àcids nucleics (2014)

Apunte Catalán
Universidad Universidad de Barcelona (UB)
Grado Biotecnología - 1º curso
Asignatura Bioquímica
Año del apunte 2014
Páginas 11
Fecha de subida 05/10/2014
Descargas 22
Subido por

Descripción

tema

Vista previa del texto

Tema 7. Àcids nucleics Els àcids nucleics són biomolècules orgàniques encarregades d’emmagatzemar i difondre la informació genètica, són substàncies àcides que es troben en el nucli: ions àcids en dissolució (tinció bàsica, queda tenyit de color blau). Formen fibres de cromatina (en moments específics del cicle cel·lular en forma condensada) : fils que rodegen fent unes dues voltes a una proteïna anomenada nucleosoma. A més augments s’observa si és ADN (forma una doble hèlix antiparal·lela) o ARN.
Composició: - NUCLEÒSID NUCLEÒTID Ortofosfat: enganxat de forma covalent al carboni 5 de la pentosa.
Pentosa: En el C5 s ’unei x el fosfa t i en el C3 hi ha un –OH que o Ribosa (ARN): C2 -OH intera cciona amb el següent fosfa t a mb un enllaç fosfodièster.
o Desoxiribosa (ADN): C2 -H Base: (unida amb un enllaç N-β-glicosídic C1 de la pentosa) o Púriques (2cercles): adenina i guanina o Pirimídiques (1cercle): citosina, timina (ADN) i uracil (ARN) Presenten molt de nitrogen Les pentoses provenen d’una via metabòlica anomenada “Via de les Pentoses-Fosfat”, relacionada amb el metabolisme lipídic; genera pentoses necessàries perquè es puguin formar les pentoses dels àcids nucleics.
Les bases nitrogenades provenen dels aminoàcids (del seu metabolisme): utilitzen els seus nitrògens. Les pentoses fosfat són sucres que venen de la glucosa.
(En un àcid nucleic, a diferència de les altres molècules biològiques mai es troba sofre) (L'ADN d'una sola cadena és molt poc freqüent, p.ex. en virus. El més habitual és ADN bicatenari que és més estable.) 1 Seqüència lineal (estructura primària) Complementarietat Són nucleòtids encadenats, el 5’-P ataca de manera nucleòfila al 3’-OH, quan s’uneixen s’allibera un pirofosfat (necessitem un grup fosfat, que té tres fosfats). Cada vegada que afegim un nucleòtid gastem energia.
Estructura secundària La molècula d'ADN consisteix en una hèlix doble, ja que està formada per dues cadenes de nucleòtids enrotllades al llarg d'un eix comú. Aquesta doble hèlix és dextrogira i dóna un gir complet cada 3,4 nm. Aquesta estructura secundària es deguda a la complementarietat entre nucleòtids, és una complementarietat química, ve donada pel número d’enllaços: com més ponts d’hidrogen entre bases, més estabilitat. Tres ponts en la unió amb guanina i citosina i dos unions amb timina i adenina.
Doble hèlix de Watson i Crick: es tracta d’una cadena que gira sobre l’altre degut a aquests enllaços.
La direcció d’unió ha de ser antiparal·lela: 5’ -> 3’ 3’ -> 5’ Regla de Chagraff: el nombre de bases púriques és igual al nombre de bases pirimídiques, degut a la complementarietat entre bases.
Desnaturalització DNA: Les dues hèlix poden separar-se fàcilment per escissió dels ponts d’hidrogen entre bases complementàries: - Per augment de la temperatura (prop dels 100ºC) -Per addicció d’alcalins (ionització de bases, diferent pH) Es trenquen totes les estructures excepte la primària. A diferència de les proteïnes, que es podien renaturalitzar i ho feien de manera aleatòria, els àcid nucleics si es renaturalitzen ho fan de manera ordenada: complementària i antiparal·lela, per tant, tornen a estar en el mateix ordre.
(S’observa la importància de l’enllaç guanina-citosina, com que és triple és més fort).
Superenrotllament: 2 La pròpia cadena enrotllada, per tal d’alliberar o guanyar tensió, es “superenrotlla”, igual que un cable de telèfon. S’uneixen els extrems ja que sinó es desfaria.
La cèl·lula no es pot permetre aquestes tensions (força “J”), per aquesta raó ha creat uns enzims anomenats TROPOISOMERASES que mitjançant talls reversibles disminueixen les tensions.
- Aquests enzims provoquen la hidròlisi reversible dels enllaços covalents. Poden o bé tallar 1 (tipus I) o les 2 (tipus II) cadenes.
Passen un segment d’ADN a través de l’espai format.
Tornen a tancar la cadena.
Utilitzen molta energia, per aquesta raó en la seva estructura hi ha ATP incorporat.
Estructura secundària de l’ARN (ARNt) A diferència de les molècules d’ADN, que tenen forma de doble hèlix, les molècules d’ARN poden adoptar diverses conformacions que alhora les permet tenir diferents funcions: missatger, de transferència, ribosomal, regulador o enzim.
L’ARN no forma una doble hèlix, no obstant hi ha regions curtes on si que es duen a terme els enllaços entre bases gràcies a la seva complementarietat i antiparal·lelisme: l’ARNt té aproximadament el 60% de bases aparellades en quatre braços amb estructures amb un intent de doble hèlix. Té forma de fulla de trèvol: - El braç que inclou 3’ i 5’ és on s’uneix l’aminoàcid, per això s’anomena BRAÇ ACCEPTOR.
Els altres dos braços laterals reben els noms d’acord amb la seva composició: - BRAÇ D (o de dehidrouridina).
- Braç TΨC (actua com a lloc de reconeixement del ribosoma.
L’estructura terciària de l’ARN adopta forma de “L”.
Estructura terciària (associació de proteïnes) En l’estructura terciària de l’ADN, els àcids nucleics s’enganxen a histones (proteïnes de caràcter bàsic, riques en arginines i lisines) enrotllant-se fent dues voltes formant nucleosomes.
En un octàmer d’histones tenim 4 parells d’histones diferents: H2A, H2B, H3 i H4. A més, hi ha la histona H1 que estabilitza l’enrotllament de l’àcid 3 nucleic al voltant d’aquest octàmer i amb un clic fixa les dues voltes estabilitzant-les, aquesta última histona no està dins de l’octàmer.
Un cop enrotllades les histones, es realitza un superenrotllament: es concentra i s’uneix, per tal d’ocupar menys espai i rebre menys agressions.
Estructura quaternària (empaquetament DNA) L’ADN no sempre presenta estructura quaternària, sinó que solament es presenta durant la divisió cel·lular (metafase, en la resta de fases l’ADN no està empaquetat). Es tracta d’un empaquetament total d’ADN formant el cromosoma.
Telòmers Cromàtides Centròmer SOLENOIDE CROMATINA CROMOSOMA Cicle cel·lular: Estructura terciària d’ARN Els ribosomes (formats per ARN ribosòmic) contenen dues subunitats diferents en mida i composició: (les S corresponen a la mesura de velocitat de sedimentació) 4 - 30S: formada per una molècula d’ARNr 16S i per 21 proteïnes diferents.
- 50S: conté molècules d’ARNr de diferents velocitats de sedimentació (5S i 23S) i 32 proteïnes diferents.
En el cas dels procariotes solament presenten una unitat: ribosoma 70S ADN circular (bacteris i mitocondris) Es tracta d’una doble cadena en forma circular. Per aquesta raó amb diferents quantitats de cromosomes es poden fer la mateixa quantitat de proteïnes.
Nucleases Les nucleases són enzims que produeixen el trencament dels enllaços fosfodiéster de la cadena polinucleotídica dels àcids nucleics, tant en l’ADN com en l’ARN.
- Endonucleases: poden començar a degradar en llocs específics d’una cadena o molècula d’àcid nucleic, reduint-les cada cop a fragments cada cop més petits.
- Exonucleases: degraden els àcids nucleics des d’un extrem de la molècula (treuen un per un els nucleòtids).
Digestió dels àcids nucleics Els àcids nucleics de la dieta són degradats a l’intestí per les nucleases del pàncrees (poc específiques).
Els nucleòtids resultants són desfosforilats per la fosfatasa alcalina de l’intestí i els nucleòsids originats són descomposats per les nucleosidases.
Enzims o endonucleases de restricció Els enzims de restricció són endonucleases que reconeixen, amb una alta especificitat, una seqüència (d’entre 4 a 8 bases) d’ADN de doble cadena, produint el trencament hidrolític de cadena en seqüències concretes d’ADN anomenats llocs de restricció, deixant dos extrems cohesius.
Si tallen dos troços d’ADN poden unir-se i això provoca mutacions.
5 Tema 8. Processos dels àcids nucleics.
Dogma General de la Biologia Molecular REPLICACIÓ SEMICONSERVATIVA És la duplicació del material genètic (ADN) abans de la divisió cel·lular, durant la fase S. És semiconservativa, en cada cicle la meitat del material genètic pertany a l’anterior cicle. És a dir, que les dues cadenes d’ADN original al separar-se (trencant els ponts d’hidrogen i així l’estructura secundària) fan de motlle per la síntesi de la nova cadena. El resultat són dues molècules d’ADN noves cadascuna amb una cadena nova (cadena complementària) i una vella(cadena motlle) (que té en compte la complementarietat i l’antiparal·lelisme). Aquest procés es denomina replicació semiconservativa. La síntesi té lloc en direcció 5’ -> 3’ utilitzant l’ADN polimerasa.
En primer lloc l’ADN es desenrotlla i es trenquen els ponts d’hidrogen entre les dues cadenes.
Aquest procés es fa gràcies als enzims helicases. Les proteïnes enllaçants a cadena senzilla eviten que les cadenes es tornin a unir. Això crea una bombolla de replicació que es formen en molts llocs de la molècula d’ADN augmentant la velocitat de replicació. Mitja bombolla de replicació és una forquilla de replicació.
Un cop les cadenes s’han desenrotllat i s’han separat amb l’ajuda de l’ADN girasa, les ADN polimerases III poden començar a construir una nova cadena en direcció 5’ -> 3’.
- La cadena líder és la nova cadena que creix de manera contínua cap a la forquilla de replicació. No obstant, l’ADN polimerasa no pot iniciar una nova cadena sinó que solament pot prolongar una cadena preexistent. L’ARN primasa col·loca els primers nucleòtids de la nova cadena. El segment resultant d’ARN encebador (primer) proporciona un extrem 3’ lliure on l’ADN polimerasa es pot enllaçar i pot anar col·locant els nucleòtids complementaris a mesura que es desplaça al llarg de la cadena motlle. Per tant, l’ADN polimerasa llegeix la cadena motlle en direcció 3’ -> 5’ i constueix en direcció 5’ -> 3’.
L’hèlix continua desenrotllant-se i obrint-se permetent a la cadena líder créixer de manera contínua en la direcció de la forquilla de replicació. Més tard, un tipus diferent d’AND polimerasa : ADN polimerasa I reemplaça el ARN encebador per ADN.
Com afegim nucleòtids amb l’ADN polimerasa? L’ADN polimerasa porta el següent nucleòtid trifosfat. Es produeix un alliberament d’energia quan aquest enllaç es trenca per tal de que el nucleòtid s’enganxi amb l’anterior per l’extrem –OH (3’). Aquesta energia s’utilitza per polimeritzar (formació de noves cadenes d’ADN) la nova cadena. A més, es formen ponts d’hidrogen entre els nucleòtids paral·lels.
6 - La cadena retardada es sintetitza en la direcció oposada en la que avança la forquilla, aquesta és la nova cadena que creix de manera discontinua. En primer lloc l’ARN polimerasa afegeix un segment d’ARN encebador (primer). Aleshores, l’ADN polimerasa comença a sintetitzar la nova cadena d’ADN. Abans de que pugi continuar la síntesi de la cadena retardada l’hèlix ha de continuar desenrollant-se, així la cadena retardada sintetitza de manera discontinua. Un cop més l’ARN primasa comença la nova cadena. Els trams discontinus d’ADN s’anomenen fragments d’Okazaki. Igual que la cadena conductora, l’ADN polimerasa I canvia l’ARN encebador per ADN. Aleshores una ligasa uneix els fragments d’ADN.
La cadena conductora i la retardada comencen a replicar-se treballant en direccions oposades, la cadena conductora és més ràpida que la retardada.
Forquilla de replicació Bombolla de replicació Polimerases: Com hem vist, existeixen diferents tipus de polimerases. En els eucariotes s’anomenen (α, β, γ, δ, ε...), en canvi en els procariotes s’anomenen (I, II, III, IV, V...) - Polimerasa I: té activitat exonucleasa, és a dir, degrada les cadenes des de l’exterior. Té capacitat reparadora.
- Polimerasa III: es dedica a sintetitzar però no repara.
Telòmers i telomerasa A cada cicle de replicació es perd material genètic, el tros final d’ADN: el telòmer. Exis teixen unes proteïnes anomenades telomerasa que permeten sintetitzar un tros d’ADN per allargar l’ADN del telòmer.
En els segments retardats d’ADN arriba un moment en que ja no es poden afegir més fragments d’Okazaki, aleshores queda un tros d’ADN que no es pot sintetitzar. Si no existís la telomerasa, els telòmers serien cada cops més curts fins acabar-se l’ADN. Això s’anomena “problema de final de replicació”.
La telomerasa (proteïna + ARN) es col·loca sobre el segment del telòmer 3’ i alllarga la cadena, és a dir, el telòmer (amb ADN sintetitzat segons el codi d’ARN de la telomerasa, és a dir, no és significatiu i no porta informació). Com que el telòmer és més llarg poden afegir-se més fragments d’Okazaki i per tant replicar-se l’ADN que si que aporta informació; tornarà a quedar un tros final que no es podrà sintetitzar però com que és el que ha afegit la telomerasa no suposarà cap problema.
7 L’activitat telomeràsica és més elevada com més elevada sigui la proliferació de les cèl·lules, com més vell sigui l’individu, aquesta activitat és més lenta. Si s’allarguen molt els telòmers, es pot produir càncer.
Reparació En la síntesi d’ADN es poden produir diversos errors a causa de la polimerasa I. Per exemple: els dímers de timina i els “missmach”.
Dímers de timina: la llum ultraviolada fa que apareguin els dímers de timina, és a dir, dues timines consecutives de la mateixa cadena unides.
Això fa que no es pugi replicar l’ADN perquè la polimerasa no ho reconeix.
L’endonucleasa UV reconeix aquesta regió i la talla. L’ADN polimerasa I sintetitza un nou fragment d’ADN a més a més de menjar-se l’error. Per últim, l’ADN lligasa uneix els nous fragments.
“Missmach”: a causa d’un aparellament erroni entre nucleòtids. Procés: dos UrvA i un UrvB escanegen l’ADN i detecten la mutació. Els UrvA s’alliberen i es substitueixen per UrvC que realitza dos talls als costats (llunyans) de la mutació. Arriba l’UrvD que separa aquest tros tallat i alhora es separa tot el polímer UrvB/C/D, quedant un espai buit. Amb l’ajuda de l’ADN polimerasa i l’ADN ligasa es sintetitza de nou l’ADN, però aquesta vegada sense mutació. (Urv = ultaviolet light repair).
Topoisomerases: L’ADN te tendència a superenrotllar-se si a més l’ADN al duplicar-se forma forquilles encara pateix més tensió. Les topoisomerases alliberen aquesta tensió de forma reversible trenca enllaços fosfodièsters i els torna a formar.
Model forquilla Dímer de polimerasa, que mitjançant un gir en l’ADN permet formar les dues noves cadenes en el nou sentit.
Replicació eucariota En els eucariotes l’ADN és més gran i per tant té més orígens de replicació i és més complicat. Per tal de controlar que un tros no es repliqui dues vegades, hi ha unes proteïnes que un cop produït el cicle de replicació no permeten que torni a passar fins a la pròxima mitosi.
Nucleosomes Els nucleosomes es reparteixen de manera aleatòria en les dues cadenes inicials i mentre es duu a terme la duplicació d’ADN també es fa replicació d’histones. Tant en la cadena líder com a la retardada hi ha nucleosomes vells i nous.
Procariotes i mitocondris Tenen l’ADN circular i tenen un únic origen de replicació. Presenten unes 6000-7000 parells de bases, en canvi els eucariotes tenen milions.
8 TRANSCRIPCIÓ És el procés de passar d’ADN a ARN. Intervenen les ARN polimerases, ribonucleases, ARN missatger, ARN ribosòmic, factors de transcripció i ATP.
En els procariotes el missatge es troba més concentrat. L’ARNm policistrònic porta la informació per la síntesi de més d’una cadena polipeptídica. En eucariotes, en canvi, l’ARN és monosistrònic: solament porta informació per una sola cosa.
La transcripció presenta diverses fases: iniciació, elongació i terminació.
Iniciació Necessitem que es torni a obrir l’ADN (es formi la bombolla de transcripció, ja que s’han trencat els ponts d’hidrogen) i allà es sintetitza l’ARN de manera complementària i antiparal·lela. L’ARN polimerasa té la capacitat de fer tot el que no podia fer l’ADN polimerasa, és a dir, tot sol pot obrir la cadena, sintetitzar l’ARN i tancar la cadena d’ARN.
L’ADN té promotors que són zones d’ADN prèvies que l’ARN polimerasa reconeix i que indica on pot iniciar-se la transcripció (es troba en l’extrem 5’). Són una seqüència de nucleòtids, n’hi ha de dos tipus: - “Caixa” TATA: 10 nucleòtids abans de que s’iniciï la transcripció.
- “Caixa” GACA: 35 nucleòtids abans de que s’iniciï la transcripció.
Promotors forts: tenen la seqüència mantinguda i per tant l’ARN polimerasa no té problemes per detectar les “caixes”.
Promotors febles: per alguna raó s’ha produït algun canvi, si s’acumulen pot ser que l’ARN polimerasa no reconeixi la “caixa” i per tant no es comenci la transcripció. Aquí s’observa la importància de la reparació.
La transcripció s’inicia mitjançant la lectura del gen en direcció 5’ -> 3’, per tant la cadena motlle ha d’estar en direcció 3’ -> 5’; sintetitzarà 5’ -> 3’.
L’ARN polimerasa és un complex multienzimàtic que quan està completa amb la subuni tat σ s’anomena holoenzim, aleshores és capaç d’interpretar el missatge del promotor, que si és correcte aleshores trenca i desfà la doble hèlix formant la bombolla de transcripció i en la bombolla es forma un híbrid d’ADN i ARN (d’uns 10 nucleòtids) que és inestable ja que l’ADN prefereix unir-se a ADN.
La subunitat σ se separa de l’ARN polimerasa i aquesta segueix transcrivint l’ARN, passem a l’elongació fins que novament apareixen una sèrie de missatges que fan que es dugi a terme la terminació.
Finalització 1.Idependent de proteïnes o factors: és dependent de la seqüència que ens trobem que marca una tasa.
9 Hi ha zones d’enllaç més fortes (CG) i més dèbils (AU).la ARN polimerassa transcriu i arriba a una zona que no intrpreta res i es crea una zona d’enllaços forts amb estructura secundària seguida d’una zona d’enllaços febles, això fa que es desestabilitzi l’hibrid de RNA i el complex es separi.
2. Dependents de factors o de proteïnes: existeix una seqüència dependent de l’aparició de proteïnes. El factor (ro), és una ARN polimerasa que sintetitza la zona prèvia a la finalització. La proteïna ro s’enganxa a la zona que reconeix mentre continua la transcripció la proteïna ro va pujant per la corda fins que degut a seqüències que van més lentes perquè són més difícils de transcriure.
La ARNpolimerasa va més lent i el factor ro aconsegueix arribar al transcriptoma. Es desestabilitza l’híbrid i es separa mitjançant la despensa d’una molècula d’ATP, es trenca tot i es separa el lípid.
Regulació de l’expressió Tot això va regulat per la presència dels factors de transcripció, proteïnes que es poden unir a la zona promotora de la regió del gen ( extrem 5’). Aquesta zona es denomina zona activadora. Poden provocar que la RNA pol vagi més ràpid o més lent: - Factor de transcripció negatiu: emmascara el missatge pel que l’ARN polimerasa li costa interpretar la seqüència de transcripció i va molt més lent.
- Factor de transcripció positiu: si hi ha competència entre dos factors hi ha transcripció d’ARN polimerasa. Quan varis factors (3, 5, 6) competeixen entre ells s’associen i va molt més ràpid.
Operón Els operons són seqüències de gens interns que són capaços de reprimir-se, és un exemple de factor de transcripció negatiu.
Transcripció bloquejada: Previ al gen de la lactosa es sintetitza un ARN repressor que bloqueja la transcripció. L’ARN repressor s’uneix a les zones del promotor de la proteïna desitjada i emmascara els missatges de la fase d’iniciació, l’ARN polimerasa no pot llegir-los.
Transcripció activada: Abans del repressor s’ha sintetitzat un repressor del repressor, aquest nou repressor indueix la transcripció i es llegeix el missatge.
Transcripció i traducció separades en espai-temps En els eucariotes es transcriu al nucli i l’ARNm surt del nucli i va cap al citoplasma per tal de que es realitzi la traducció (entre la transcripció i la traducció es du a terme un procés de maduració).
En procariotes no succeeix el mateix, ja que la traducció comença abans de que s’acabi de transcriure sense haver-hi una maduració prèvia de l’ARNm.
MADURACIÓ Té tres fases:capping, poliadenilació i splicing.
Capping: en l’extrem 5’ de l’ARN s’afegeix un metil al iniciar la transcripció.
10 Poliadenilació: al acabar-se la transcripció, en l’extrem 3’ de l’ARNm es col·loca una cua de poliAs que les sintetitza la poliapolimerasa aquest enzim reconeix una seqüència específica (AAUAAA) i és aqui on s’agefeix la cua. Per tal de que s’afegeixi la cua, les endonucleases (induïdes al col·locar-se la poliapolimerasa) tallen un tros final de cadena.
Splicing: eliminació de zones no codificant de l’ARN transcrit, és a dir, els introns. Tallem les zones que no s’expressen i empalmem els exons que si que es traduiran. Els splaiciosomes (complex proteic) ajuden a produir el “corte y empalme”. Hi ha una frontera entre intro i exó, G-U i A-G són les fronteres. Es fa una interacció interna entre els dos introns gràcies a l’splaiciosoma, aquesta interacció és un gir.
11 ...