4. Genètica (2016)

Resumen Catalán
Universidad Universidad Rovira y Virgili (URV)
Grado Bioquímica y Biología Molecular - 1º curso
Asignatura Bioquímica
Año del apunte 2016
Páginas 14
Fecha de subida 24/03/2016
Descargas 48
Subido por

Vista previa del texto

GENÈTICA GENÈTICA: Ciència que estudia la herència biològica i la variació o transmissió de la informació.
ESTRUCTURA I ORGANITZACIÓ DELS ÀCIDS NUCLEICS Estructura bàsica d’un nucleòtid Un nucleòtid és una estructura base que està format per una pentosa (desoxiribosa o ribosa) unida a una base nitrogenada mitjançant un enllaç Nglicosídic i unida a un fosfat mitjançant un enllaç fosfodiéster.
La diferència entre el grup –OH que hi ha entre les pentoses que formen els RNA amb les que formen els DNA, té a veure amb l’estabilitat i resistència que li dóna a la molècula de DNA aquesta manca d’aquest grup funcional.
Designem com a nucleòsid el conjunt que formen el sucre i la base nitrogenada.
Enllaç fosfodiéster entre dos nucleòtids Quan se li incorpora el grup fosfat, deix de ser nucleòsid i s’anomena nucleòtid.
Pot haver-hi nucleòtids monofosfats, difosfats i trifosfats.
El procés d’unió dels nucleòtids entre si consisteix en unir un mononucleòtid des de l’extrem 5 amb un fosfat el qual a la vegada està unit a un altre nucleòtid, el qual hi està unit pel carboni 3.
L’estructura primària d’un àcid nucleic és la seqüència dels nucleòtids enganxats els uns amb els altres mitjançant enllaços fosfodiéster.
Sempre és llegeix una cadena de DNA o RNA de 5’ a 3`. L’extrem 5’ correspon al nucleòtid on el seu grup fosfat no participa en cap enllaç fosfodiéster. L’enllaç 3’ correspon al nucleòtid on el seu –OH en posició 3’ no participa en cap enllaç fosfodiéster.
Cadena polinucleotídica i direccionalitat.
Denominem aquestes molècules com a àcids nucleïcs pel grup fosfat que contenen en l’estructura el qual els manté carregats negativament a pH fisiològic. Aquesta càrrega negativa també prevé dels atacs nucleòfils i es pugui trencar a la cadena.
L’ARN és més “inestable” que no pas el ADN degut a que l’alcohol en la posició 2’ podria hidrolitzar l’enllaç fosfodiéster. L’estructura secundària d’un àcid nucleic va ser descoberta per Watson i Crick.
Aquesta està formada per dues cadenes polinucleotídiques antiparal·leles formant una doble hèlix dextrògira (mateix sentit que les agulles). L’esquelet sucre-fosfat es troba en l’exterior de la doble hèlix. Les bases nitrogenades queden a l’interior de la doble hèlix (efecte hidròfob) i sols són accessibles des de l’exterior per solcs.
Les 2 cadenes són complementàries (entre A i T i entre C i G de cadenes diferents hi ha interaccions mitjançant ponts d’hidrogen). El nombre de A i T (i de G i C) en un DNA determinat són iguals.
Aquest model permet explicar perquè la replicació és semi conservativa.
Aparellament de bases nitrogenades en la doble hèlix.
El nombre de ponts d’hidrogen és característic de cada parell de bases (2 per a AT i 3 per a GC).
Com a major sigui el contingut en GC d’un DNA, major serà la temperatura a la qual es desnaturalitzarà.
(Tm és la temperatura de fusió, que és comunament anomenada temperatura de melting.) Aquesta característica és àmpliament utilitzada en la tècnica de PCR.
Les dimensions de la doble hèlix són pràcticament idèntiques amb independència de parell de bases. La mida aproximadament del DNA en un humà és de 3,6 m per cèl·lula.
La formació dels ponts d’hidrogen entre bases complementàries no esgota les possibilitats de que aquestes participin en més interaccions d’aquest tipus.
Organització del DNA dins de la cèl·lula FLUX DE LA INFORMACIÓ GENÈTICA Replicació: Només es produeix quan la cèl·lula s’ha de dividir. DNA polimerasa depenent del DNA.
Procés pel qual una doble hèlix de DNA és copiada per originar dues molècules idèntiques a la progenitora.
Característiques generals (procariotes i eucariotes):     És semi conservativa.
És ordenada i seqüencial.
Requereix substrats activats.
És semi discontinua.
La replicació és ordenada i seqüencial:       Les dues cadenes filles de DNA se sintetitzen sempre en la direcció 5’3’ Les DNA polimerases catalitzen la unió del nucleòtid al grup 3’ –OH lliure d’un polinucleòtid i, per tant, la cadena només pot créixer en direcció 5’ 3’.
La reacció de polimerització es produeix per un atac nucleofílic del grup 3’ –OH de la cadena que s’està sintetitzant sobre el fosfat alpha del desoxinucleòsid trifosfat que entra (s’allibera pirofosfat inorgànic).
Degut a la complementarietat entre les bases nitrogenades, la cadena que serveix de motlle es llegeix en la direcció 3’ 5’.
La complementarietat entre bases serveix a la DNA polimerasa per saber quin desoxinucleòsid triar i això, és el fonament de la replicació semi conservativa.
Les DNA polimerases sols poden afegir nucleòtids a l’extrem 3’ d’una cadena polinucleotídica preexistent (necessiten d’un encebador o primer que, normalment és una molècula de RNA).
“N” mai pot ser igual a 1. Es refereix al nombre de nucleòtids.
Aquest ha de tenir un nombre mínim de 10.
Requereix de substrats activats Diem que la replicació és semi discontinua ja que les dues cadenes filles se sintetitzen en direcció 5’  3’ però mentre que en una, es fa de forma continua ( la cadena guia), en l’altra es fa de forma discontinua (cadena endarreria). Per tant, es diu que, globalment, la replicació és SEMI-DISCONTINUA.
La replicació té lloc gràcies a l’acció d’enzims i altres proteïnes que hi intervenen. El procés de replicació es pot dividir en tres etapes: iniciació, elongació i terminació. (En procariotes ja que són més senzills) - Iniciació: Es forma el complexa DNA – proteïna creant una tensió que força el desenrotllament de DNA, ajudat per les helicases i la síntesi del RNA encebador per part de l’enzim primasa.
La replicació s’inicia en l’origen de replicació La helicasa és la que permet que s’obri la cadena D’origen de replicació, en procariotes és únic, mentre que en eucariotes n’hi ha diversos.
- Elongació: Les DNA polimerases sols poden afegir nucleòtids a l’extrem 3’ d’una cadena polinucleotídica preexistent.
Les dues cadenes parentals es repliquen simultàniament a la forca de replicació.
La forca de replicació és el punt on el DNA parental és desenrotllat i les cadenes separades són ràpidament replicades.
Enzims: Les nucleases són els enzims que degraden el RNA o el DNA.
- Les exonucleases degraden l’àcid nucleic des d’un dels seus extrems [ des de l’extrem 5’ (exonucleades 5’  3’) o des de l’extrem 3’ (exonucleades 3’ 5’)].
- Les endonucleases poden començar la digestió del DNA des de qualsevol lloc.
- Les DNA polimerases tenen activitat 3’  5’exonucleasa que els hi permet revisar el nucleòtid després d’afegir-lo.
DNA polimerases en els procariotes:  DNA polimerasa III:  És el principal enzim de la replicació.
 Està formada per 10 o més tipus de subunitats.
 Un nucli de polimerasa està format per una subunitat de cadascun dels tipus θ, α i ε que: (a) polimeritza el DNA i (b) presenta baixa processativitat.
 Dos nuclis de polimerasa poden formar un complex amb un dímer de dues subunitats de tipus τ. Aquest complex dimèric es pot associar amb un complex format per 6 subunitats de 5 tipus diferents (Ex: γ2δδ’χψ) i el conjunt de 14 subunitats que en resulta és la DNA polimerasa III* (que pot polimeritzar DNA però amb una processivitat baixa).
 La processivitat elevada s’aconsegueix amb l’adicció de les 4 subunitats del tipus β. El conjunt resultant (18 subunitats de 10 tipus diferents) constitueixen la DNA pol. III.
Síntesi de la cadena retardada:  DNA polimerasa I: En bacteris té activitat 5’ exonucleasa i elimina els ribonucleòtids de l’encebador i els substitueix per desoxiribonucleòtids.
 Mitjançant la seva activitat 5’  3’ exonuclasa, elimina els encebadors de RNA formats durant la replicació.
 Repara el DNA mitjançant la seva activitat 3’  5’ exonucleasa “correcció de probes”.
 DNA lligasa: Catalitza la formació de l’enllaç fosfodiéster entre els extrems 3’ i 5’.
Seqüència d’acció de les DNA polimerases I i III i de la DNA lligasa en la cadena retardada.
Elongació de la cadena guia 1.
2.
3.
La primasa (també anomenada proteïna DnaG –en bacteris-) sintetitza una cadena curta de RNA (de 10 a 60 nucleòtids) que servirà d’encebador.
Posteriorment, la DNA polimerasa III afegeix els nucleòtids i fa la polimerització (coordina amb el descargolament del DNA a la forca de replicació).
La síntesi de la cadena guia es va produint conforme el DNA és descargolat per la DnaB helicasa.
Elongació de la cadena retardada 1.
2.
3.
- La primasa sintetitza una cadena curta de RNA (de 10 a 60 nucleòtids) que servirà d’encebador per la creació d’un primer segment de DNA (un dels anomenats segments d’Okazaki).
La DNA polimerasa III polimeritza fins que arriba a l’encebador del segment d’Okazaki anterior.
Se sintetitza un nou encebador prop de la forca de replicació i comença de nou el procés.
Finalització: En E. coli la replicació acaba a la regió Ter, on s’uneix la proteïna Tus bloquejant les forquetes de replicació.
Transcripció: Procés de síntesi enzimàtica d’un RNA amb una seqüència complementària a un segment de DNA.
Els principals enzims implicats són les RNA Es produeix moltes vegades en la vida d’una cèl·lula.
polimerases, que catalitzen la síntesi de RNA depenent del DNA motlle i dels 4 ribonucleòtids 5’-trifosfat (ATP, GTP, UTP i CTP).
En eucariotes:  snRNA (small nuclear): SPLICING  miRNA (micro) : REGULATION La transcripció s’assembla a la replicació en que...
1.
2.
3.
El mecanisme d’addició de nucleòtids a la cadena polinucleptídica és el mateix (atac nucleofílic de l’hidroxil en posició 3’ al fosfat en posició α del ribonucleòsid trifosfat).
La direcció del creixement de la cadena polinucleotídica també és 5’  3’.
Es necessita una cadena DNA que actuï de motlle.
La transcripció difereix de la replicació en què...
1.
2.
3.
4.
La RNA polimerasa no necessita cap encebador.
Només es transcriu una zona determinada del DNA i no tot ell (en els gens hi ha seqüències específiques que indiquen els punts d’inici i d’acabament de la transcripció).
Durant la transcripció només serveix de motlle una de les dues cadenes del DNA.
La RNA polimerasa no té activitat 3’  5’ exonucleasa (activitat exonucleasa correctora d’errors).
Cadenes de DNA motlle i no motlle: - La cadena que es transcriu s’anomena cadena motlle i pot estar situada a qualsevol de les dues cadenes.
La cadena que no es transcriu s’anomena cadena codificant o cadena no motlle i és idèntica en seqüència al RNA que es transcriu (llevat que les T són substituïdes per U).
Etapes de la transcripció: iniciació, elongació i terminació. (Cal especificar sempre on es comença, on acabarà i quina de les cadenes es transcriurà). (L’exemple està basat en la transcripció de E. coli).
Primer de tot però, què és un promotor?      Un promotor és un segment de DNA que reconeix la RNA polimerasa i que li permet reconèixer fàcilment quin DNA s’ha de transcriure (és adjacent a la pròpia seqüència del promotor).
El primer nucleòtid que es transcriu se’l numera com a +1, el següent +2 i així successivament.
Els nucleòtids del DNA a l’esquerra del +1 reben valors negatius (el que queda immediatament a la seva esquerra és el -1 i així successivament).
Cada segment de DNA que s’ha de transcriure té el seu propi promotor. (Tots les gens que es transcriuen tenen un promotor).
Per conveni, les seqüències reguladores que controlen la transcripció es descriuen mitjançant la seqüència de la cadena codificant (així té la mateixa direcció que el RNA transcrit).
Característiques dels promotors de E. coli     - Hi ha zones molt ben conservades al voltant de les posicions -10 i -35 que són on s’uneix la subunitat σ70 de la RNA polimerasa.
Els promotors dels gens altament expressats presenten l’anomenat upstream promotor (UP) que és ric en AT i aabasta la regió que va de -40 a -60 (s’hi uneix la subunitat α de la RNA pol).
Les pròpies característiques del promotor (com ara les seqüències de les zones conservades, l’espai entre elles i la distància a la posició +1) poden afectar notablement l’activitat de la RNA polimerasa i establir un nivell basal d’expressió.
Com més semblant sigui un promotor al consens, més es transcriurà el gen corresponent (serà un promotor fort). Com menys s’assembli, menys es transcriurà el gen corresponent (serà un promotor feble).
Iniciació: La RNA polimerasa s’uneix al promotor però el DNA encara està intacte (sense descargolar). Aquest complex rep el nom de complex tancat. Quan es descargola un segment es forma l’anomenat complex obert.
Complex tancat Complex obert - Iniciació i elongació: 1. S’omple el lloc d’unió preferent per ATP i GTP (doncs els mRNAs solen tenir purines en 5’).
2. El grup 5’-trifosfat del primer nucleòsid trifosfat de la cadena naixent de RNA no es trenca per alliberar PPi.
3. S’omple el segon lloc d’unió per a rNTPs i es van afegint.
4. σ es dissocia després d’afegir uns 10 nucleòtids.
- Elongació: La bombolla de transcripció - Terminació: La seqüència de DNA determina que s’acabi la transcripció i el RNAm sintetitzat s’alliberi, ja sigui degut a la pròpia estructura de mRNA o bé amb l’ajut de proteïnes que s’uneixen al RNAm i en faciliti la dissociació del DNA.
En bactèries se’n coneixen dos tipus:  Depenent de la proteïna Rho: avisa a la RNA polimerasa que s’ha d’acabar de transcriure.
 Independents de la proteïna Rho: [PALÍNDROME] Quan la RNA polimerasa identifica aquests bucles (*) i una zona rica en uracils que tenen poca complementarietat, la proteïna se separa de la cadena de DNA i deix de transcriure’s.
(*) G C G C G C U U U U     El RNA acabat de sintetitzar (l’anomenat transcrit primari) no té perquè ser funcional.
Per tal de ser funcionals o madurs, molts RNA s’han de processar mitjançant un seguit de reaccions.
Els RNAs que es processen més extensivament són els RNAm d’eucariotes i els RNAt (tant d’eucariotes com de procariotes).
El processament és catalitzat per enzims (tant proteics com ribozims) Tipus de modificacions - Eliminació de segments de RNA per acció d’exonucleases i endonucleases.
Addicció de seqüències de nucleòtids als extrems Modificació de nucleòtids específics.
Traducció: És produeix moltes vegades en la vida d’un individu.
mRNA: GGU GCU UCU Proteïna: Val Ala Ser Codó Codi genètic Al RNA hi ha 4 nucleòtids i a les proteïnes 20 aminoàcids. Calen combinacions de nucleòtids per especificar un aminoàcid.
- 3 Les combinacions han de ser com a mínim de 3 nucleòtids: 4 = 64.
Cada combinació de 3N (un triplet) = codó, que codifica per a un AA determinat.
El conjunt de codons que especifiquen els AA proteics constitueixen el codi genètic.
El codi genètic no té solapaments. Quan es llegeix un missatge codificat, és molt important la pauta de lectura. El codi genètic està degenerat: té 64 codons per a 20 AA.
- El codi genètic no és ambigu: cada codó designa un únic AA.
És quasi universal.
AUG, a més de codificar per Met, és el codó d’inici de la traducció.
Hi ha 3 codons de parada de la traducció: UAA, UAG, UGA. No codifiquen per AA.
Síntesi de proteïnes als ribosomes. (En procariotes, en eucariotes és molt semblant) Es poden distingir 3 fases: iniciació, elongació i acabament.
EL RIBOSOMA El ribosoma és el lloc on es fa la traducció del mRNA a proteïna.
Els ribosomes poden dissociar-se en 2 subunitats: la subunitat gran i la subunitat petita.
Les formes de les subunitats i la del ribosoma sencer de procariotes i eucariotes s’assembla molt.
Les seves funcions són: Reconèixer les regions apropiades del mRNA per a començar la traducció.
Aparellar correctament codons i anticodons.
Formar els enllaços peptídics.
Té 3 llocs enllaçants per a rRNAs: Lloc A: enllaça els tRNA que porten els AA.
Lloc P: enllaça els tRNA que porten el pèptid.
Lloc E: enllaça els tRNA que no porten cap AA.
Etapes de la traducció: iniciació, elongació i acabament.
- Iniciació: AUG és el codó d’inici, que també codifica per la Metionina.
Com es distingeixen els AUG d’iniciació dels interns? Ho determina el context el qual es troba el codó.
en Seqüència de Shine-Dalgarno: precedeix al AUG i és una regió que no es tradueix rica en A i G per alinear el mRNA al ribosoma.
Aquesta seqüència Shine-Dalgarno és complementària d’un fragment ric en pirimidines (CU) de l’extrem 3’ del rRNA 16S.
L¡aparellament de bases entre la seqüència Shine-Dalgarno del mRNA i del rRNA 16S permet que el ribosoma seleccioni el codó d’iniciació correcte.
El procés de iniciació consisteix en: 1.
2.
3.
Una subunitat petita (30S) lliure, amb factor d’iniciació, s’uneix al mRNA.
El fMet – tRNAfMet s’aparella amb el codó AUG, amb l’ajut de IF-2-GTP (només reconeix el tRNAf). La hidròlisi del GTP aporta energia al procés.
El fMet – tRNAfMet s’uneix al lloc P del ribosoma; és l’únic tRNA que entra per aquest lloc, la resta ho fan al lloc A.
tRNA: No hi ha cap afinitat específica entre les cadenes laterals dels aminoàcids i les bases nitrogenades del mRNA.
Calen molècules adaptadores que relacionin els codons amb els seus aminoàcids: els tRNA.
Nomenclatura (el superíndex indica l’AA): tRNA Ala - Braç de l’aminoàcid: l’AA s’uneix a l’extrem 3’ que sempre acaba amb la seqüència CCA.
- Braç anticodó: regió de la molècula de tRNA que interacciona directament amb un codó del mRNA, a través d’una seqüència de 3 bases (anticodó).
Activació dels aminoàcids: Per a sintetitzar proteïnes cal formar enllaços peptídics, reacció que és termodinàmicament desfavorable. Cal activar el carboxil dels AA. Això es fa enllaçant-los als tRNA.
- Elongació: És un procés costós energèticament.
Microcicle total per a l’elongació de la cadena proteïca: (Mirar imatge foto pàgina següent) Cada AA s¡afegeix per la repetició d’un microcicle que conta de 3 etapes: 1.
2.
3.
4.
Unió de l’aminoacil-tRNA reconegut per un codó, al lloc A.
Formació de l’enllaç peptídic.
Translocació: desplaçament del ribosoma pel mRNA un codó cap a 3’.
La cadena creix en un residu.
En procariotes, la traducció i la transcripció són simultànies.
En la traducció diversos ribosomes poden llegir a la vegada la mateixa molècula de mRNA formant un poliribosoma o polisoma.
- Acabament: (en procariotes) Quan el codó que hi ha al lloc A és un codó de STOP (UAA, UAG o UGA) s’acaba la síntesi proteica.
El codó STOP no és reconegut per un tRNA sinó per proteïnes factors d’alliberament. L?extrem de la cadena s’allibera amb la hidròlisi de l’enllaç pèptid - tRNA.
RESUM: La subunitat petita del ribosoma s’uneix a la cadena de mRNA.
S’uneix al mRNA el tRNA que porta unit l’AA Met. Damunt d’aquest tRNA s’hi acopla la subunitat gran ribosòmica de manera que el tRNA queda situat en la posició P del ribosoma (la posició central).
Tot seguit s’uneix al mRNA un altre tRNA que porta unit un altre AA (Lys). En aquest moment s’uneix la Met damunt de la Lys mitjançant un enllaç peptídic.
A continuació, el ribosoma es mou tres posició direcció 3’ fent que el tRNA que portava unit la Met quedi en la posició E (primera posició començant per la esquerra) fent que aquest s’alliberi del mRNA.
Torna a unir-se un altre tRNA al mRNA en la posició A del ribosoma (posició 3 començant des de l’esquerra). El pèptid format anteriorment (Met + Lys) ara s’uneix al AA que porta aquest tercer tRNA. El ribosoma es torna a desplaçar tres unitat fent que el tRNA quedi en la posició E, preparat per alliberarse.
Maduració de les proteïnes: Processament que experimenten fins adquirir la conformació funcionalment activa.
Plegament del polipèptid: Quan la cadena polipeptídica comença a sortir del ribosoma ja comença a plegar-se per adoptar les estructures secundària i terciària. Algunes es pleguen de forma espontània, però també sovint amb l’ajut d’altres proteïnes acompanyants (espelmes moleculars o xaperones).
Desformilació de N-fMet (desformilases) Eliminació de metionina Modificacions covalents: - El procés es repeteix indefinidament fins que en comptes d’unir-se un tRNA al mRNA s’hi uneix un factor d’alliberament (release factor) que el que fa és que les dues subunitats del ribosoma se separin i que el polipèptid format d’AA se separi de l’últim tRNA.
Formació d’enllaços disulfur Hidroxilació (ex: hidroxilació de Pro i Lys al col·lagen) Fosforilació d’hidroxiaminoàcids.
Carboxilació Metilació Unió de grups prostètics Unió a cadenes hidrocarbonades Proteòlisi (ex: zimogens) ...