de la cèl·lula. Una latra part de l’ADN es troba als cloroplasts i als mitocondris, i té una estructura semblant al cromosoma bacterià.

LES MUTACIONS

• El material genètic es transmet sense modificacions de generació en generació

Les mutacions són canvis aleatoris que tenen lloc en l’ADN d’un organisme. Constitueixen una font de variabilitat genètica i un motor per a l’evolució de les espècies.

Mutacions espontànies (causes naturals… error en la duplicació ADN, mal repartiment dels cromosomes en la divisió cel·lular…)

Mutacions induïdes (agents físics o químics, radiacions… Agents mutagènics)

Mutació en la Drosophila melanogaster

Una mutació d’un gen provocada per una mala seqüenciació de l’ADN, pot conduir a la inactivació de la proteïna que especificava el gen en qüestió, i depenent de la seva importància, pot conduir a la mort de la cèl·lula, seguida de la desaparició de la mutació en el futur (MUTACIÓ PERJUDICIAL – MUTACIÓ LETAL)

En canvi, si la mutació és en una regió no-essencial, persistirà en el temps, anomenant-se (MUTACIÓ SILENCIOSA).

En casos excepcionals la mutació de la proteïna pot ser beneficiosa, fent que els organismes portadors de la mutació tinguin un avantatge respecte als que no la tenen, i per tant més probabilitats de sobreviure (MUTACIÓ BENEFICIOSA).

SEGONS L’EFECTE SOBRE L’INDIVIDU

Les conseqüències d’aquests errors poden ser dobles:

o l’error en un cèl·lula somàtica i a la pròpia descendència de la cèl·lula en qüestió (MUTACIÓ SOMÀTICA). Poden originar lesions o malalties greus com el càncer.

l’error es troba en els gàmetes. L’individu no la pateix però pot passar a la descendència (MUTACIÓ GAMÈTICA O GERMINAL),

.

SEGONS EL TIPUS DE CÈL·LULES AFECTADES

SEGONS L’EXTENSIÓ DEL MATERIAL GENÈTIC AFECTAT

• gèniques: canvis en la seqüència de nucleòtids d’un gen (m. hereditàries)

• genòmiques: variació en el nombre total de cromosomes del cariotip (m. numèrica)

• cromosòmiques: canvis en l’estrutura interna dels cromosomes (m. estructural)

duplicacions o pèrdues de fragments d’un determinat cromosoma. D’altres vegades el cromosoma pot trencar-se en trossos.

Exemple: delacció d’un cromosoma

Exemple: síndrome de Down o trisomia del cromosoma 21

Exemples: fibrosi quística, anèmia falciforme, polidactília...

La PROGÈRIA

Síndrome de Hutchinson-Gilford

Pàgina web: www.progeriaresearch.org

Ashley quan tenia 7 anys; però el seu cos és com si en tingués

70.

Es considera una malaltia genètica estranya, que pateix un infant de cada 8 milions de bebès.

Els nens pateixen un deficient creixement, amb un cos petit acompanyat d’un cap gran, pell arrugada i calvície. Molts d’ells presenten aterosclerosi.

Aquests nens i nenes acaben tenint totes les patologies típiques de la gent gran, com ara artrosis, problemes respiratoris, embòlies...

A l’edat de l’adolescència solen morir, tot i que alguns arriben als 30 anys

La PROGÈRIA o Síndrome de Hutchinson-Gilford

Malaltia provocada per la mutació d’un gen que en condicions normals hauria de fabricar una proteïna

És una malaltia que s’inicia a la infantesa i que provoca un envelliment ràpid del nen o

nena.

La molècula d’ADN conté un codi amb instruccions per a l’estructura i funció biològiques. Aquestes instruccions són executades per les proteïnes, amb el seu propi llenguatge a partir dels aa, seqüència que determina la seva estructura i la seva funció.

Falta doncs determinar qui és el responsable de traduir l’ADN a la seqüència d’aa que determinarà una proteïna concreta.

Aquí entre ej joc l’ARN, una molècula present en els orgànuls anomenats ribosomes, localitzats en el citoplasma cel·lular, lloc on es produeix la major part de la síntesi proteïca. L’intermediari entre ADN i ribosomes serà l’ARN missatger.

LA INFORMACIÓ GENÈTICA

Els àcids nucleics i les proteïnes es basen en dos llenguatges diferents.

L’ADN està escrit en un llenguatge de quatre lletres (A;T;G;C), on cadascuna de les quals correspon a un nucleòtid.

Les proteïnes utilitzen els vint aminoàcids com a unitats elementals

ELS TRIPLETS O CODONS

La informació que conté l’ADN està organitzada en forma de triplets.

Cada triplet constitueix una de les possibles combinacions de tres nucleòtids.

Un gen no sintetitza de forma directa un polipèptid, cal doncs una descodificació prèvia dels triplets o codons i la formació d’un ARNm

La transcripció

La transcripció és el procés a partir del qual se sintetitza una cadena d’ARNm, que és la còpia d’una de les dues cadenes d’ADN.

ARN polimerasa separa la doble hèlix d’ADN i transcriu segons el principi de complementarietat de bases.

L’ARNm té una llargada de 500 a 10.000 nucelòtids i és monocatenària. En l’ARNm la Timina és substituïda per l’Uracil.

Seqüències específiques de nucleòtids d’ADN són senyals d’iniciació per a la síntesi d’ARNm, són els anomenats promotors. Altres seqüències indiquen el senyal de finalització.

L’ARNm uneix els nous nucleòtids a l’extrem 3’ de la cadena en creixement. L’enzim es mou en direcció 3’— 5’ de l’ADN que fa de motlle i fabrica una nova cadena d’ARN antiparal·lela 5’ --- 3’.

TRANSCRIPCIÓ: conversió a ARN

C C A U C G C U A A A G C G U G G A

UCCACGCUUUAGCGAUGG

FORQUETA DE TRANSCRIPCIÓ

AR

N m

issa

tger

: l e

s or

a cio

ns

del

gen

oma

ARN polimerasa 5’ --- 3’

La traducció

La traducció consisteix en la síntesi de la proteïna, amb la qual cosa els aa es disposen en l’ordre que ve definit per la seqüència de codons de l’ARNm

Aquest procés requereix altres tipus d’ARN:

• ARN ribosòmic: els ribosomes estan formats per dues subunitats, una de gran i una de petita. La subunitat petita té un lloc d’unió per l’ARNm

• ARN de transferència: aquestes molècules són com el diccionari a partir del qual es tradueix el llenguatge dels àcids nucleics al llenguatge de les proteïnes. Hi ha més de 20 tipus de ARNt.

El codi genètic – és UNIVERSAL

Ara ja només queda per resoldre la correspondència entre els aa i la seqüència de bases de l’ARN.

Les proteïnes contenen 20 aa diferents, però l’ADN i l’ARN només tenen 4 nucleòtids diferents. Calen doncs combinacions de com a mínim tres nucleòtids per definir els diferents aa (4x4x4=64), els anomenats triplets o codons

En l’ARNt trobem:

34• l’anticodó que s’acoblarà al codó de la molècula d’ARNm

• l’extrem 3’ on s’hi acobla un aa particular -CCA a partir d’un enzim específic aminoacil-ARNt-sintetasa

Dels 64 codons possibles, 61 especifiquen aa particulars i 3 són signes de finalització. Aquest fet implica que hi ha més d’un triplet per a cada aa. Es diu que el codi genètic és degenerat ja que té codons sinònims

EL MISSATGE GENÈTIC ES LLEGEIX SEMPRE EN SENTIT 5’- 3’

TRIPLET D’INICI

UCCACGCUUUAGCGAUGG

CODONS: les paraules del llenguatge genètic = AMINOÀCID

Iniciació

Aquesta etapa comença quan la subunitat petita del ribosoma s’uneix a una cadena d’ARNm prop de l’extrem 5’ i exposa el seu primer codó anomenat codó iniciador.

A continuació el primer ARNt es col·loca en el seu lloc per tal d’adaptar-se amb el codó iniciador de l’ARNm. Aquest ARNt porta el seu aa corresponent.

La combinació de la subunitat petita del ribosoma, l’ARNm i aquest ARNt inciciador, es coneix amb el nom de complex d’iniciació.

A continuació, la subunitat més gran s’uneix a la petita i l’ARNt iniciador queda encaixat en el punt de fixació P (peptídic) de la subunitat gran.

Elongació

Al començament d’aquesta etapa, el segon codó de l’ARNm es col·loca en el lloc A així com un ARNt amb el seu anticodó complementari.

En aquest moment estan ocupades les dues zones d’unió del ribosoma (A i P) i un enzim peptidil-transferasa, catalitza la formació d’un enllaç peptídic entre els dos aminoàcids.

A continuació el primer ARNt surt del ribosoma i aquest es desplaça un codó a través de la cadena d’ARNm. Això provocarà que el segon ARNt ara ocupi el centre A i que per contra el centre P hagi quedat lliure a l’espera d’un tercer ARNt

Per tant, el centre P és l’encarregat d’anar acceptant els nous aa en funció del codó que indica l’ARNm.

En un mateix ARNm s’hi poden unir diversos ribosomes (poliribosomes)

Terminació

La síntesi de la cadena polipeptídica s’acaba quan apareix en el lloc A un dels tres codons de finalització.

No existeix cap ARNt amb anticodons que puguin aparellar-se amb aquest codons de finalització.

La cadena polipeptíca es desprèn i les dues subunitats del ribosoma es separen.

UCCACGCUUUAGCGAUGG

TRADUCCIÓ: transformar l’ARNm en PROTEÏNESA

RN

transf erèn

c ia - AN

TIC

OD

Ó

amin

o àcid

...

C C A U C G C U A A A G C G U G G AL’altre ARNm es llegeix en la direcció contrària

C C A U C G C U A A A G C G U G G AUCCACGCUUUAGCGAUGG

Pro Ser Leu Lys Arg Gly ...

La Síntesi Proteica

Els ribosomes es troben col·locats en el Reticle Endoplasmàtic rugós de manera que a mesura que van llegint l’ARNm i van sintetitzant les proteïnes aquestes van a parar dins del conjunt membranós que s’encarregarà de la seva distribució.

La síntesi de proteïnes és un procés que es realitza en cadena. Multitud de ribosomes duen a terme una síntesi d’una mateixa proteïna codificada per un mateix filament d’ARNm. Els ribosomes a mesura que finalitzen la seva traducció es desencaixen en les seves dues subunitats fins a una propera biosíntesi.

L’estructura primària de les proteïnes

• els aa s’uneixen entre ells formant una seqüència lineal determinada segons el material hereditari (estructura primària)

• cada proteïna té una estructura primària diferent. O sigui una proteïna de 10 aa de longitud tindria combinacions diferents

• com que hi ha proteïnes formades per pocs aa i d’altres formades per centenars, ens podem fer una idea de la quantitat de molècules diferents que es poden formar.

• aquesta cadena d’aa es podrà ordenar de diferents maneres a l’espai, o sigui una conformació tridimensional de la proteïna que determinarà la seva funció biològica.

•IMPORTANT: l’activitat d’una proteïna no és una conseqüència directa dels aa que conté, sinó de la seva seqüència, ja que aquesta determina la seva configuaració.

1020