GENÈTICA MOLECULAR EL CODI GENÈTIC

TRANSCRIPCIÓ

TRADUCCIÓ

REGULACIÓ DE L’EXPRESSIÓ GÈNICA

“Dogma central de la biologia”

El codi genètic

Ara bé, les cèl·lules han de traduir aquesta informació a proteïnes (“llenguatge de les cèl·lules”).

Per fer-ho, primer s’ha de trobar quin és el codi d’emmagatzematge de la informació als àcids nuclèics i després fer la posterior traducció a proteïnes

La informació genètica que hi ha a l’ADN es troba “emmagatzemada” (CODIFICADA) en forma de bases nitrogenades.

S’entén per CODI GENÈTIC a la manera de com s’ordenen les bases nitrogenades a l’ADN

Segons quines siguin les bases i l’ordre de les mateixes, la informació que es troba serà diferent

1. És universal.

2. La unitat bàsica d’informació és el TRIPLET de bases.

Característiques del codi genètic

Tots els essers vius codifiquen la informació de la mateixa manera

3 bases nitrogenades porten informació per:

Incorporar un aa nou a una cadena peptídica

Triplet d’inici: TAC (incorpora també una Met)

Triplets de fi: ATC, ACT, ATT

Indicar el començament o final de la traducció de la cadena peptídica

3. És un codi “degenerat”

Diferents triplets poden portar la informació per incorporar un mateix aa

Característiques del codi genètic

Si hi ha 4 base nitrogenades(A,T,C i G) i 20 aminoàcids,

Quantes bases com a mínim són necessàries per incorporar un aminoàcid?

Si l’equivalència és...

1 base = 1 aa

FALTEN BASES NITROGENADES!!

2 base = 1 aa

Les combinacions (aa) diferents seran...

42 = 16

43 = 64

41 = 4

3 base = 1 aa Trobem més combinacions de triplets que aa diferents. Això vol dir que més d’un triplet porta el mateix aa

El codi genèticS’HA DE LLEGIR SOBRE L’ARNm !!!

Transcripció

Primera fase de l’expressió gènica. Consisteix a copiar la informació de l’ADN en forma d’ARN, fent servir un filament d’ADN com a motlle.

En eucariotes, es realitza al nucli

Conjunt de processos gràcies als quals la informació emmagatzemada en la seqüència de nucleòtids d’ADN es transfereix a una seqüència d’ARN complementària

El fragment d’ADN transcrit s’anomena unitat de transcripció i el filament d’ARN sintetitzat, ARN transcrit primari

L’ARN transcrit primari donarà l’ARNm (directament, en procariotes o després d’un procés de maduració,en eucariotes) o els ARNr i ARNt, depenen de la informació de l’ADN transcrit

Si es sintetitza l’ARNm, el procés continua en la traducció fins obtenir la cadena peptídica, mentre que si es sintetitza ARNr o ARNt el procés acaba aqui.

Els fragments d’ADN que es transcriuen no es troben només en una de les cadenes sinó que hi ha gens que es troben en una cadena i una altres en l’altra

Promotor

Definim:

Seqüència d’ADN que es troba a tots els gens que indica a l’ARN polimerasa on comença la transcripció

La transcripció,que és molt semblant en procariotes i eucariotes, consta de 4 fases:

1. INICIACIÓ 2. ELONGACIÓ

3. TERMINACIÓ 4. MADURACIÓ (eucariotes)

Transcripció

Hi ha fragments d’ADN que no es transcriuen ni tradueixen però que són imprescindibles per la regulació de l’expressió dels gens: són senyals d’inici o fi del gen, seqüències de reconeixement d’enzims i proteïnes (promotors, operador,...)

Semblances i diferencies entre transcripció i replicació

1. En els dos casos se sintetitzen cadenes complementàries en el sentit 5’ 3’, mentre la lectura és en sentit 3’ 5’

2. Es polimeritzen nucleòtids trifosfatats, que donen energia i la base nitrogenada

3. És imprescindible el desenrotllament de la doble cadena d’ADN

SEMBLANCES

DIFERENCIES

1. La transcripció és catalitzada per l’ARN polimerasa (la replicació és catalitzada per l’ADN polimerasa) i uneix nucleòtids d’ARN

2. La transcripció no és tan precisa com la replicació. L’ARN polimerasa no té capacitat de reparar errors

3. En la transcripció només es copia un fragment d’una de les dues cadenes d’ADN (cadena codificant o amb sentit)

Diferencies en la transcripció entre procariotes i eucariotes

PROCARIOTES EUCARIOTES

Transcripció i traducció es donen de manera simultània (no hi ha nucli diferenciat)

Transcripció i la traducció no es fan simultàniament (hi ha nucli diferenciat)

Els gens són unitats continues.No hi ha maduració

Els gens es troben “fragmentats”. Hi ha seqüències que es tradueixen (EXONS) i

seqüències que no (INTRONS). Hi ha maduració

Els ARNm solen ser policistrònics (tenen més d’un gen) i són llargs Els ARNm solen ser monocistrònics

Hi ha només un tipus d’ARN polimerasa Hi ha 3 tipus d’ARN polimerasa

PROMOTOR: TTG ACA o TAT ATT

PROMOTOR:TATA box

No es modifica ni l’extrem 5’ ni el 3’S’afegeix un cap (guanosina metilada)a l’extrem

5’ i una cua (poli-A) a l’extrem 3’

Hi ha només un tipus d’ARN polimerasa que sintetitza els diferents tipus d’ARN (ARNm, ARNt i ARNr)

Aquesta ARN polimerasa...

No necessita un primer com l’ADN polimerasa No té capacitat reparadora (exonucleasa) És més lenta que l’ADN polimerasa i actua desenrotllant (i enrotllant) l’ADN Llegeix sentit 3’ 5’ però copia en sentit 5’ 3’.

Transcripció en procariotes

2. ELONGACIÓ

3. TERMINACIÓ

4. MADURACIÓ (eucariotes)La transcripció acaba quan l’ARN polimerasa llegeix un triplet de fi de la transcripció (ex: TTT)

Un cop unit l’ARN polimerasa a la cadena d’ADN, l’enzim desenrotlla la doble cadena i comença a llegir (3’ 5’) i unir (5’ 3’) ribonucleòtids’. A mesura que avança la transcripció, la doble hèlix torna a formar-se

1. INICIACIÓ

Per començar la transcripció, l’ARN polimerasa reconeix la seqüència promotora. Aquest promotor indica a l’enzim que ha de començar a copiar a 10 parells de bases cap a l’extrem 5’

PROMOTOR GENS ESTRUCTURALS

10 parells bases3’ 5’

... TTG ACA TAC ... ...

OPERADOR

En eucariotes l’ARN transcrit primari pateix petites modificacions fins a donar els ARNm, ARNr i ARNt madurs. A més a més solen ser policistrònics i entre els gens consecutius hi ha seqüències espaiadores no codificants. En aquesta fase es degraden aquestes seqüències

Es realitza al nucli. En línies generals és igual a la transcripció en procariotes però hi ha algunes diferències (ja vistes)

Transcripció en eucariotes

Hi ha 3 ARN polimerases:

ARN pol I: al nuclèol. Controla la síntesi dels ARNr ARN pol II: Codifica els ARNm i alguns ARNn ARN pol III: Codifica els ARNr i ARNt

Les ARN polimerases eucariotes no reconeixen directament als promotors, necessiten factors de transcripció que s’uneixen a l’ADN

1. INICIACIÓ

Per començar la transcripció, l’ARN pol II reconeix la seqüència promotora. Aquest promotor indica a l’enzim que ha de començar a copiar a 30 parells de bases cap a l’extrem 5’

PROMOTOR GENS ESTRUCTURALS

30 parells bases3’ 5’

TATA box TAC ... ...

OPERADOR

2. ELONGACIÓ

Un cop unit l’ARN polimerasa a la cadena d’ADN, l’enzim comença a llegir (3’ 5’) i unir (5’ 3’) ribonucleòtids. A mesura que avança la transcripció, la doble hèlix torna a formar-se.

A l’extrem 5’ s’afegeix un “cap” (guanosina metilada i fosforilada inversa) que servirà per unir l’ARNm madur a la subunitat petita del ribosoma en la traducció

3. TERMINACIÓ

La transcripció acaba quan l’ARN polimerasa llegeix una seqüència de fi de la transcripció (TTA TTT), és a dir, copia AAU AAA. En aquest momenta l’extrem 3’ s’afegeix una “cua” (“poli-A”) formada per entre 20 i 50 adenines. No se sap exactament la funció d’aquesta cua, però sembla que allarga la vida mitjana del ARNm

4. MADURACIÓ (eucariotes)Procés d’eliminació de seqüències que no es tradueixen (INTRONS). Es produeix al nucli i es coneix amb el nom de “splicing”

ADN

ARN transcrit primari

intronsnucli

citoplasma

Cap Poli-Aexons exons exons

5’ 3’

Cap Poli-Aintronsexons exons exonsintrons introns exons

3’5’

Cap Poli-Aexons exons exons

ARNm

3’5’

TraduccióSegona fase de l’expressió gènica. Consisteix a sintetitzar una proteïna a partir de la informació continguda en una molècula d’ARNm

Es realitza al ribosomes (situats al citoplasma, RE, mitocondris i cloroplasts)

S’entén per traducció al conjunt de processos gràcies que permeten la síntesi d’una proteïna a partir de la informació continguda en un ARNm

La informació codificada en triplets (CODONS) de bases dels ARNm s’ha de concretar en una successió d’aa que formaran l’estructura primària d’una cadena polipeptídica.

És gràcies al codi genètic que es pot fer aquesta “traducció”

En la traducció intervenen:

ARNm: porta la informació de la cadena peptídica

ARNr: juntament amb les proteïnes formen els ribosomes

ARNt: porten els aa del citoplasma fins als ribosomes i reconeixen els triplets de bases de l’ARNm (ANTICODONS)

I els aminoàcids i enzims necessaris

ADN

Gens amb informació per a proteïnes

Gens amb informació per a diferents ARNt

Gens amb informació per a ARNr

Gens amb informació per a proteïnes de ribosomes

ARNm

ARNt

ARNr

ARNm (ribosoma)

Proteïna ribosoma

PROTEÏNA

RIBOSOMA

TRANSCRIPCIÓ

TRANSCRIPCIÓ

TRANSCRIPCIÓ

TRANSCRIPCIÓ

TRADUCCIÓ

aacàrrega

Activació dels ARNt

Per poder començar la síntesi de proteïnes, cal que els aa estiguin units al seu corresponen ARNt. Aquesta unió s’anomena CÀRREGA del ARNt i és catalitzada per enzims citoplasmàtics anomenats aminoacil-ARNt-sintetases.

Hi ha 20 aminoacil-ARNt-sintetases diferents

Aquests enzims col·loquen l’aa pel grup COOH a l’extrem 3’ de l’ARNt (que sempre té la seqüència terminal CCA). L’energia la proporciona l’ATP

Braç D: Lloc de reconeixment de l’aminoacil-ARNt-sintetasa

Braç T: Lloc de reconeixment del ribosoma

Anticodó: Lloc de reconeixment amb l’ARNm

Traducció en eucariotes

La traducció consta de 3 passos:

1. INICIACIÓ

El ribosoma llegeix l’ARNm en sentit 5’ 3’, i la síntesi de la proteïna es fa de l’extrem amino a l’extrem carboxil

2. ELONGACIÓ

3. TERMINACIÓ

1. INICIACIÓ

1. La subunitat petita del ribosoma reconeix el cap (extrem 5’) de l’ARNm i busca el triplet d’inici de la traducció (AUG), que també incorpora una metionina (en procariotes és un derivat, la formilmetionina). L’energia la proporciona una GTP

2. S’uneix la subunitat gran del ribosoma. En aquest moment apareixen dos llocs (“loci”) en el ribosoma:

el locus P (peptídic): lloc on es va quedant la cadena peptídica, i

el locus A (aminoàcid): lloc per on s’incorporen els nous ARNt

El locus A sigui ara el locus P i aparegui un nou locus A corresponent al següent triplet de l’ARNm

Aquest moviment del ribosoma es coneix amb el nom de TRANSLOCACIÓ ( necessita els factors d’elongació i GTP) i la seva repetició permet la successiva addició d’aa (que adoptaran una estructura secundària a mesura que es aparegui

Un cop tenim el ribosoma complet, arriba l’ARNt complementari a la seqüència de l’ARNm que es troba al locus A, produint-se la transferència de l’aa que es troba al locus P al nou aa incorporat mitjançant un enllaç peptídic.Per fer-se aquesta transferència es necessita GTP, factors d’elongació (proteïnes) i l’acció de la peptidil-transferasa (enzim de la subunitat gran del ribosoma)

Un cop incorporat el nou aa a la cadena existent (de 2 aa)...

aquesta es troba al locus A;

el ribosoma es desplaça 3 nucleòtids cap a l’extrem 3’ de l’ARNm. Això fa que..

L’ARNt del locus P quedi fora del ribosoma i queda alliberat

2. ELONGACIÓ

3. TERMINACIÓ

La síntesi de la cadena acaba quan el ribosoma es troba un triplet de fi de traducció (UAG, UAA o UGA). En aquest moment s’afegeix un factor de terminació (no un ARNt) i la cadena peptídica es separa de l’últim ARNt.

Al mateix temps, el ribosoma separa les seves subunitats que el formen

Sovint els ARNm tenen una sèrie de codons de terminació seguits a fi d’assegurar que la traducció arribi al final, ja que de vegades alguns ARNt mutats no el reconeixen com a codons d’STOP i continua la síntesi

En alguns casos pot passar que l’ARNm tingui un codó mutat d’STOP i interrompi la síntesi proteica, però se sap que alguns ARNt no llegeixen STOP i incorporen un aa, encara que no sigui el correcte, continuant així la síntesi de la proteïna

Un cop sintetitzada la proteïna poden haver-hi modificacions posteriors (maduració):

Afegir un glúcid; Trencar la cadena; Eliminar el primer aa (Met); ...

La traducció en moviment

Regulació de l’expressió gènica

Totes les cèl·lules tenen molta informació que no s’expressa contínuament. En algunes cèl·lules (sobretot eucariotes) hi ha gens que no s’expressaran mai i d’altres que s’expressaran o no segons el moment.La regulació gènica ha de permetre que cada cèl·lula expressi els gens necessaris en el moment oportú

El control gènic és, doncs, tot el conjunt de mecanismes que regulen l’expressió dels gens

En procariotes aquest control estarà encaminat bàsicament a fer que la cèl·lula respongui conservativament als canvis ambientals, sobretot pel que fa a la nutrició i a la reproducció, i que aquesta resposta sigui prou ràpida per ser efectiva

En eucariotes el control és bastant més complex a causa de la diferenciació cel·lular i l’existència d’un medi intern (homeòstasi) i, en molts aspectes encara és poc conegut

Regulació de l’expressió gènica en procariotes

En procariotes, la regulació del gens es pot fer controlant la transcripció.

Els estudis van començar el 1947 amb les observacions de Monod sobre cultius d’E. coli .

Va veure que si s’afegia glucosa en el medi amb lactosa, el nivell d’aquest enzim disminuïa considerablement i ràpidament.

Alguna cosa regulava la síntesi.

Si feia créixer el bacteri en un medi amb lactosa, els nivells de l’enzim β-galactosidasa (degrada la lactosa) eren alts

Al 1961, Jacob & Monod van proposar un model, anomenat OPERÓ, que explica com es porta a terme el control de la síntesi de proteïnes (després de descobrir l’estructura de l’operó lactosa (operó lac) en l’E. coli )

OPERÓ Un operó és una unitat d’expressió i de regulació gèniques en els bacteris, que comprèn gens estructurals (relacionats funcionalment) i els elements de control en l’ADN que són reconeguts per un producte o productes de gens reguladors (no formen part de l’operó)

Els gens estructurals són aquells que codifiquen qualsevol proteïna o ARN que no tingui funció reguladoraEls gens reguladors són aquells que codifiquen ARN o proteïna (REPRESORA) que té per funció controlar l’expressió d’altres gens. Aquesta proteïna presenta dos conformacions, una “activa” amb capacitat per unir-se a l’ADN, i una altra “inactiva” sense capacitat d’unir-se a l’ADN

En l’operó també hi ha una seqüència d’ADN anomenada OPERADOR ( gen O ), que és l’element de control situat entre la seqüència promotora ( gen P ) i els gens estructurals.

Serà en el gen O on la proteïna reguladora “activa” s’unirà a l’ADN, impedint l’expressió dels gens reguladors

GEN REGULADOR PROMOTOR

OPERADOR (gen O) GENS ESTRUCTURALS

OPERÓ

Existeixen dos tipus de control: control negatiu (inhibició) i control positiu (activació)

Ex: Activació gènica (ex.: β-galactosidasa)

La proteïna reguladora s’uneix al gen O mentre no hi hagi lactosa. Quan al medi hi ha lactosa, aquesta s’uneix a la proteïna reguladora i la “desactiva” , permeten així la síntesi de la β-galactosidasa i degradació de la lactosa

Ex: Inhibició gènica (ex.: síntesi d’histidina)

La proteïna reguladora es sintetitza de manera inactiva, permeten la formació d’histidina. Quan hi ha un excés d’histidina, aquesta molècula actua com a corepressor unint-se a la proteïna reguladora. D’aquesta manera, proteïna i histidina inhibeixen la síntesi