Presentació del tema 14 de l'assignatura de biologia de 2n de batxillerat. Presentació preparada amb el llibre de 2n de Batxillerat Santillana i altres materials.

1. UNITAT 14
El DNA, portador del
missatge genètic
1

2. Què estudiarem?
1. El DNA com a material genètic
2. La duplicació del DNA
3. Síntesi de noves cadenes del DNA
4. El mecanisme de duplicació del DNA
5. Gens, enzims i caràcters
6. L’expressió del missatge genètic
7. El codi genètic
8. La traducció. Biosíntesi de les proteïnes
9. La regulació de l’expressió gènica
2

3. 1. El DNA com a material genètic
• Els humans posseeixen 46 cromosomes i 80000 gens
que es codifiquen per proteïnes.
• La ciència de la genètica es va desenvolupar en el
moment en que es va descobrir que les característiques
dels individus estaven determinades per unitats
hereditàries que es transmetien d'una generació a la
següent de manera uniforme i predictible.
• El primer problema va ser el d'identificar exactament el
material genètic, la seva localització i la seva naturalesa
química.
• El desenvolupament d'aquesta línia d'investigació ha
donat lloc a una branca de la genètica denominada
genètica molecular.
3

4. • En la recerca i identificació del material genètic
s'estableixen 4 requisits generals que s'espera
que acompleixi el material genètic:
– Que es repliqui exactament abans de la duplicació
cel·lular.
– Que la seva estructura sigui prou estable perquè els
canvis hereditaris (mutacions) només es produeixin
rarament.
– Que pugui dur qualsevol tipus d'informació biològica
necessària.
– Que transmeti la informació a la cèl·lula.
• Per altra banda, eren ja coneguts els
esdeveniments que ocorrien en les cèl·lules
durant la mitosi i la meiosi.
4

5. • Els protagonistes d'ambdós processos són, sens dubte,
els cromosomes i l'atenció dels científics es va dirigir
cap a ells per les següents raons:
– Es dupliquen amb precisió i es divideixen amb exactitud en la
mitosi proporcionant a cada cèl·lula un joc complet de
cromosomes.
– El seu comportament durant la meiosi concorda amb el que s'ha
d'esperar de l'herència, que es deu a les contribucions d'ambdós
progenitors.
– L’encreuament que sofreixen durant la meiosi subministra una
font important per a la variabilitat que s'observa entre els
individus d'una mateixa espècie.
– A més existeixen proves considerables que les aberracions
cromosòmiques poden estar associades a l'herència de
característiques específiques.
5

6. • Per tot lo anterior semblava evident que el material
genètic calia buscar-lo en els cromosomes.
• Els components dels cromosomes són:
– Les proteïnes.
– L'àcid desoxiribonucleic (DNA).
6

7. 1.1. Confirmació del DNA com a
portador de la informació genètica
Experiments clau:
• Griffith (1928):
– Principi transformador.
• Avery, MacLeod i McCarthy (1944):
– Identificació química del principi
transformador.
• Hershey i Chase (1952):
– Experimenten amb el bacteriòfag (fag) T2
(corroboració).
7

8. • Frederic Griffith (Streptococcus neumoniae):
– Soca S: letal (amb càpsula de polisacàrids)
– Soca R: No letal
8

9. • Conclusió: Existeix un “factor transformant”.
9

10. • Avery, McLeod i MacCarthy:
– Basant-se en l’experiment d’en Griffith varen
tractar les mostres del principi transformador
per aïllar i destruir diverses substàncies
(proteïnes, àcids nucleics, lípids, glúcids).
– La resposta era sempre la mateixa: Si es
destruïa el DNA de la mostra, no existia
l’activitat transformadora.
– Varen aïllar el DNA del principi transformador
i van demostrar que presentava una elevada
activitat en la transformació bacteriana.
10

11. • Hershey i Chase:
– Realitzat amb el
bacteriòfag T2 que
infecta bacteris.
– El fag T2 esta format
per un nucli d’DNA i
una coberta de
proteïnes.
– Quina part del fag entra
en el bacteri actuant de
material hereditari?
– Conclusió: L’ADN.
11

12. 12

13. 2. La duplicació del DNA
• La necessitat que el material genètic es
autodupliqui exactament és la primera
exigència que ha de complir.
• En el model de Watson i Crick es
plantejava la possibilitat que les brins de la
doble hèlix se separessin i cadascuna
servís de matriu per a formar la cadena
complementària.
• Aquest procés va rebre el nom de
replicació.
13

14. 2.1. Hipòtesi sobre la duplicació del DNA
• Les dues cadenes complementàries se separen
mitjançant un enzim específic i cada una servirà
de motlle per a sintetitzar una nova cadena
complementària.
• Hi ha tres hipòtesis:
– Semiconservativa. Cada cadena en forma una de
nova (una nova i una vella).
– Conservativa. Cada cadena en forma una de nova
(dues noves i dues velles).
– Dispersiva. Les cadenes es van formant a partir de
parts de la nova i parts de la vella.
14

15. Semiconservativa Conservativa Dispersiva
15

16. 2.2. Experiment de Meselson i Stahl
• Els experiments de Meselson i Stahl van
trobar una forma senzilla per diferenciar
les cadenes d’DNA paternes de les noves:
el marcatge per densitat.
– Utilitzaren un isòtop pesat del nitrogen (15N).
– Les molècules de DNA que contenen 15N són
més denses que les molècules amb 14N.
– La conclusió a la que varen arribar va ser que
el DNA segueix el model semiconservatiu per
replicar-se.
16

17. 17

18. 3. Síntesi de noves cadenes de DNA
• Ja sabem com es produeix la replicació
del DNA, però... com pot copiar-se la nova
cadena a partir de la cadena motlle?
– Síntesi de DNA in vitro (Kornberg i Ochoa).
– Síntesi de a DNA in vivo.
18

19. 3.1. Síntesi de DNA in vitro
• Kornberg va aïllar, del bacteri E. Coli, un
enzim capaç de sintetitzar DNA in vitro, la
DNA-polimerasa.
• La DNA-polimerasa:
– Enzim constituït per uns mil aminoàcids.
– Es troba al nucli i als mitocondris.
– Afegeix nucleòtids a partir d’una cadena
motlle (incapaç d’iniciar una cadena de novo).
19

20. • Perquè la DNA-polimerasa
actuï es requereix la
presencia de:
– Ions Mg2+.
– Una barreja de 4 nucleòtids
(d’ATP, de GTP, de CTP i de
TTP). És suficient amb que
falti un dels quatre perquè no
actuï la DNA-polimerasa.
– Bàsicament aquest enzim
realitza dues funcions:
polimerització i correcció.
– La cadena sencera
s’anomena patró i comença
a l’extrem 3’.
– L’extrem 3’ de la cadena que
es sintetitza s’anomena
encebador.
20

21. Com actua la DNA-polimerasa?
• 1. Funció polimeritzadora:
– Recorre els brins del motlle (va de l’extrem 3’ al 5’ al DNA patró)
i selecciona a cada moment el nucleòtid que tingui la base
complementària (G-C, A-T).
– Una vegada localitzat, la DNA-polimerasa catalitza la seva
hidròlisi separant un grup pirofosfat (P-P) i unint la resta
(desoxirribonucleòtid-monofosfat) a la cadena de DNA que
s'està formant mitjançant un enllaç fosfodièster.
– L'energia necessària per a aquesta unió s'obté de la hidròlisi del
grup pirofosfat.
• 2. Funció autocorrectora:
– Després d'unir cada nucleòtid comprova si s'han produït errors
abans d'incorporar el nucleòtid següent.
– Si detecta un error, elimina l'últim nucleòtid col·locat i ho
substitueix pel correcte.
21

22. ADN patró
Nucleòtids
Mg2+
ADN cebador
ADN polimerasa
22

23. 3.2. Síntesi de DNA in vivo
• Experiment de John Cairns (1963):
– Encaminat a conèixer com té lloc la duplicació del
DNA.
– Va marcar amb triti (H3) el DNA bacterià (E. coli).
– Cada 2 o 3 minuts s’extreia el DNA i feia una
autoradiografía de la molècula (amb emulsió
fotogràfica).
– Els resultats d’aquest experiment van confirmar la
hipòtesi semiconservativa i van evidenciar l’existència
d’un punt d’inici de la replicació.
– Va obtenir tres tipus d’imatges:
• Imatges inicials amb forma de V.
• Imatges intermèdies amb forma de mitja lluna.
• Imatges finals amb forma de cercle esclafat.
23

24. Formes observades Interpretació
1.ª generació 2.ª generació
Als 5 minuts Als 12 minuts
Punto de
creixement Hèlix de la 2.ª
generació
Hèlix de la 1.ª
Als 28 minuts Als 48 minuts Punto de
generació
creixement
Origen
24

25. • Les imatges inicials amb forma de V
corresponien a les forquilles de replicació,
formades per les dues noves cadenes de DNA.
• Les imatges intermèdies amb forma de mitja
lluna corresponien a les bombolles de replicació.
• Les imatges finals amb forma de cercle esclafat
eren degudes a que el DNA de l’E. Coli és
circular.
• Aquests resultats permetien confirmar la hipòtesi
semiconservativa i evidenciaven un punt d’inici
de la replicació.
25

26. • Els experiments d’en Cairns van plantejar
dues noves incògnites:
– Com començava a sintetitzar la DNA-
polimerasa?
– Com podien créixer en paral·lel les dues
cadenes si una ho feia en sentit 5’ → 3’ i
l’altre 3’ → 5’?
• Aquestes dues incògnites van quedar
aclarides el 1968 per Reiji Okazaki.
26

27. • Especificacions sobre l’activitat catalítica de la
DNA-polimerasa:
– La DNA-polimerasa és capaç d'anar llegint la cadena
que actua de motlle en sentit 3‘ → 5' i va sintetitzant
la nova cadena en sentit 5‘ → 3‘ (bri conductor).
– La cadena complementaria discorre en sentit
antiparal·lel, és a dir, 5' → 3' i la DNApolimerasa no
pot llegir-la en aquest sentit:
• La DNA-polimerasa sintetitza petits fragments d’DNA
anomenats fragments de Okazaki (≈50 nucleòtids RNA
+1000-2000 nucleòtids DNA) que creixen en sentit 5' → 3'
igual que el bri conductor i més tard s'uneixen per a formar el
bri complet.
• La síntesi en aquest sentit s’anomena retardada perquè se
sintetitza més lentament.
– La DNA-polimerasa és incapaç d'iniciar per si sola la
síntesi d'una nova cadena d’DNA i necessita un curt
fragment de RNA, anomenat RNA-encebador (o
“primer”), que actuï com iniciador de les rèpliques i
que s'elimina posteriorment de DNA format.
27

28. Forquilles observades
5’ 3’
3’ 5’
Cap polimerasa afegeix
Punt d’inici nucleòtids en aquests punts
5’ 3’
3’ 5’ 3’
5’
3’ 5’
Origen de
Creixement Creixement
replicació
continu discontinu
5’ 3’
5’
3’
Fragments
d’Okazaki
28

29. • Proteïnes que intervenen:
– Primases (RNA polimerases, dependents de DNA):
• Sintetitzen RNA encebador usant com a motlle una cadena de DNA.
– Helicases:
• Rompen els pont d'hidrogen entre les dues cadenes complementàries
i les separen per a fer-les servir de motlle.
– Topoisomerases:
• Eliminen les tensions generades a la doble hèlix.
– Proteïnes SSB:
• S’uneixen a cadenes senzilles de DNA allà on s’ha desenrotllat la
hèlix motlle però encara no ha començat la síntesi. Permeten que no
s’enredi el DNA.
– Nucleases:
• Rompen els enllaços fosfodièster entre nucleòtids.
• Donen lloc a l’origen de replicació.
• Escindeixen els RNA encebadors.
• Reparen lesions.
– Lligases:
• Uneixen fragments de DNA.
– DNA polimerases:
• Catalitzen la formació d’enllaços fosfodièster entre nucleòtids.
29

30. • Tipus de DNA-polimerases a procariotes:
– DNA-polimerasa I: Activitat polimerasa sentit 5’ → 3’ i exonucleasa
en sentit 3’→5’ i 5’ → 3’
– DNA-polimerasa II: Repara petites rotures a la cadena de DNA.
– DNA-polimerasa III:Enzim principal de replicació a procariotes.
– DNA-polimerasa IV i V: Reparació d’errors.
• Tipus de DNA-polimerases a eucariotes:
– DNA-polimerasa α: Polimerasa iniciadora. Participa en la
replicació del DNA nuclear i sintetitza la cadena retardada.
– DNA-polimerasa β: Activitat reparadora. Uneix fragments
d’Okazaki.
– DNA-polimerasa γ: Replicació mitocondrial.
– DNA-polimerasa δ: Activitat polimerasa, la principal en replicació
DNA nuclear.
– DNA-polimerasa ε: Polimeritza fragments d’Okazaki.
30

31. 4. Mecanisme de duplicació del DNA
4.1. Duplicació del DNA en cèl·lules
procariotes
• Té lloc en tres etapes:
– Fase d’iniciació.
– Fase d’elongació.
– Fase de terminació.
31

32. • Fase d’iniciació:
– Comença allà on es troba origen de replicació.
– Seqüència de nucleòtids que actua com a senyal
d’iniciació “origen de la replicació”.
– Les helicases (enzims) rompen els ponts d’hidrogen
que hi ha entre les dues cadenes complementàries i
les mantenen separades.
– Les topoisomerases (enzims) eliminen les tensions i el
superenrotllament quan es trenca la doble hèlix.
– Les proteïnes estabilitzadores SSB mantenen les
cadenes separades i s’origina la forquilla de replicació.
– El procés es bidireccional
– Les forquilles enfrontades formen la bombolla de
replicació.
32

33. • Fase d’elongació:
– A més dels enzims anteriors, s’afegeixen les RNA-
polimerases i les DNA-polimerases.
– Primasa: Sintetitza un fragment curt d’RNA encebador
(10 nucleòtids).
– La DNA-polimerasa III (a partir de l’encebador)
comença a sintetitzar en sentit 5’→3’, que anomenem
cadena avançada.
– Sobre l’altra cadena, cadena retardada, l’RNA-
polimerasa (primasa) sintetitza uns quaranta nucleòtids
en un punt que dista uns 1000 nucleòtids del senyal
d’iniciació.
– A partir d’aquests fragments de RNA, la DNA-
polimerasa forma els fragments d’Okazaki.
– Tot això es repeteix a mesura que es separen les dues
cadenes.
33

34. • Fase de terminació:
– Es produeix quan els dos brins de replicació
del cromosoma circular es troben.
– La lligasa uneix els fragments de DNA
sintetitzats.
– S'hauran format dos cromosomes circulars
complets.
34

35. Origen de
Iniciació la replicació
ADN pol III Proteïnes
Bombolla
estabilitzadores
de
replicació
Cadena
avançada
Helicasa
Cadena
Elongació
retardada
Forquilla de
Primasa
ADN pol I replicació
ADN-lligasa
ADN pol III
Direcció general de la replicació
35

36. 4.2. Duplicació del DNA en cèl·lules
eucariotes
• En trets essencials es igual a la de les
procariotes. Les diferències més significatives
són:
– En els cromosomes eucariotes, el DNA es troba
associat a histones (formant nucleosomes); fet que
dificulta la progressivitat de les DNA-polimerases:
• A més, la replicació ha d’estar coordinada amb la síntesi
d’histones.
– El tamany dels fragments d’Okazaki es d’uns 150-200
nucleòtids (molt més petit que a procariotes).
36

37. – La quantitat de DNA a les eucariotes es més
gran que a procariotes:
• Molts punts d’origen de replicació.
• Moltes unitats de replicació (replicons).
– La replicació a les eucariotes té lloc al nucli
(fase S) mentre que a les procariotes té lloc al
citosol.
– DNA-polimerases diferents:
• A les procariotes les dues cadenes les sintetitza el
mateix tipus de DNA-polimerasa, a les eucariotes no.
– La replicació dels telòmers no es pot completar
als eucariotes (incapaç de sintetitzar en sentit
3’→5’).
37

38. Cadena avançada Origen de la replicació Origen de la replicació
Cadena
Forquilla
retardada
de replicació
Cadena
retardada
Bombolles de replicació
Nucleosomes
Cadena avançada
Nous nucleosomes
38

39. 5. Gens, enzims i caràcters
• Garrod (1902):
– Va estudiar la alcaptonúria (malaltia caracteritzada
per artritisme i ennegriment dels cartílags) que es deu
a la presència de l’àcid homogenístic.
– A partir de les observacions va suggerir la relació
entre malaltia, metabolisme i herència.
– Va proposar:
• que l’àcid es produïa per un bloqueig en la ruta metabòlica
degut a un error innat del metabolisme.
• que es tractava d’una malaltia hereditària (autosòmica
recessiva).
• Anàlisis posteriors van demostrar que l’àcid
homosgentísic desapareixia en els individus
sans, per tant existia un paral·lelisme entre gen i
substància química.
39

40. 5.1. Teoria “un gen, un enzim”
• Beadle i Tatum (1948):
– Amb el fong Neurospora crassa sotmesa a
elevades dosis de raig X van provocar
mutacions en els seus gens.
– Van veure que cada mutant necessitava un
substrat (aminoàcid) específic per sobreviure.
40

41. – Posteriorment, es va descobrir que:
• No totes les proteïnes són enzims.
• Certes proteïnes estan formades per varies cadenes
polipeptídiques.
• La falta d’un enzim bloqueja el metabolisme en la substància
sobre que actua.
– També es va deduir que un gen es una seqüència de
DNA que conté la informació per sintetitzar un polipèptid.
– El gen es la unitat de funció, però no la unitat de mutació.
– La unitat de mutació es troba en els nucleòtids →
produeixen alteració en el fenotip dels individus.
– En eucariotes, un gen pot codificar informació per més
d’una proteïna degut al procés de maduració dels mRNA; i
més d’un gen pot formar una proteïna.
41

42. 6. L’expressió del missatge genètic
• Francis Crick (1953):
– Va proposar la “hipòtesi de la col·linealitat”, segons
la que s’establia la correspondència entre la
seqüència de nucleòtids d’un gen i la seqüència
d’aminoàcids de l’enzim que el gen codifica.
– El mecanisme pel qual es passa d’un gen a una
seqüència d’aminoàcids té 2 processos:
• Transcripció:
– A partir de la seqüència de nucleòtids d’un gen (DNA) es
realitza una còpia amb la seqüència de nucleòtids
complementaris a un mRNA.
– A les eucariotes es du a terme al nucli, on hi ha el genoma.
– A les procariotes es du a terme al citoplasma, a la zona on
s’acumula el material genètic.
• Traducció:
– S’obté una seqüència d’aminoàcids a partir de la seqüència de
mRNA.
– Es du a terme als ribosomes que formen part del citosol.
42

43. • Les propostes de Crick es coneixen com el dogma central de la
biologia molecular.
• Posteriorment es va descobrir que els virus que tenen RNA com a
material genètic (retrovirus) constitueixen una excepció a aquest
dogma. Utilitzen la transcriptasa inversa com a enzim.
• Una altra excepció són els virus amb capacitat de generar RNA
complementari a través de l’enzim replicasa.
.
43

44. 6.1. Mecanisme de la transcripció
• La transcripció és el pas d’una seqüència d’DNA a una
seqüència d’RNA.
• Ho realitzen els enzims RNA-polimerases que utilitzen
com a motlle la cadena de DNA.
• L’RNA-polimerasa aparella A, G, C i T del DNA amb U,
C, G i A del RNA.
• Es comença a l’extrem 3’ del DNA i es comença
formant un extrem 5’ del RNA.
• Només es transcriu a RNA una de les dues cadenes de
DNA:
– La cadena transcrita es diu codificadora.
– La cadena que no es transcriu es diu estabilitzadora.
– Segons el gen la cadena que es transcriu es una o es l’altra.
44

45. • De DNA a DNA:
–A→T
–G→C
–C→G
–T→A
• De DNA a RNA:
–A→U
–G→C
–C→G
–T →A
45

46. 6.2. Transcripció en procariotes
• Els procariotes tenen un únic tipus de
RNA polimerasa que sintetitza tots els
tipus de RNA.
• La transcripció té lloc en quatre fases:
– Iniciació.
– Allargament o elongació.
– Terminació o acabament.
– Maduració.
46

47. 1. Iniciació:
• Al DNA existeixen unes seqüències denominades
promotores (que no es transcriuen) a partir de les quals
s’estableix la unitat de transcripció.
• El promotor conté unes seqüències de nucleòtids,
anomenades seqüències consens que són detectades
per la RNA polimerasa.
• El promotor determina quina de les dues cadenes ha de
ser transcrita.
• Una vegada fixada (RNA polimerasa) es desenrotlla la
cadena i comença la síntesi.
• La cadena copiada s’anomena patró.
2. Allargament o elongació:
• La RNA-polimerasa recorre la cadena codificadora cap a
l’extrem 5’ es produeix la síntesi del RNA en direcció
contrària, 5’ → 3’.
47

48. 3. Terminació o acabament:
• La transcripció acaba quan l’RNA-polimerasa
arriba a una seqüència que està formada per G i
C seguides de diverses T i que origina un bucle
al final de l’RNA. Aquesta seqüència s’anomena
seqüència d’acabament.
• L’RNA-polimerasa es separa i el DNA torna a
formar el doble hèlix.
4. Maduració:
• Es dóna o no segons el tipus de RNA sintetitzat:
– mRNA: Directament té lloc la traducció, donant lloc a
una proteïna funcional.
– tRNA o rRNA: transcrit primari; es fragmenta i
s’empalmen els fragments que donaran lloc al RNA
definitiu.
48

49. Promotor ARN-polimerasa
5’ 3’
3’ 5’
Iniciació
5’ 3’
3’ 5’
ARN
Elongació
5’ 3’
3’ 5’
Acabament
5’ 3’
3’ 5’
ARN transcrit
49

50. 6.3. Transcripció en eucariotes
• Es més complexa que als procariotes
(cromatina).
• Hi ha regions on el DNA esta sempre estès
(transcripció contínua).
• Intervenen nombroses proteïnes reguladores
(factors de transcripció) que interactuen amb la
RNA polimerasa.
• Intervenen diversos tipus de RNA polimerases:
– RNA-polimerasa I: fabrica els precursors de rRNA.
– RNA-polimerasa II: produeix nRNA, precursor de
mRNA.
– RNA-polimerasa III: sintetitza precursors de tRNA i
el RNA 5S de la subunitat gran dels ribosomes.
50

51. • Els gens estan fragmentats de manera que
sempre cal un procés de maduració en la que
s’eliminen introns i s’empalmen les seqüències
que tenen sentit, els exons.
• L’mRNA es monocistrònic (monogènic), només
conté la informació per sintetitzar un polipèptid.
• El DNA està associat a histones formant
nucleosomes.
• La transcripció té lloc en quatre fases:
– Iniciació.
– Allargament o elongació.
– Terminació o acabament.
– Maduració.
51

52. 1. Iniciació:
• La RNA-polimerasa II es fixa a la regió promotor del
DNA (formant el complex de transcripció).
• Els promotors en eucariotes tenen dues regions
identificables: seqüència consens CAAT i regió TATA.
• Perquè es pugi fixar la RNA-polimerasa es necessària la
intervenció dels factors de transcripció, unes proteïnes.
• Tot el conjunt rep el nom de complex d’iniciació de la
transcripció.
2. Allargament o elongació:
• Síntesi continua en sentit 5’→3’.
• Una vegada s’han transcrits uns 30 nucleòtids s’afegeix
a l’extrem 5’ una caputxa de metilguanosina invertida.
• Un mateix gen pot ser transcrit per diverses RNA-
polimerases alhora.
52

53. Promotor Unitat de transcripció
5’ 3’
Iniciació
3’ 5’
ARN
ARN-polimerasa
5’ 3’
3’ 5’
m7-Gppp
Elongació Caputxa 5'
5’ 3’
3’ 5’
m7-Gppp
53

54. 3. Terminació o acabament:
• Durant la transcripció, la RNA-polimerasa es pot trobar
amb una seqüència d’acabament (TTATTT).
• Després d’aquesta seqüència s’afegirà una cua de poli-
A (adició catalitzada per l’enzim poli-A-polimerasa)
formada per uns 200 ribonucleòtids d’adenina.
• Ja està format el pre-mRNA.
4. Maduració:
• Es produeix al nucli i la realitza un enzim anomenat
ribonucleoproteïna petita nuclear (pnRNP).
• Diversos pnRNP formen un complex de tall i unió que
eliminarà els introns.
• Posteriorment una RNA-lligasa unirà els exons.
54

55. Maduració 5’ 3’
Exó 1 Intró Exó 2
Proteïna
RNPpn
Espliceosoma
5’ 3’
Intró
Exó 1 Exó 2
ARNm 5’ 3’
55

56. 5’ 3’
Finalizació
3’ 5’
PoliA-polimerasa
m7-Gppp
Caputxa 5'
OH
ARN heterogeni
nuclear
Cua poli-A
m7-Gppp OH
Caputxa 5'
56

57. 7. El codi genètic
• El codi genètic es la clau que relaciona una seqüència
polinucleòtidica de mRNA amb una seqüència
d’aminoàcids de les proteïnes.
• L’RNA es un polímer lineal de 4 nucleòtids diferents i les
proteïnes són polímers de 20 aminoàcids.
• El nombre mínim per codificar cada aminoàcid es de tres
nucleòtids: 43 = 64 possibles triplets
57

58. 7.1. Descobriment del codi genètic
• Severo Ochoa (nobel 1959) va aïllar l’enzim
poliribonucleòtid fosforilasa capaç de sintetitzar RNA in
vitro.
• Es varen fer diversos experiments:
– Homopolimers: RNA sintètics que tan sols contenen un tipus
de ribonucleòtidsnucleòtids:
• poli U: UUU FENILALANINA
• poli C: CCC PROLINA
• poli A: AAA ARGININA
• poli G: GGG GLICINA
– Copolimers: Polímers que contenen més d’un ribonucleòtids
diferent. Es fabriquen posant dos ribonucleòtids en diferents
quantitats.
– Polímers de sequència coneguda: poli-UC:UCU (serina), CUC
(leucina).
– RNA transferents marcats: marcatge amb radioactivitat.
58

59. 7.2. Característiques del codi genètic
• 3 nucleòtids del mRNA (codó) determinen un aminoàcid.
• Es degenerat, és a dir, existeixen més codons (64) que
aminoàcids (20), per tant:
– Un aminoàcid pot estar codificat per més d’un codó.
– Quan un aminoàcid està codificat per varis triplets sol variar el
tercer nucleòtid.
• No hi ha solapaments: cada nucleòtid només pertany a
un triplet.
• No hi ha espais en blanc entre els triplets (no hi ha
signes de puntuació).
• Es universal: el mateix triplet codifica pel mateix
aminoàcid en diferents espècies.
• Hi ha un triplet d’iniciació, AUG (metonina).
• Existeixen tres codons de terminació (stop), que no
codifiquen per cap aminoàcid: UAA, UAG y UGA.
59

60. 8. La traducció.
Biosíntesi de proteïnes
• La traducció és la unió d’aminoàcids mitjançant enllaços
peptídics, segons una seqüència que correspon a la de
nucleòtids de l’mRNA.
• Té lloc al ribosomes d’una forma similar en procariotes i
eucariotes
• Intervenen: aminoàcids, tRNA, ribosomes, mRNA,
enzims, factors proteics i nucleòtids trifosfat.
• Cada cadena polipeptídica es sintetitza des del seu
extrem amino terminal cap al seu extrem carboxil.
• Les principals etapes són tres:
– Activació dels aminoàcids.
– Traducció.
– Associació de diverses cadenes
polipeptídiques per a construir proteïnes.
60

61. 8.1. Activació dels aminoàcids
• L’activació és la unió de cada aminoàcid al seu tRNA
específic.
• Intervenen l’enzim aminoacil-tRNA-sintetasa i l’ATP.
• El reconeixement de l’aminoàcid per tRNA es dóna
gracies a que aminoacil-tRNAsintetases tenen tres llocs
d’unió diferents:
– reconeixement de l’aminoàcid,
– reconeixement del tRNA
– reconeixement del ATP.
• Hi ha un aminoacil-tRNA-sintetasa per a cada tRNA
• L’aminoacil-tRNA-sintetasa es considera un adaptador
entre tRNA i l’aminoàcid.
• Al tRNA es consideren els adaptadors finals:
transformen la informació (nucleòtids) en aminoàcids.
aa + ATP + tRNA → tRNA(3’)-aa + AMP + Pi
61

62. 8.2. Traducció
• Una vegada activats els aminoàcids en
l’etapa anterior, continua el procés de
biosíntesi de proteïnes als ribosomes.
• Hi ha tres subetapes:
– Iniciació de la síntesi.
– Elongació o allargament de la cadena
polipeptídica.
– Acabament de la síntesi.
62

63. 8.2.1. Iniciació de la síntesi
• Per tal que s'iniciï la síntesi és necessària la
intervenció d’uns factors d’iniciació i que hi hagi
un aport d’energia (GTP).
• L’mRNA s’uneix a la subunitat petita d’un
ribosoma gràcies a una seqüència inicial (regió
lider, no traduïda) que té uns deu nucleòtids
complementaris a rRNA.
• El codó d’inici (5’...AUG...3’) s’uneix a
l’aminoacil-tRNA, que és complementari
(3’...UAC...5’) i que s’anomena anticodó.
• S’estableixen enllaços d’hidrogen entre els codó
i l’anticodó.
• Finalment, s’afegeix la subunitat gran formant el
complex ribosòmic.
63

64. Iniciació de la síntesi
3’
U
5’
A C Metionina
5’ A
U 3’
G
ARNt iniciador
E
A
GDP
GTP
3’ 3’
5’ 5’
Subunitat menor
64

65. • En complex ribosòmic o complex actiu es
diferencien tres llocs d’unió:
– Lloc P o centre peptidil: on es situa el primer
aminoacil-tRNA.
– Lloc A o centre acceptor: on es col·loquen els
aminoacils-tRNA següents.
– Lloc E o centre de sortida: on es situa el tRNA que
ha aportat el seu aminoàcid surt del ribosoma.
• Aquest procés no és igual a totes les cèl·lules:
– Eucariotes:
• L’mRNA primer ha de madurar.
– Procariotes:
• Transcripció i traducció simultàniament.
• Si el mRNA es molt llarg es poden formar
poliribosomes (mes d’un ribosoma traduint).
65

66. 8.2.2. Elongació o allargament de la cadena
polipeptídica
• Després de formar-se el complex d’iniciació es
van afegint aminoàcids (segons l’ordre
corresponent pels codons del mRNA).
• Intervenen una sèrie de proteïnes (factors
d’elongació).
• Es donen tres etapes que es repeteixen
cíclicament:
– Unió del aminoacil-tRNA al lloc A (requereix GTP).
– Formació del enllaç peptídic (el primer enllaç es dona
entre metionina del el lloc P i l’aminoàcid del
aminoacil-tRNA). Ho du a terme l’enzim peptidil-
transferasa.
– Transposcició. El ribosoma es trasllada al nou codó
del mRNA i el peptidil-tRNA pasa del lloc A al P.
66

67. 8.2.3. Acabament de la síntesi
• Ve senyalitzada per tres codons especials: UAA,
UAG i UGA (no tenen anticodó complementari).
• També intervenen els factors proteics
d’alliberament:
– Quan s’afegeix l’últim aminoàcid el polipéptid queda
afegit covalentment pel seu extrem carboxil al tRNA
(situat en el lloc A del ribosoma).
– El polipeptidil-tRNA es separa del ribosoma (factors
d’alliberament)
– Un enzim peptidil transferasa hidrolitza l’enllaç ester
entre la cadena polipeptidica i el tRNA.
• Finalment, el polipèptid, el tRNA i el mRNA es
separen del ribosoma i el ribosoma es dissocia
(2 subunitats).
67

68. Elongació de la cadena polipeptídica
Acabament de la síntesi
68

69. 8.3. Associació de diverses cadenes
polipeptídiques per a construir les proteïnes
• A mesura que es sintetitza la cadena polipeptídica
aquesta va adoptant estructura secundària i terciària.
• En acabar:
– Es produeix la separació de l’aminoàcid d’inici (generalment).
– Hi ha proteïnes de membrana i de secreció: duen un pèptid
senyal al seu extrem N-terinal, reconegut per enzims que les
transportaran.
– Alguns polipèptids seran retallats (ACTH o corticotropina).
– Altres polipèptids s’uneixen a ions o coenzims.
– Algunes proteïnes estan formades per diverses subunitats
(provenen del mateix gen o de gens diferents (Hb)).
– Algunes proteïnes no necessiten ser processades.
69

70. 9. La regulació de l’expressió gènica
• El sistema de regulació permet optimitzar els
recursos cel·lulars per transcriure i traduir
únicament el que es necessita en aquell
moment.
• L’mRNA es manté funcional molt poc temps
(inestable):
– La quantitat de mRNA determina la quantitat de
proteïnes
– La síntesi de mRNA regula el metabolisme cel·lular
• La síntesi de mRNA depèn:
– Procariotes: substrat disponible.
– Eucariotes: concentracions hormonal medi intern
(factors reguladors de transcripció).
70

71. 9.1. L’operó
• Jacques Monod i François Jacob van establir aquest
model de l’operó:
• L’operó és el conjunt de gens estructurals.
• Els experiments es van realitzar amb cultius de E. Coli:
– Medi amb glucosa: enzim β -galactosidasa inactiu
– Medi amb lactosa: enzim β-galactosidasa actiu
(β-galactosidasa : enzim que catalitza la dissociació de lactosa
en glucosa i galactosa)
• Es va descobrir que eren tres els enzims que es
reprimien, i són: β-galactosidasa, β-galactòsid-permeasa
i β-galactòsid-transacetilasa.
• Es va arribar a la conclusió que el substrat glucosa
reprimeix tot el conjunt d’enzims que intervenen en la via
metabòlica.
71

72. • En el model de l’operó es
diferencien dos tipus de
gens:
– GENS ESTRUCTURALS:
Codifiquen per a proteïnes
estructurals i enzimàtiques.
– GENS REGULADORS:
Controlen l'expressió dels
gens estructurals.
• Ex.: Operó lac en E. Coli
72

73. • Exemple: Operó lac en E. Coli:
– Un sol gen regulador controla l’expressió de tres gens
estructurals.
– El gen regulador es troba davant dels gens
estructurals.
– Aquest gen regulador (gen y) produeix un repressor
que impideix la transcripció dels altres gens (gens
estructurals).
– El repressor (producte del gen y) queda bloquejat en
presencia d’agents inductors (ex. lactosa).
– Al costat del primer gen estructural (galactosidasa) hi
ha:
• Una regió promotora: s’uneix l’RNA-polimerasa.
• Una regió operadora: s’uneix a un repressor.
73

74. 74

75. 9.2. Control de l’expressió gènica en
eucariotes
• Les cèl·lules eucariotes responen a les
variacions hormonals del medi intern.
• Cada cèl·lula esta especialitzada degut a la
diferenciació cel·lular (tot i que totes les cèl·lules
tenen el mateix DNA).
• Les zones condensades no es transcriuen.
• Cada tipus de cèl·lula presenta un receptors
cel·lular a la seva membrana (cada tipus
cel·lular es susceptible a un tipus d’hormona).
75

76. • El control de la expressió difereix segons
el tipus d’hormones que actuï:
– Hormones lipídiques: Travessen la
membrana i formen complexos hormona-
receptor que indueixen la transcripció de certs
gens.
– Hormones proteiques: No poden travessar
directament la membrana plasmàtica. Els
complex hormona-receptor es forma a la
membrana i, quan es forma, activa un segon
missatger a l’interior cel·lular. Aquest segon
missatger serà el que induesqui la
transcripció.
76

77. 77