1
L’expressivitat genèticaL’expressivitat genètica
2
0. Introducció. És l’ADN el material hereditari?
És l’ADN el portador del missatge genètic?:Raons: * La quantitat d’ADN en els individus d’una mateixa espècie és constant. * Com més complexitat té una espècie més quantitat d’ADN té. * El UV provoca mutacions i és la més absorbida per l’ADN
Experiment de Griffith demostrar que hi havia intercanvi de material genètic.
Avery va demostrar que només els bacteris S (virulents) morts que contenien ADN feien aquesta transformació
3
0. Introducció. És l’ADN el material hereditari?
Es va demostrar marcant amb P radioactiu (passa a formar part de l’ADN) i altres virus marcats amb S radioactiu (forma part de proteïnes) si infectaven els dos grups de bacteris.
Únicament els bacteris marcats amb P radioactiu el mostraven en el seu interior.
És l’ADN que conté fòsfor el que afecta a la bacteria
4
1. La genètica molecular
La genètica molecular estudia la naturalesa bioquímica dels gens i els mecanismes amb els quals s’expressen.
L’estructura de l’ADN descoberta a 1940 va permetre entendre com l’ADN emmagatzemava la informació genètica i com permetia transmetre-la a les següents generacions.
Un gen quan s’expressa codifica la síntesi d’una proteïna
L’ordre o seqüència dels nucleòtids es traduïa en la seqüència d’aminoàcids.
5
1. La genètica molecular1. Mecanisme d’acció d’un gen
Beadle i Tatum van enunciar el dogma central de la genètica molecular:Un Gen Una proteïna
ADN ARN Proteïnes Transcripció Traducció
Hi ha gens que no es tradueixen : ARNr i ARNtHi ha seqüències que no es codifiquen: introns (control)Aquestes etapes no són iguals en eucariotes i procariotes
6
1. La genètica molecular1. Mecanisme d’acció d’un gen
7
1. La genètica molecular1. Mecanisme d’acció d’un gen
1. Formació de l’ARNm2. Maduració de l’ARNm3. Traducció en els
ribosomes4. Formació de
l’estructura primària proteica
5. Formació de l’estructura secundària protèica en el RER
6. Maduració i formació de l’estructura terciària o quaternària proteica
8
2. La transcripció en els organismes procariotes
Aquesta es produeix en el citoplasma i intervenen tres elements imprescindibles:1. Una cadena d’ADN motlle que actua com a patró.Aquesta es divideix en dos: la motlle i la no informativaLa cadena motlle és de sentit 3’ 5’ i es podrà fabricar una de complementària (amb sentit 5’ 3’) i antiparal·lela, com la no informativa, però amb nucleòtids d’ARN.
9
2. La transcripció en els organismes procariotes
2. Els ribonucleòtids: per poder-se unir cal que transportin energia i, en conseqüència són ATP, GTP, CTP i UTP (doncs la timina no ho pot fer).
10
2. La transcripció en els organismes procariotes
3. RNA polimerasa: un enzim que catalitza la unió entre ribonucleòtids amb l’ordre corresponen: * Reconeix la seqüència promotora o d’inici (intervé una proteïna o factor σ sigma) * Es trasllada per la cadena motlle llegint les bases i seleccionant en sentit 5’ 3’ la base complementària * Catalitza l’enllaç èster fosfòric entre les bases * Reconeix la seqüència d’acabament de la transcripció.
11
2. La transcripció en els organismes procariotes
12
2. La transcripció en els organismes procariotes
13
2. La transcripció en els organismes procariotes
14
2. La transcripció en els organismes procariotes1. Fases successives del procés de transcripció
• Fase d’iniciació: el lloc d’inici la marca una regió promotora (part anterior de la informativa): una seqüència a -35 TTGACA i una a -10 TATATT, indicant a l’ARN polimerasa quina cadena és la motlle i quan s’ha de començar.
2. Fase d’elongació: l’ARN polimerasa va formant una cadena d’ARN en sentit 5’ 3’. Aquesta lectura ho fan diversos enzims pel que s’obtenen varies cadenes d’ARN.
15
2. La transcripció en els organismes procariotes1. Fases successives del procés de transcripció
3. Fase de terminació: Cal una senyal de terminació que consisteix en dues seqüències:
a) Seqüència palindròmica (es llegeix igual en els dos sentits de complementarietat)C A T G C A T G SiC G A C C A G C No
b) Seqüència repetitiva TTTT
En altres casos depèn d’una proteïna anomenada r (rho).
16
2. La transcripció en els organismes procariotes1. Fases successives del procés de transcripció
17
2. La transcripció en els organismes procariotes1. Fases successives del procés de transcripció
4. Fase de maduració: Cal distingir dos casos:
* ARNm: és traduït immediatament (els ribosomes estan en contacte doncs no hi ha nucli)
* ARNr i ARNt: es formen com a llargues cadenes d’ARN transcrit primari i es tallen en trossos per enzims específics.
18
3. La transcripció en els organismes eucariotes
Aquesta es produeix en el nucli i té unes característiques diferencials amb la procariota:
L’ADN eucariòtic està unit a histonesHi ha 3 tipus d’ARN polimerasa, un per cada tipus
d’ARNEls gens estan fragmentats i no alineats. Cal una
maduracióEs produeix en el nucli i cal sortir pels porus per
arribar als ribosomes. La transcripció i traducció són en moments i llocs diferents.
19
3. La transcripció en els organismes eucariotes
1. Fase d’iniciació: en aquesta fase hi actuen 3 elements: * L’enzim ARN polimerasa II (síntesi d’ARNm) * Factors de transcripció: proteïnes que controlen al procés
(activadores, repressores, etc.) * Seqüències reguladores i silenciadores:
- 120 rica en GC- 80 CAAT- 30 TATA
2. Fase d’elongació: després de començar afegeixen una metil-GTP o caputxa que protegirà l’ARNm i permetrà l’inici de la traducció.
3. Fase de terminació: ve donada per la seqüència TTATTT i actua un enzim poli-A polimerasa que afegeix en l’extrem 3’ uns 150-200 nucleòtids d’adenina que ajuda a transportar-ho a l’exterior del nucli.
20
3. La transcripció en els organismes eucariotes
4. Fase de maduració: L’ARNm transcrit primari conté dos tipus de seqüències:
Exons: contenen informació per fabricar la proteïna.Introns: no codificaran aminoàcids El procés de maduració consistirà en eliminar els introns per
passar a ser un ARNm funcional. Si els exons són empalmats en ordre diferent apareixerà una mutació.
21
4. La traducció de la informació genètica
La informació genètica que hi ha en l’ARNm és descodificada o traduïda pels ribosomes que la utilitzen per biosintetitzar proteïnes.Es passa d’una seqüència de nucleòtids a una seqüència d’aminoàcids.
22
4. La traducció de la informació genètica1. El codi genètic
La traducció es realitza gràcies a l’anomenat codi genètic o clau genètica que estableix la relació entre la seqüència de nucleòtids per triplets i la seqüència de aminoàcids.
Hi ha 4 nucleòtids i 20 aminoàcids.
Si agafem els 4 nucleòtids i els combinem en repetició surten 42=16 combinacions possibles, insuficient per determinar amb exactitud els 20 aminoàcids.
Si els combinem de tres en tres surten 43=64 combinacions suficients encara que és evident que n’hi haurà de repetides (codi genètic degenerat). El codi funciona, per tant, per triplets de ribonucleòtids d’ARNm anomenats codó.
23
4. La traducció de la informació genètica1. El codi genètic
Característiques:1. És universal: la relació entre codons i aminoàcids és el mateix en tots els éssers vius.2. No és ambigu: cada triplet correspon únicament a un aminoàcid. Es llegeix sempre en sentit esquerra-dreta i en sentit 5’ 3’.3. Està alineat i no té solapes: no comparteixen nucleòtids sinó que un està darrera l’altra.4. El codó AUG és l’inici de la traducció i n’hi ha 3 de terminació o STOP.5. La metionina i el triptòfan només estan codificats per un únic codó.
24
4. La traducció de la informació genètica2. Fases del procés de traducció
És un procés molt complex que té lloc en el citoplasma i en els ribosomes. El mecanisme és molt semblant entre eucariotes i procariotes.
Eucariotes: es dóna separadament a la transcripció i dóna lloc a una sola cadena polipeptídica o proteïna així que els gens reben el nom de monocistrònics.
Procariotes: la traducció d’un ARNm origina diverses cadenes polipeptídiques que pertanyen a una mateixa cadena metabòlica, els gens reben el nom de policistrònics.
25
4. La traducció de la informació genètica2. Fases del procés de traducció
26
4. La traducció de la informació genètica2. Fases del procés de traducció
27
4. La traducció de la informació genètica2. Fases del procés de traducció
Hi intervenen:* ARNm* ARNt* ribosomes (subunitat petita i gran)* enzims: - aminoacil-ARN-sintetasa: unió dels
aminoàcids a l’ARNt- peptidil transferasa: unió entre
aminoàcids en la subunitat major.
ARNt: Actua com a traductor i té forma de trèvol, en un extrem el 3’ conté la seqüència CCA-OH on s’unirà l’aminoàcid. En l’extrem oposat hi ha un triplet específic anomenat anticodó complementari a l’ARNm.
28
4. La traducció de la informació genètica2. Fases del procés de traducció
1. Primera fase:Es produeix en el citoplasma gràcies a l’enzim aminoacil-
ARNt-sintetasa (20 diferents) que té dos llocs o zones actives específiques per reconèixer tant l’aminoàcid com l’ARNt.
29
4. La traducció de la informació genètica2. Fases del procés de traducció
2. Segona fase: té lloc en els ribosomes. a) Fase d’iniciació: després d’un acoblament entre la cadena d’ARNm (després de la caputxa i abans del AUG) i la subunitat menor del ribosoma s’uneix l’ARNtmet fet que permet que la subunitat gran s’uneixi a la petita formant un ribosoma complet i funcional.En aquests ribosomes hi ha dues zones: * Zona P (peptidil): on es produeix el pèptid * Zona A (aminoacil): on s’incorpora el nou ARNtaa
30
4. La traducció de la informació genètica2. Fases del procés de traducció
31
4. La traducció de la informació genètica2. Fases del procés de traducció
b) Fase d’elongació: fase cíclica en què es van unit aminoàcids gràcies a l’acció de l’enzim peptidil transferasa unint el –COOH del primer aminoàcid col·locat en la zona P i el segon col·locat en la zona A per el radical –NH2. Al final es produeix la translocació del ribosoma deixant, de nou, la zona A lliure per rebre un nou RNAt.
32
4. La traducció de la informació genètica2. Fases del procés de traducció
33
4. La traducció de la informació genètica2. Fases del procés de traducció
c) Fase de terminació: quan a la zona A apareix un codó terminal o STOP provoca:* incapacitat d’unir-se cap ARNt* separació de la cadena polipeptídica* separació de les subunitats ribosomals
34
4. La traducció de la informació genètica2. Fases del procés de traducció
35
5. Modificacions i destí de les proteïnes
Un cop s’han sintetitzat, les proteïnes pateixen dues modificacions:1. Plegament: es realitza d’una manera espontània i depèn de la seqüència dels seus aminoàcids i dels enllaços que es puguin formar per conformar l’estructura terciària ja funcional. Això es possibilita gràcies a l’existència d’unes proteïnes anomenades de xoc tèrmic o antiestrès que a més poden renaturalitzar les que estiguin desnaturalitzades de forma temporal.2. Maduració: són una sèrie de transformacions fins arribar a ser funcional:
a) Talls proteolítics: pèrdua d’alguna part com l’aminoàcid inicial metionina.
b) Formació d’altres enllaços més forts que requereixen energia per produir-se com els ponts disulfur.
c) La unió amb altres compostos inorgànics (Fe, Cu, Mg, etc.) o orgànics (proteïnes, glúcids o lípids).
36
5. Modificacions i destí de les proteïnes1. Mecanismes que regulen la destinació de les proteïnes
La destinació ve donada per la localització dels ribosomes que les produeixen:
Si estan lliures en el citoplasma el destí és:
* nucli * mitocondris * cloroplasts
Si estan situats sobre el reticle endoplasmàtic rugós (gràcies a la riboforina):
* proteïnes estructurals de membrana * enzims * hormones
37
6. Regulació de l’expressió genètica
La interacció amb l’exterior i el interior condicionen el control dels canvis.
Les cèl·lules activen uns determinats gens i en desactiven uns altres segons les necessitats que tenen en cada moment.
Els mecanismes de regulació de l’expressió genètica són diferents en les cèl·lules eucariotes i procariotes.
a) Procariotes: controlen l’expressió genètica durant la transcripció.b) Eucariotes amb potenciadors i silenciadors regularan la transcripció
38
6. Regulació de l’expressió genètica1. La regulació de l’expressió genètica de les cèl·lules procariotes. L’operó
L’Operó és una unitat d’expressió coordinada (conjunt de gens que actuen un darrera l’altre en una via metabòlica que s’expressaran junts).
Un operó consta de 4 elements:* Gens estructurals: es localitzen en un mateix ARNm i codifiquen
enzims d’una mateixa via metabòlica.* Gen regulador: codifica una proteïna activadora o repressora de la
transcripció.* Promotor: seqüència que indica el principi de la transcripció i és el lloc
d’unió de l’ARN polimerasa.* Operador: és la seqüència entre el promotor i els gens estructurals on
s’uneix la proteïna repressora.
39
6. Regulació de l’expressió genètica1. La regulació de l’expressió genètica de les cèl·lules procariotes. L’operó
40
6. Regulació de l’expressió genètica1. La regulació de l’expressió genètica de les cèl·lules procariotes. L’operó
41
6. Regulació de l’expressió genètica1. La regulació de l’expressió genètica de les cèl·lules procariotes. L’operó
42
6. Regulació de l’expressió genètica2. La regulació de l’expressivitat genètica en les cèl·lules procariotes.
a) Repressió genètica o sistema de regulació negatiuUna proteïna repressora bloqueja la transcripció en unir-se a
l’operador. Quan és necessari fer la transcripció cal desbloquejar la proteïna. Hi ha dos mecanismes:
1. Inducció enzimàtica: quan cal catabolitzar una molècula aquesta s’uneix al repressor i al separa de l’operador, quan el substrat és catabolitzat la repressora torna a unir-se a l’ARNm.
2. Repressió enzimàtica: en vies anabòliques el repressor inactiu s’uneix amb el producte final i fa que el repressor sigui actiu bloquejant l’operador i la transcripció.
b) Activació genètica o sistema de regulació positiuAlgunes proteïnes faciliten el reconeixement del promotor a
part de l’enzim ARN polimerasa i l’augment la transcripció.
43
6. Regulació de l’expressió genètica2. La regulació de l’expressivitat genètica en les cèl·lules eucariotes.
Es realitza mitjançant hormones:a) hormones proteiques: actuen com a primers
missatgers sobre la membrana plasmàtica produint un segon missatger (AMPc) que activa la transcripció.
44
6. Regulació de l’expressió genètica2. La regulació de l’expressivitat genètica en les cèl·lules eucariotes.
b) Hormones lipídiques o esteroïdes que travessen la membrana i s’uneixen a receptors citoplasmàtics que entren en el nucli i activen la transcripció
