Àcids Nucleics i Biologia Molecular: Apunts i Resum

I 0 flashcards i 7 preguntes més al document.

Text del document

APUNTS BIOQUÍMICA I BIOLOGIA MOLECULAR Grau en Odontologia Universitat de Barcelona AprenAI 2026-2027 Domina l'estructura de l'ADN i l'ARN, el cicle cel·lular, la replicació, la transcripció, el codi genètic i la traducció per a Bioquímica a la UB.

APREN.AI Índex 1 Organització cel·lular i cicle cel·lular Arquitectura cel·lular: procariotes enfront d'eucariotes Organització del material genètic durant la interfase El cicle cel·lular i les seves etapes 2 Estructura dels nucleòtids i derivats metabòlics Anatomia química dels nucleòtids Classificació i nomenclatura de bases nitrogenades Nucleòtids lliures i transferència d'energia cel·lular Segons missatgers i coenzims metabòlics 3 Estructura de la doble hèlix de l'ADN i empaquetament Estructura covalent i polaritat del polinucleòtid El model de la doble hèlix i la complementarietat de bases Propietats estructurals i conformacions A, B i Z Empaquetament de l'ADN eucariota i cromosoma metafàsic 4 Genoma humà, estructura del gen i dogma central Diversitat biològica i genoma humà Concepte i anatomia d'un gen eucariota El Dogma Central de la Biologia Molecular 5 Replicació de l'ADN i transcripció gènica Replicació de l'ADN i mecanisme de polimerització Transcripció: síntesi d'ARN i polaritat de les cadenes ARN polimerases eucariotes i procariotes Inhibidors farmacològics i toxines de la transcripció 6 Maduració del transcrit primari i tipus d'ARN Del transcrit primari a l'ARN missatger madur Splicing o empalmament: introns, exons i espliceosoma Principals tipus d'ARN a la cèl·lula: ARNm, ARNr i ARNt 7 Traducció proteica, codi genètic i expressió gènica El codi genètic i les seves propietats La maquinària molecular de la traducció Etapes de la síntesi polipeptídica i bioenergètica Inhibició farmacològica de la traducció Expressió gènica: comparació procariota i eucariota 8 Resum per repassar Àcids Nucleics i Biologia Molecular: Apunts i Resum 1 Organització cel·lular i cicle cel·lular Estructura dels nucleòtids i derivats metabòlics Estructura de l'ADN i genoma humà Replicació, transcripció i maduració de l'ARN Codi genètic i traducció proteica Solucions de les preguntes de repàs Aquests apunts poden contenir errors o omissions.

Són un material de suport i no substitueixen el temari oficial ni el professorat: contrasta la informació important. Àcids Nucleics i Biologia Molecular: Apunts i Resum 2 1 Organització cel·lular i cicle cel·lular EN ACABAR SABRÀS Distingir l'organització cel·lular procariota de l'eucariota segons la mida i la compartimentació membranosa. Diferenciar les formes de cromatina interfàsica segons el seu nivell de condensació i activitat de transcripció. Identificar les etapes del cicle cel·lular i les quatre subfases en què es divideix la mitosi.

PENSA-HI ABANS DE LLEGIR 1 Si totes les cèl·lules del nostre cos descendeixen del mateix zigot primitiu, per què una neurona i una cèl·lula de la pell són tan diferents? La biologia molecular i cel·lular descriu com la matèria viva s'organitza estructuralment i perpetua la informació genètica mitjançant divisions coordinades.

ESQUEMA Estructura del tema: Àcids Nucleics i Biologia Molecular Arquitectura cel·lular: procariotes enfront d'eucariotes Tots els éssers vius es classifiquen segons el seu nivell d'organització en organismes unicel·lulars, formats per una única cèl·lula independent (com tots els bacteris procariotes o els protists eucariotes: protozous i algues), i organismes pluricel·lulars, constituïts exclusivament per cèl·lules eucariotes especialitzades i agrupades en teixits, òrgans i aparells.

En els organismes pluricel·lulars es distingeixen dos grans tipus de cèl·lules: Organització cel·lular Arquitectura cel·lular i fases del cicle Components moleculars Nucleòtids i derivats metabòlics energètics Estructura i genoma Doble hèlix, empaquetament i organització gènica Flux d'informació Replicació, transcripció i traducció del codi Àcids Nucleics i Biologia Molecular: Apunts i Resum 3 Cèl·lules somàtiques: constitueixen la pràctica totalitat del cos de l'individu i es multipliquen mitjançant mitosi. Cèl·lules reproductores o germinals (gàmetes): corresponen a l'òvul i a l'espermatozoide, cèl·lules especialitzades en la reproducció.

Durant la fecundació, la unió d'ambdós gàmetes origina el zigot, la primera cèl·lula diploide del nou ésser viu. El zigot conté tota la informació genètica necessària per al desenvolupament complet. A partir d'aquest s'inicia una etapa de proliferació activa per successives divisions cel·lulars i un procés paral·lel de diferenciació cel·lular: totes les cèl·lules adultes comparteixen la mateixa dotació d'ADN però adquireixen morfologies i funcions dispars. Esquema comparatiu d'un bacteri procariota i de cèl·lules eucariotes vegetal i animal.

L'organització cel·lular bàsica presenta divergències anatòmiques essencials entre dominis: Característica Cèl·lula procariota Cèl·lula eucariota Dimensions típiques Dimensions menors Dimensions notablement més grans Compartimentació nuclear Sense embolcall nuclear definit; material genètic lliure al citosol Doble membrana (embolcall nuclear) que aïlla el genoma de la resta d'orgànuls Membranes internes Absència de sistemes membranosos interns Orgànuls subcel·lulars delimitats per membrana interna Àcids Nucleics i Biologia Molecular: Apunts i Resum 4 Característica Cèl·lula procariota Cèl·lula eucariota Flux molecular nucli- citoplasma Inexistent com a tal; transcripció i traducció acoblades Tràfic selectiu bidireccional entre el nucli i el citoplasma Complexitat funcional Metabolisme efectiu però de repertori estructural simple Capacitats funcionals molt superiors i especialitzades COMPROVA-HO 2 Quina conseqüència directa té l'absència d'un embolcall nuclear en els bacteris respecte a l'expressió dels seus gens?

Organització del material genètic durant la interfase Durant el període interfàsic, el material genètic nuclear rep el nom de cromatina. Aquesta xarxa macromolecular està integrada per molècules lineals d'ADN, proteïnes estructurals responsables de la seva ordenació i empaquetament (vegeu «Estructura de la doble hèlix de l'ADN i empaquetament»), així com pels transcrits d'ARN acabats de sintetitzar a partir dels segments gènics actius. La intensa tinció que adquireix amb certs colorants histològics bàsics dona lloc al seu terme.

A l'interior del nucli interfàsic s'aprecien clarament dos estats d'empaquetament: Eucromatina: fracció de cromatina laxa i poc condensada, accessible a la maquinària enzimàtica, fet que permet la transcripció gènica i l'expressió dels gens. Heterocromatina: regions de cromatina fortament condensades i inactives transcripcionalment durant la interfase. El cicle cel·lular i les seves etapes El cicle cel·lular comprèn la seqüència ordenada d'esdeveniments que viu una cèl·lula des que es forma per divisió d'una cèl·lula mare fins que es divideix ella mateixa o roman en diferenciació funcional fins a morir.

Consta de dos períodes ben diferenciats: la interfase (el bloc de major durada temporal) i la divisió cel·lular (l'etapa més breu, que inclou la mitosi i la citocinesi). Àcids Nucleics i Biologia Molecular: Apunts i Resum 5 Diagrama del cicle cel·lular mostrant interfase, fase G0, mitosi i citocinesi. ERROR FREQÜENT Creure que les cèl·lules situades en la fase G0 estan inactives o moribundes. Un hepatòcit o una neurona en G0 mantenen una elevada taxa metabòlica i compleixen les seves funcions fisiològiques plenament; senzillament han aturat el seu cicle cel·lular proliferatiu.

Fase G1: la cèl·lula filla creix i sintetitza activament els components necessaris per augmentar de mida i assolir l'estat adult. 1 Fase G0 (quiescència): determinats llinatges cel·lulars abandonen la progressió proliferativa i s'estableixen en aquest estadi; hi romanen actius funcionalment durant tota la seva existència sense avançar cap a la replicació. 2 Fase S: les cèl·lules que prossegueixen la ruta de divisió comencen la síntesi d'ADN. La replicació del genoma té lloc exclusivament durant la fase S. 3 Mitosi: divisió nuclear en què es reparteixen de manera equitativa els cromosomes prèviament duplicats mitjançant quatre fases consecutives: profase, metafase, anafase i telofase.

4 Citocinesi: partició física i distribució del contingut del citoplasma de la cèl·lula progenitora entre les dues cèl·lules filles resultants. 5 Àcids Nucleics i Biologia Molecular: Apunts i Resum 6 COMPROVA-HO 3 En quina subfase concreta del cicle cel·lular s'ha de trobar una cèl·lula per tal de duplicar fidelment el seu material hereditari? IDEES CLAU Les cèl·lules procariotes no presenten embolcall nuclear ni membranes internes, mentre que les eucariotes estan altament compartimentades. Totes les cèl·lules somàtiques adultes d'un organisme pluricel·lular posseeixen el mateix genoma heretat del zigot primigeni.

La cromatina interfàsica es distribueix en eucromatina funcionalment laxa i heterocromatina condensada. La interfase consta de les fases de creixement G1, de quiescència funcional G0 i de duplicació genòmica S. La divisió cel·lular implica la cariocinesi mitòtica (profase, metafase, anafase, telofase) seguida de la citocinesi citoplasmàtica. COMPROVA EL QUE HAS APRÈS 4. Per quina raó les cèl·lules somàtiques d'un mateix organisme pluricel·lular presenten estructures i funcions tan dispars si totes contenen la mateixa dotació d'ADN? 5. Quina diferència funcional existeix entre l'eucromatina i l'heterocromatina al nucli en interfase? Test Encercla la resposta correcta.

Les solucions són al final. 6. Quin tipus d'organismes està constituït de manera exclusiva per cèl·lules eucariotes? 7. En quin estat es troben les cèl·lules que duen a terme les seves funcions sense continuar dividint-se? 8. En quin període del cicle cel·lular té lloc la replicació de l'ADN?

Els virus i bacteris patògens a) Els organismes pluricel·lulars b) Tots els bacteris coneguts c) Tots els microorganismes unicel·lulars d) En estat de mort cel·lular a) En la subfase anafàsica b) En la fase G0 quiescent c) En plena fase S de duplicació d) Al llarg de la metafase a) En qualsevol moment de G1 b) Durant la fase de citocinesi c) Durant la fase S interfàsica d) Àcids Nucleics i Biologia Molecular: Apunts i Resum 7 9. Quin és l'ordre cronològic de les quatre subfases que componen la mitosi? 2 Estructura dels nucleòtids i derivats metabòlics EN ACABAR SABRÀS Diferenciar l'estructura d'un nucleòsid de la d'un nucleòtid.

Classificar les bases nitrogenades en púriques i pirimidíniques reconeixent la seva distribució en ARN i ADN. Descriure el mecanisme d'acció de l'ATP com a intermediari d'energia metabòlica. Identificar els coenzims i derivats nucleotídics implicats en la senyalització i el metabolisme intermedi. PENSA-HI ABANS DE LLEGIR 10 Per què els nucleòtids no només serveixen per emmagatzemar informació genètica? Anatomia química dels nucleòtids Els àcids nucleics són macromolècules polimèriques encarregades d'emmagatzemar, transmetre i expressar la informació biològica. Cada unitat monomèrica que els compon és un nucleòtid.

Aquest bloc estructural consta de tres elements essencials enllaçats de forma covalent: un glúcid de cinc carbonis (pentosa), una molècula heterocíclica rica en nitrogen (base nitrogenada) i un o més grups fosfat. Profase, metafase, anafase i telofase a) Profase, anafase, metafase i telofase b) Telofase, anafase, metafase i profase c) Metafase, profase, telofase i anafase d) Àcids Nucleics i Biologia Molecular: Apunts i Resum 8 Esquema estructural d'un ribonucleòtid amb els seus tres components. La pentosa determina la classe d'àcid nucleic. Trobem la D-ribosa en els ribonucleòtids propis de l'ARN, caracteritzada per presentar un grup hidroxil tant al carboni 2' com al 3'.

Per contra, en l'ADN la pentosa és la 2'-desoxiribosa, la qual no té l'àtom d'oxigen a la posició 2' i només conserva l'hidroxil al carboni 3'. Per conveni químic internacional, els carbonis de la pentosa s'enumeren afegint el símbol de prima (1', 2', 3', 4', 5') per distingir-los de la numeració dels anells de la base nitrogenada. DEFINICIÓ Un nucleòsid és la unitat molecular formada exclusivament per la unió covalent d'una base nitrogenada amb una pentosa. Quan aquest compost incorpora un o més grups fosfat esterificats al carboni 5' de la pentosa, rep el nom de nucleòtid.

L'acoblament dels components segueix dues reaccions de condensació consecutives: ERROR FREQÜENT Confondre un nucleòsid amb un nucleòtid. Recorda que el nucleòsid mai conté fosfat (només pentosa i base). En afegir-hi el fosfat al carboni 5' passa a ser un nucleòtid. Aquesta distinció altera completament el nom: l'adenosina és un nucleòsid; l'adenilat o AMP és el nucleòtid. Formació de l'enllaç N-glicosídic: S'uneix el carboni anomèric 1' de la pentosa amb l'àtom de nitrogen 9 d'una purina o bé amb el nitrogen 1 d'una pirimidina, alliberant una molècula d'aigua. Aquest pas genera el nucleòsid.

1 Formació de l'enllaç èster fosfòric: El grup fosfat s'uneix mitjançant una reacció d'esterificació al grup hidroxil lliure del carboni 5' de la pentosa, amb pèrdua d'una segona molècula d'aigua, produint un nucleòtid monofosfat. 2 Àcids Nucleics i Biologia Molecular: Apunts i Resum 9 COMPROVA-HO 11 Quina modificació química converteix el nucleòsid guanosina en el nucleòtid dGMP? Classificació i nomenclatura de bases nitrogenades Les bases nitrogenades són compostos heterocíclics plans que contenen anells de carboni i nitrogen.

Es classifiquen en dues grans famílies estructurals segons el nombre de cicles que posseeixen: Bases púriques o purines: Formades per un sistema bicíclic integrat per dos anells condensats amb un total de 4 àtoms de nitrogen. Són l'adenina (A) i la guanina (G), presents tant en l'ADN com en l'ARN. Bases pirimidíniques o pirimidines: Formades per un únic anell heterocíclic hexagonal amb 2 àtoms de nitrogen. Comprenen la citosina (C) (present en ADN i ARN), la timina (T) (exclusiva de l'ADN) i l'uracil (U) (propi i exclusiu de l'ARN). En determinats àcids nucleics també existeixen bases modificades puntuals amb funcions reguladores.

Fórmules químiques de les bases nitrogenades purines i pirimidines.

La unió de les bases amb les respectives pentoses i fosfats dóna lloc a una nomenclatura sistemàtica precisa: Àcids Nucleics i Biologia Molecular: Apunts i Resum 10 Base Ribonucleòsid Ribonucleòtid (ARN) Desoxiribonucleòsid Desoxiribonucleòtid (ADN) Adenina (A) Adenosina AMP (Adenosina-5'- monofosfat) Desoxiadenosina dAMP (Desoxiadenosina- 5'-monofosfat) Guanina (G) Guanosina GMP (Guanosina- 5'-monofosfat) Desoxiguanosina dGMP (Desoxiguanosina- 5'-monofosfat) Citosina (C) Citidina CMP (Citidina-5'- monofosfat) Desoxicitidina dCMP (Desoxicitidina-5'- monofosfat) Uracil (U) Uridina UMP (Uridina-5'- monofosfat) — — Timina (T) — — Desoxitimidina dTMP (Desoxitimidina-5'- monofosfat) Aquests monòmers monofosfat poden incorporar successivament segons i tercers grups fosfat mitjançant enllaços anhidre d'alta energia, formant derivats difosfat (ADP, GDP) i trifosfat (ATP, GTP).

ESQUEMA Bases nitrogenades dels àcids nucleics COMPROVA-HO 12 Quina base nitrogenada és exclusiva de l'ARN i quina és l'exclusiva de l'ADN? Nucleòtids lliures i transferència d'energia cel·lular A més de constituir els maons que formen els polinucleòtids (la polimerització dels quals mitjançant l'enllaç fosfodièster s'estudia a «Estructura de la doble hèlix de l'ADN i empaquetament»), diversos nucleòtids actuen de forma lliure coordinant processos cel·lulars crítics.

Purines Bicícliques amb 4 nitrogens Adenina ADN i ARN Guanina ADN i ARN Pirimidines Monocícliques amb 2 nitrogens Citosina ADN i ARN Timina Exclusiva de l'ADN Uracil Exclusiu de l'ARN Àcids Nucleics i Biologia Molecular: Apunts i Resum 11 L'adenosina-5'-trifosfat (ATP) representa la principal moneda de bescanvi energètic en totes les xarxes metabòliques cel·lulars. Emmagatzema i transfereix l'energia que s'allibera durant l'oxidació dels nutrients cap a processos endergònics, com el treball mecànic, el transport transmembrana o l'anabolisme.

L'activitat de determinats enzims hidrolítics anomenats ATPases indueix la ruptura de l'enllaç fosfat terminal entre el segon i el tercer grup fosfat (posicions beta i gamma): Aquest procés d'hidròlisi presenta una variació d'energia lliure estàndard de . Quan aquesta escissió o transferència del grup fosfat s'acobla a reaccions termodinàmicament desfavorables, permet que tinguin lloc a la cèl·lula. Tot i que altres nucleòtids trifosfats com el GTP tenen capacitats energètiques similars, l'ATP és el recurs majoritari a causa de la seva gran abundància intracel·lular.

Segons missatgers i coenzims metabòlics Dins la transducció cel·lular de senyals, certs nucleòtids actuen com a segons missatgers. Es formen ràpidament com a resposta a senyals extracel·lulars químics (com les hormones) que interaccionen amb receptors de membrana, amplificant el missatge a l'interior del citosol: AMP cíclic (AMPc): Es genera enzimàticament a partir d'ATP. El grup fosfat s'enllaça de forma simultània al carboni 5' i al carboni 3' de la mateixa ribosa, establint un anell cíclic rígid. Activa diverses proteïnes diana efectores.

GMP cíclic (GMPc): Sintetitzat de forma anàloga a partir de GTP, conté el pont fosfat entre el carboni 5' i el 3' de la ribosa unit a una guanina, intervenint en cascades de senyalització específiqes. D'altra banda, nombrosos processos catalítics requereixen coenzims nucleotídics d'oxidoreducció: NAD i NADP: El dinucleòtid d'adenina i nicotinamida (NAD) i la seva variant fosforilada al grup hidroxil de la ribosa (NADP) consten de dos nucleòtids enllaçats per un pont fosfat: un nucleòtid d'adenina i un altre nucleòtid que conté una base nitrogenada especial externa als àcids nucleics, la nicotinamida. Actuen transferint electrons en el metabolisme cel·lular.

FAD i FMN: El dinucleòtid d'adenina i flavina (FAD) i el mononucleòtid de flavina (FMN) incorporen la base flavina unida covalentment a enzims oxidoreductors per canalitzar fluxos d'electrons. Finalment, el Coenzim A (CoA) és el cofactor clau encarregat de l'activació i transferència de grups acil. La seva arquitectura molecular consta d'un derivat del nucleòtid ADP (específicament 3'- fosfoadenosina difosfat), acoblat a l'àcid pantotènic (vitamina B5) i a un fragment terminal de beta- mercaptoetilamina. ATP + H O 2 ADP + P i (1) ΔG = 30,5 kJ/mol Àcids Nucleics i Biologia Molecular: Apunts i Resum 12 Estructura molecular del Coenzim A i formació de l'enllaç tioèster.

Aquest extrem terminal aporta un grup sulfhidril lliure (-SH) que reacciona amb el grup carboxil d'àcids grassos o àcid acètic. Això estableix un enllaç tioèster (-CO-S-) ric en energia: La formació d'acetil-CoA o d'acil-CoA situa els substrats en un estat activat d'alta reactivitat que permet el seu ingrés en les rutes metabòliques centrals. COMPROVA-HO 13 Quina característica estructural permet al Coenzim A activar àcids grassos i formar acetil- CoA? IDEES CLAU Un nucleòtid està format per una pentosa (D-ribosa o 2'-desoxiribosa), una base nitrogenada i un grup fosfat esterificat al carboni 5'.

Les bases nitrogenades es divideixen en purines bicícliques (adenina i guanina) i pirimidines monocícliques (citosina, timina i uracil). L'enllaç N-glicosídic uneix el carboni 1' de la pentosa al nitrogen 9 de les purines o al nitrogen 1 de les pirimidines. L'ATP actua com a moneda energètica cel·lular alliberant per hidròlisi del seu fosfat terminal. L'AMPc i el GMPc presenten una estructura cíclica entre els carbonis 5' i 3' i funcionen com a segons missatgers en la transducció de senyals. El Coenzim A conté un derivat d'ADP unit a àcid pantotènic i beta-mercaptoetilamina, amb un grup tiol que forma enllaços tioèster d'alta energia.

R-COOH + HS-CoA R-CO-S-CoA + H O 2 (2) 30,5 kJ/mol Àcids Nucleics i Biologia Molecular: Apunts i Resum 13 COMPROVA EL QUE HAS APRÈS 14. En què es diferencia químicament un nucleòsid d'un nucleòtid monofosfat? 15. Com s'estructura l'anell cíclic característic dels segons missatgers com l'AMPc? Test Encercla la resposta correcta. Les solucions són al final. 16. Quin àtom d'una base púrica s'enllaça directament al carboni 1' de la pentosa? 17. Quina base nitrogenada no forma part de l'estructura primària de l'ADN? 18. Quin tipus d'enllaç químic ric en energia uneix el Coenzim A amb els àcids carboxílics? 19. Quant val l'energia lliure estàndard d'hidròlisi de l'enllaç fosfat gamma de l'ATP?

3 Estructura de la doble hèlix de l'ADN i empaquetament EN ACABAR SABRÀS Descriure la unió fosfodièster i la polaritat dels extrems 5' i 3' d'un polinucleòtid Explicar la complementarietat de bases i el paper dels ponts d'hidrogen a la doble hèlix Comparar les característiques estructurals de les formes d'ADN A, B i Z Identificar els nivells progressius d'empaquetament de l'ADN des del nucleosoma fins al cromosoma metafàsic PENSA-HI ABANS DE LLEGIR 20 Com pot una cèl·lula eucariota emmagatzemar aproximadament dos metres d'ADN a l'interior d'un nucli microscòpic?

Carboni 4 a) Nitrogen 3 b) Nitrogen 1 c) Nitrogen 9 d) Uracil a) Citosina b) Guanina c) Timina d) Fosfodièster a) N-glicosídic b) Tioèster c) Èster fosfòric d) -30,5 kJ/mol a) +30,5 kJ/mol b) -14,2 kJ/mol c) -61,0 kJ/mol d) Àcids Nucleics i Biologia Molecular: Apunts i Resum 14 Estructura covalent i polaritat del polinucleòtid Els àcids nucleics són polímers constituïts per la unió seqüencial de monòmers nucleotídics (vegeu «Estructura dels nucleòtids i derivats metabòlics»). Quan la cadena conté un nombre reduït d'unitats rep el nom d'oligonucleòtid, mentre que les cadenes de gran longitud s'anomenen polinucleòtids. La continuïtat de la cadena s'estableix mitjançant l'enllaç fosfodièster.

Aquest enllaç covalent es forma entre el grup fosfat unit al carboni 5' de la pentosa d'un nucleòtid i el grup hidroxil (-OH) situat al carboni 3' de la pentosa adjacent. Aquesta unió repetitiva genera una ossada o esquelet alternant de desoxiriboses i fosfats, del qual sobresurten lateralment les diferents bases nitrogenades purines i pirimidines. Aquesta arquitectura confereix una polaritat química definida a la cadena. Tota hebra d'ADN presenta dos extrems no equivalents: Extrem 5': caracteritzat per presentar un grup fosfat lliure lligat al carboni 5' de la pentosa terminal. Extrem 3': caracteritzat per disposar d'un grup hidroxil (-OH) lliure al carboni 3' de l'últim sucre.

L'ordre lineal precís en què s'enllacen aquests desoxiribonucleòtids s'anomena seqüència de l'ADN. Aquesta seqüència determina la identitat biològica i les propietats de la molècula, i s'escriu convencionalment en direcció 5' a 3'. COMPROVA-HO 21 Quins grups químics defineixen respectivament els extrems 5' i 3' d'un polinucleòtid lliure? El model de la doble hèlix i la complementarietat de bases La molècula d'ADN està formada per dues cadenes polinucleotídiques que s'associen formant una doble hèlix antiparal·lela. La disposició antiparal·lela significa que les dues hebres discorren en sentits oposats: l'extrem 5' d'una cadena queda enfrontat amb l'extrem 3' de l'altra cadena.

Esquema de les cadenes antiparal·leles i complementarietat de bases de l'ADN Àcids Nucleics i Biologia Molecular: Apunts i Resum 15 L'estabilitat i la unió de les dues cadenes depenen de la complementarietat de bases nitrogenades mitjançant ponts d'hidrogen: L'Adenina (base púrica) s'emparella sempre amb la Timina (base pirimidínica) mitjançant dos ponts d'hidrogen. La Guanina (base púrica) s'enfronta sempre amb la Citosina (base pirimidínica) mitjançant tres ponts d'hidrogen.

Com que els ponts d'hidrogen són interaccions febles no covalents, l'augment de la temperatura aporta prou energia tèrmica per trencar-los, provocant la separació de les dues cadenes en el procés conegut com a desnaturalització tèrmica. De manera reversible, si es refreda la mostra gradualment sota condicions fisiològiques adients, les bases complementàries tornen a reconèixer-se i reconstruir la doble hèlix en la renaturalització. Determinats compostos químics utilitzats en quimioteràpia antitumoral aprofiten aquesta dinàmica. Un exemple destacat és el cisplatí, un fàrmac que interfereix en la conformació estructural de l'ADN impedint la replicació normal i la proliferació cel·lular.

ERROR FREQÜENT Confondre el tipus d'enllaç de l'esquelet longitudinal amb el de la unió entre cadenes. L'esquelet intern s'uneix per enllaços fosfodièster (covalents forts), mentre que la unió entre hebres complementàries depèn de ponts d'hidrogen (interaccions no covalents febles que es dissocien per calor). Propietats estructurals i conformacions A, B i Z La disposició espacial helicoïdal de les dues cadenes genera dues depressions superficials asimètriques al llarg de l'eix: el solc major i el solc menor. Aquestes escletxes permeten l'exposició de perfils químics concrets de les bases al medi aquós.

Conformació Sentit de gir Solcs major i menor Condicions i presència biològica Forma B Dextrògira Presents i ben diferenciats (~10,5 pb per volta) Estructura més estable i abundant al genoma cel·lular Forma A Dextrògira Solcs alterats (diferents de la forma B) Apareix en condicions de baixa hidratació de la mostra Forma Z Levògira Presents Freqüent a prop de zones actives de replicació A la cèl·lula, l'ADN-B és la conformació predominant i fisiològicament rellevant, presentant aproximadament 10,5 parells de bases per cada volta d'hèlix. COMPROVA-HO 22 Quina forma geomètrica de la doble hèlix presenta gir levogir i on es sol localitzar?

Àcids Nucleics i Biologia Molecular: Apunts i Resum 16 Empaquetament de l'ADN eucariota i cromosoma metafàsic Al nucli eucariota, la doble hèlix d'ADN (que presenta un diàmetre d'aproximadament 2 nm) requereix un alt grau de compactació estructural per cabre a l'espai cel·lular i regular la seva expressió (vegeu «Organització cel·lular i cicle cel·lular»). Aquest empaquetament s'organitza en una jerarquia progressiva: Diagrama dels nivells progressius de condensació de l'ADN fins al cromosoma Doble hèlix lliure: hebra bicatenària inicial d'uns 2 nm de gruix.

1 Fibra de nucleosomes: la doble hèlix s'enrotlla al voltant d'un octàmer constituït per vuit molècules de proteïnes anomenades histones, fixades per la histona H1. Aquesta estructura globular forma la unitat del nucleosoma, adoptant una aparença de collaret de comptes. 2 Fibra condensada de 30 nm: els nucleosomes consecutius es pleguen sobre si mateixos en una espiral helicoïdal progressiva generant una fibra de 30 nm de diàmetre. 3 Bucles i nanses de 300 nm: la fibra de 30 nm s'organitza en bucles o nanses radials de cromatina fixades a un eix proteic. 4 Fibra condensada de 700 nm: les nanses es cargolen de manera compacta durant la divisió cel·lular.

5 Cromosoma metafàsic (1.400 nm): grau màxim de condensació cromatínica, clarament observable al microscopi òptic exclusivament durant la metafase de la mitosi. 6 Àcids Nucleics i Biologia Molecular: Apunts i Resum 17 PROCÉS Nivells de condensació de la cromatina Durant la fase S prèvia del cicle cel·lular, l'ADN s'ha duplicat íntegrament (vegeu «Replicació de l'ADN i transcripció gènica»). Per aquest motiu, el cromosoma metafàsic està integrat per dues cromàtides germanes idèntiques, disposades longitudinalment i connectades per un punt d'estrangulació central anomenat centròmer, configurant una silueta característica en forma d'«X».

Posteriorment, durant l'anafase i la telofase, aquestes cromàtides se separen pel centròmer i migren cap als pols cel·lulars per formar els futurs nuclis fills. COMPROVA-HO 23 Durant quina fase de la divisió cel·lular és visible al microscopi el cromosoma metafàsic i com està format? IDEES CLAU L'esquelet dels polinucleòtids està format per enllaços covalents fosfodièster entre el carboni 5' i el 3' de les pentoses adjacents. La doble hèlix és antiparal·lela (una cadena 5' 3' i l'altra 3' 5') i s'estabilitza per complementarietat de bases: A=T (2 ponts) i G C (3 ponts).

La desnaturalització tèrmica per calor trenca els ponts d'hidrogen sense alterar els enllaços fosfodièster, procés reversible mitjançant renaturalització. La forma B és la conformació dextrògira predominant cel·lularment, mentre que la forma A sorgeix per deshidratació i la Z és levògira. El nucleosoma consisteix en ADN enrotllat al voltant d'un octàmer d'histones amb participació d'H1. El nivell màxim d'empaquetament és el cromosoma metafàsic (1.400 nm), integrat per dues cromàtides germanes unides pel centròmer.

Doble hèlix (2 nm) ADN bicatenari antiparal·lel lliure 1 Nucleosoma (fibra 11 nm) ADN enrotllat sobre l'octàmer d'histones 2 Fibra de 30 nm Plegament helicoïdal dels nucleosomes consecutius 3 Nanses radials (300 nm) Bucles organitzats sobre l'eix proteic 4 Cromosoma metafàsic (1.400 nm) Condensació màxima de dues cromàtides germanes 5 Àcids Nucleics i Biologia Molecular: Apunts i Resum 18 COMPROVA EL QUE HAS APRÈS 24. Per què requereix més energia tèrmica desnaturalitzar una regió d'ADN rica en parells G-C que una rica en A-T? 25. Quines diferències de sentit de gir presenten les tres formes principals de doble hèlix (A, B i Z)? Test Encercla la resposta correcta. Les solucions són al final.

26. Quin tipus d'enllaç químic connecta els nucleòtids successius al llarg d'una mateixa cadena d'ADN? 27. Quants ponts d'hidrogen s'estableixen entre una parella de bases Adenina i Timina a la doble hèlix? 28. Quina característica geomètrica singular distingeix la conformació de l'ADN en forma Z de les formes A i B? 29. Quin és el component proteic central al voltant del qual s'enrotlla l'ADN per formar el nucleosoma?

4 Genoma humà, estructura del gen i dogma central EN ACABAR SABRÀS Distingir les característiques del genoma haploide i diploide humà en cromosomes i parells de bases Identificar els elements estructurals i promotors clau d'un gen eucariota Descriure el flux d'informació del Dogma Central clàssic i la modificació aportada pels retrovirus Pont d'hidrogen a) Enllaç fosfodièster b) Enllaç tioèster c) Enllaç glicosídic d) 3 ponts d'hidrogen a) Cap, s'uneixen covalentment b) 1 pont d'hidrogen c) 2 ponts d'hidrogen d) Incapacitat de desnaturalitzar-se a) Formació d'enllaços tioèster b) Absència de bases púriques c) Hèlix de gir levogir d) Polinucleòtid polimerasa a) Cisplatí catalític b) Octàmer d'histones c) Centròmer fibril·lar d) Àcids Nucleics i Biologia Molecular: Apunts i Resum 19 PENSA-HI ABANS DE LLEGIR 30 Com pot un retrovirus com el VIH introduir la seva informació genètica basada en ARN dins del genoma d'una cèl·lula eucariota compost per ADN?

La informació biològica que defineix l'estructura, el funcionament i la identitat dels éssers vius està codificada en l'àcid desoxiribonucleic. Les diferències en la quantitat i la seqüència exacta de nucleòtids permeten explicar tant la diversitat biològica entre espècies com les característiques individuals de cada organisme. ESQUEMA Flux de la informació genètica i genoma Diversitat biològica i genoma humà La proximitat evolutiva entre espècies es pot analitzar mitjançant la similitud morfològica o la similitud genètica.

Quan es compara la seqüència de l'ADN, els humans compartim aproximadament un 98 % de similitud genètica amb el goril·la, un 44 % amb la mosca del vinagre (Drosophila) i prop d'un 18 % amb l'avet. Dins d'una cèl·lula eucariota trobem dues fonts diferenciades de material genètic: ADN nuclear: conté la immensa majoria de les instruccions del desenvolupament celular i es transmet mitjançant els cromosomes (vegeu «Estructura de la doble hèlix de l'ADN i empaquetament»).

ADN mitocondrial i cloroplàstic: els mitocondris i cloroplasts tenen una molècula d'ADN circular pròpia que reflecteix el seu origen endosimbiòtic a partir de procariotes primitius que es van associar amb cèl·lules precursores eucariotes. En el cas humà, l'ADN mitocondrial és una molècula circular de 17.000 pb que conté 37 gens. DEFINICIÓ El genoma és la totalitat de la informació genètica d'un organisme continguda en les seves molècules d'ADN, organitzada funcionalment en regions reguladores i regions codificadores anomenades gens.

En l'espècie humana, el contingut global del genoma varia segons el tipus cel·lular considerat: Genoma humà Material hereditari complet cel·lular ADN nuclear 23 o 46 cromosomes lineals Unitat gènica Promotor i regió codificant ADN mitocondrial Molècula circular de 17 kb Dogma central Replicació, transcripció i traducció Àcids Nucleics i Biologia Molecular: Apunts i Resum 20 Genoma haploide: característic de les cèl·lules reproductores o gàmetes. Està format per 23 cromosomes (22 autosomes i 1 cromosoma sexual) i conté aproximadament (3.000 milions de parells de bases). Genoma diploide ( ): present a les cèl·lules somàtiques.

Conté 46 cromosomes organitzats en 23 parells d'homòlegs (un conjunt matern de 23 i un de patern de 23: 44 autosomes i 2 cromosomes sexuals), sumant uns . Compartiment Mida en parells de bases Nombre de gens Cromosomes Genoma nuclear (diploide) ( ) Entre 20.000 i 25.000 46 (23 parells) Genoma mitocondrial 17.000 pb (17 kb) 37 1 molècula circular per orgànul L'anàlisi citogenètica permet obtenir el cariotip, que és el patró visual ordenat segons el nombre, la forma i la grandària dels cromosomes obtinguts a partir de cèl·lules fixades en metafase mitòtica. COMPROVA-HO 31 Quina diferència numèrica clau hi ha entre el cariotip d'un espermatozoide humà i el d'un limfòcit?

Concepte i anatomia d'un gen eucariota Clàssicament es definia el gen sota la premissa «un gen, un enzim» o «un gen, un polipèptid». Actualment, un gen és la unitat funcional d'herència que codifica per a un producte gènic funcional, el qual pot ser una proteïna o qualsevol variant d'ARN estructural o regulador (vegeu «Maduració del transcrit primari i tipus d'ARN»). Dins del genoma humà nuclear hi ha entre 20.000 i 25.000 gens codificants de proteïnes. 3,1 × 10 pb 9 2n = 46 6 × 10 pb 9 6 × 10 pb 9 2 × 3,1 × 10 pb 9 Àcids Nucleics i Biologia Molecular: Apunts i Resum 21 Esquema de l'anatomia gènica eucariota amb promotor, exons i introns.

Un gen eucariota presenta una estructura modular dividida en dues zones principals: El promotor eucariota conté elements de seqüència molt conservats al llarg de l'evolució, anomenats seqüències consens: Caixa TATA: té la seqüència consens 5'-TATAAA-3', generalment seguida de tres o més adenines. Es localitza aproximadament a -25 pb corrent amunt (en direcció 5') respecte del punt d'inici de la transcripció (+1). És la diana d'unió dels factors de transcripció basals necessaris per ancorar l'ARN polimerasa i formar el complex de preiniciació. Caixa CCAAT (o CAAT): presenta la seqüència consens 5'-GGNCAATCT-3' (on N representa qualsevol nucleòtid).

Es troba situada corrent amunt, a una distància d'entre -75 i -80 pb respecte de l'inici (+1). Actua com a lloc d'unió per a factors de transcripció específics que augmenten la freqüència i l'eficiència de muntatge del complex de transcripció. Regió reguladora (promotor): seqüència d'ADN no codificant que orienta la maquinària enzimàtica cap al punt d'inici de la transcripció i determina en quins teixits i en quins moments temporals s'expressa el gen. 1 Regió estructural: segment que conté la informació que serà copiada en l'ARN.

Inclou seqüències no traduïdes (5' UTR i 3' UTR) i la regió codificant pròpiament dita, formada per blocs alterns d'exons (regions conservades al transcrit madur) i d'introns (regions intercalades no codificants que seran eliminades). 2 Àcids Nucleics i Biologia Molecular: Apunts i Resum 22 ERROR FREQÜENT Confondre la posició relativa de les caixes reguladores. La caixa CCAAT se situa més lluny de l'inici de la transcripció (a -75/-80 pb) que la caixa TATA (a -25 pb). A més, cap d'aquests elements consens del promotor s'acaba traduint a aminoàcids: la seva funció és purament d'ancoratge i control enzimàtic.

COMPROVA-HO 32 Quina conseqüència tindria una mutació deletèria greu a la caixa TATA d'un gen humà? El Dogma Central de la Biologia Molecular A partir dels descobriments estructurals de la doble hèlix deduïts per James Watson i Francis Crick, recolzats en les dades de difracció de raigs X de Rosalind Franklin, es va proposar el marc teòric sobre la transmissió de la informació biològica.

La formulació original del Dogma Central proposada per Francis Crick establia una direccionalitat estricta i irreversible en tres fases fonamentals: Replicació: duplicació semiconservativa de l'ADN nuclear utilitzant la seva pròpia doble hèlix com a motlle, procés exclusiu de la fase S del cicle cel·lular (vegeu «Organització cel·lular i cicle cel·lular» i «Replicació de l'ADN i transcripció gènica»). Transcripció: síntesi nuclear d'una molècula d'ARN missatger (ARNm) a partir de la cadena motlle d'ADN. Traducció: descodificació de la seqüència de l'ARNm per a la síntesi d'un polipèptid als ribosomes del citoplasma mitjançant ARNt (vegeu «Traducció proteica, codi genètic i expressió gènica»).

Esquema del dogma central de la biologia molecular i la transcripció inversa. Posteriorment, la identificació dels retrovirus va obligar a formular un dogma revisat. Aquests virus contenen ARN com a material hereditari i són capaços de dur a terme dues rutes no contemplades originalment: Transcripció inversa: procés mediat per l'enzim transcriptasa inversa mitjançant el qual es sintetitza una cadena d'ADN a partir d'un motlle d'ARN víric per integrar-se al genoma hoste. Replicació de l'ARN: multiplicació de cadenes d'ARN víric utilitzant ARN polimerases dependents d'ARN.

Àcids Nucleics i Biologia Molecular: Apunts i Resum 23 PER RECORDAR-HO El dogma original només concebia el pas ADN ARN Proteïna. El dogma revisat afegeix dues fletxes centrades en l'ARN: l'autoreplicació de l'ARN i la síntesi d'ADN a partir d'ARN (transcripció inversa vírica). COMPROVA-HO 33 Quina activitat enzimàtica va demostrar que el flux de la informació no és estrictament unidireccional des de l'ADN fins a l'ARN? IDEES CLAU El genoma haploide humà conté 23 cromosomes i , mentre que el diploide conté 46 cromosomes ( ) i uns . L'ADN mitocondrial circular (17.000 pb i 37 gens) evidencia l'origen endosimbiòtic d'aquests orgànuls cel·lulars.

El genoma humà nuclear conté entre 20.000 i 25.000 gens funcionals codificants de proteïnes. El promotor eucariota organitza l'inici de la transcripció mitjançant la caixa TATA (a -25 pb) i la caixa CCAAT (entre -75 i -80 pb). El Dogma Central revisat amplia el flux original (ADN ARN Proteïna) incorporant la transcripció inversa (ARN ADN) i la replicació d'ARN pròpia de determinats virus. COMPROVA EL QUE HAS APRÈS 34. Quina és la funció de les seqüències consens TATA i CCAAT al promotor d'un gen eucariota? 35. Quantes molècules d'ADN nuclear conté una cèl·lula somàtica humana i quina quantitat de parells de bases sumen? Test Encercla la resposta correcta. Les solucions són al final. 36.

A quina distància aproximada de l'inici de la transcripció es localitza la caixa TATA eucariota? 37. Quina característica distingeix l'ADN dels mitocondris de l'ADN nuclear humà? 3,1 × 10 pb 9 2n 6 × 10 pb 9 A +25 pb corrent avall a) A -25 pb corrent amunt b) A +1 pb al lloc d'inici c) A -75 pb corrent amunt d) És lineal i conté histones a) Conté 23 parells d'homòlegs b) Té més de 20.000 gens c) És una molècula d'ADN circular d) Àcids Nucleics i Biologia Molecular: Apunts i Resum 24 38. Quin procés biològic va trencar la linealitat estricta del Dogma Central inicial de Francis Crick? 39. Quina és la dotació cromosòmica d'una cèl·lula reproductora humana haploide normal?

5 Replicació de l'ADN i transcripció gènica EN ACABAR SABRÀS Distingir el mecanisme de replicació semiconservativa de l'ADN respecte al procés de transcripció gènica. Explicar la reacció química de polimerització 5' a 3' per incorporació de nucleòtids trifosfat. Diferenciar la cadena motlle de la cadena amb sentit d'un gen i deduir la seqüència de l'ARNm transcrit. Classificar les tres ARN polimerases eucariotes i identificar els efectes dels principals inhibidors farmacològics. PENSA-HI ABANS DE LLEGIR 40 Per què les cadenes d'ADN i d'ARN no es poden sintetitzar en direcció 3' a 5'?

Replicació de l'ADN i mecanisme de polimerització La transmissió fidel de la informació genètica requereix duplicar el material hereditari abans de la divisió cel·lular. Aquest procés té lloc de manera massiva exclusivament durant la fase S de la interfase del cicle cel·lular (vegeu «Organització cel·lular i cicle cel·lular»), just abans que la cèl·lula progenitora entri en mitosi. Les dues cadenes de la doble hèlix són antiparal·leles i complementàries (vegeu «Estructura de la doble hèlix de l'ADN i empaquetament»). Durant la duplicació, complexos enzimàtics separen els dos filaments originals.

Cadascun d'aquests filaments parentals actua directament com a plantilla o motlle per guiar la formació d'un nou bri complementari. La degradació proteica cel·lular a) La replicació semiconservativa b) El splicing alternatiu d'introns c) La transcripció inversa dels retrovirus d) 23 parells de cromosomes a) 22 autosomes i 1 sexual b) 44 autosomes i 2 sexuals c) 46 cromosomes individuals d) Àcids Nucleics i Biologia Molecular: Apunts i Resum 25 Esquema de la replicació semiconservativa de l'ADN en direcció 5' a 3'.

Aquest model es defineix com a replicació semiconservativa, atès que cadascuna de les dues noves dobles hèlices resultants conserva una de les cadenes de la molècula progenitora i n'incorpora una altra de nova síntesi. DEFINICIÓ La replicació semiconservativa és la duplicació de l'ADN en què cadascuna de les dues molècules bicatenàries finals conté un filament original intacte provinent de la cèl·lula mare i un filament complementari sintetitzat de nou. Des del punt de vista químic, la síntesi de nou ADN es realitza de manera estrictament unidireccional: sempre creix en sentit 5' a 3'.

El mecanisme molecular consisteix en un atac nucleofílic executat pel grup hidroxil lliure situat al carboni 3' ( ) de la desoxiribosa terminal sobre el fosfat alfa ( ), unit al carboni 5', del desoxiribonucleòtid trifosfat lliure que entra. Aquesta reacció allibera una molècula de pirofosfat inorgànic ( ) i estableix un enllaç fosfodièster covalent. 3 -OH P α PP i Àcids Nucleics i Biologia Molecular: Apunts i Resum 26 Diagrama de l'atac nucleofílic del 3'-OH durant la síntesi de l'ADN.

La selecció del nucleòtid entrant està dictada estrictament per la regla de complementarietat de bases enfront del filament motlle: una timina (T) a la cadena motlle determina l'acoblament d'un nucleòtid d'adenina (A) a la cadena en elongació mitjançant dos ponts d'hidrogen, mentre que la citosina (C) s'aparella amb la guanina (G) mitjançant tres ponts d'hidrogen. COMPROVA-HO 41 Per què una polimerasa no pot afegir nucleòtids si l'extrem 3' de la cadena creixent no disposa d'un grup -OH lliure?

Transcripció: síntesi d'ARN i polaritat de les cadenes La transcripció és la síntesi d'una molècula d'ARN complementària a partir d'un fragment concret d'ADN anomenat gen (vegeu «Genoma humà, estructura del gen i dogma central»). Representa la primera etapa de l'expressió gènica necessària per a la formació de proteïnes. A diferència de la replicació, la transcripció no queda confinada a la fase S: s'esdevé durant tota la interfase sobre les regions laxes de la cromatina (eucromatina), garantint el subministrament constant de proteïnes que la cèl·lula necessita.

El procés s'inicia per senyals intracel·lulars o extracel·lulars que provoquen la unió de factors de transcripció a seqüències promotores específiques del gen. La polimerització està catalitzada per ARN polimerases dependents d'ADN (o transcriptases). L'única excepció al flux clàssic d'informació correspon als retrovirus, els quals empren el seu propi genoma d'ARN com a patró per sintetitzar ADN complementari mitjançant la transcriptasa inversa.

Àcids Nucleics i Biologia Molecular: Apunts i Resum 27 PROCÉS Procés de transcripció gènica dependent d'ADN 1 Iniciació Reconeixement de promotors per polimerasa i obertura de l'ADN 2 Elongació Polimerització d'ARN en sentit 5' a 3' segons el motlle 3 Terminació Reconeixement de senyals d'aturada i alliberament del transcrit Quan es transcriu un segment de la doble hèlix, les dues cadenes d'ADN adquireixen rols funcionals diferents: Cadena motlle (o antisentit): filament d'ADN orientat en direcció que la polimerasa llegeix directament per complementarietat de bases. Cadena amb sentit (o codificant): filament d'ADN no llegit per l'enzim.

Presenta la mateixa seqüència de bases que el transcrit d'ARN resultant, amb l'única diferència que l'ARN incorpora uracil (U) en lloc de timina (T). Esquema de la transcripció a partir de la cadena motlle d'ADN. Igual que a la replicació, la molècula d'ARN sintetitzada creix de manera exclusiva en direcció . A les cèl·lules eucariotes, les molècules d'ARN produïdes són monocatenàries i no formen estructures de doble hèlix estables.

3 5 5 3 Àcids Nucleics i Biologia Molecular: Apunts i Resum 28 ERROR FREQÜENT Confondre la cadena motlle amb la cadena amb sentit fa perdre molts punts als exàmens: la cadena motlle és l'antisentit ( ) i és complementària a l'ARNm; per contra, la cadena amb sentit ( ) té una seqüència idèntica a la del transcrit resultant d'ARN (canviant només les timines per uracils). COMPROVA-HO 42 Si la cadena motlle d'ADN té la seqüència 3'-TACGGA-5', quina serà la seqüència del transcrit d'ARN? ARN polimerases eucariotes i procariotes La maquinària transcripcional mostra diferències clau entre els dominis biològics. Els bacteris procariotes empren una única ARN polimerasa per a tots els tipus d'ARN.

En canvi, el nucli eucariota compta amb tres variants enzimàtiques especialitzades: RNApol I: encarregada de la síntesi dels precursors de l'ARN ribosòmic (ARNr). RNApol II: responsable de la transcripció dels ARN missatgers (ARNm), que contenen la pauta de lectura que guiarà la traducció en proteïnes (vegeu «Traducció proteica, codi genètic i expressió gènica»). RNApol III: especialitzada a sintetitzar els precursors dels ARN de transferència (ARNt), l'ARNr 5S i diversos ARN petits nuclears (snRNA).

En procariotes, l'ARNm acabat de sintetitzar és directament funcional i es pot traduir simultàniament abans de finalitzar la transcripció (tot i que els seus ARNt i ARNr sí que requereixen processament). En canvi, en eucariotes, els transcrits primaris generats per qualsevol de les tres polimerases han de superar un processament posttranscripcional per esdevenir plenament actius (vegeu «Maduració del transcrit primari i tipus d'ARN»).

Inhibidors farmacològics i toxines de la transcripció Diversos compostos químics bloquegen de forma selectiva o global l'activitat de les polimerases, provocant l'aturada de la síntesi de nou material gènic i la mort cel·lular: Inhibidor o toxina Dianes moleculars Mecanisme i efecte cel·lular Rifampicina ARN polimerasa bacteriana Antibiòtic que bloqueja específicament la transcripció en procariotes sense afectar les cèl·lules eucariotes. Actinomicina D, acridina i daunomicina Polimerases d'ADN i ARN (inespecífiques) Agents antineoplàstics que intercalen la doble hèlix i inhibeixen globalment la duplicació i la transcripció.

Alfa-amanitina (toxina d'Amanita phalloides) Polimerases eucariotes nuclears Toxina natural d'alta letalitat que inhibeix els enzims de transcripció eucariotes. 3 5 5 3 Àcids Nucleics i Biologia Molecular: Apunts i Resum 29 COMPROVA-HO 43 Per què la rifampicina és un tractament antibacterià segur per a l'organisme humà malgrat atacar un procés tan bàsic com la transcripció? IDEES CLAU La replicació de l'ADN és semiconservativa i ocorre exclusivament durant la fase S de la interfase. La polimerització de cadenes noves (tant d'ADN com d'ARN) avança sempre en sentit mitjançant l'atac de l'extrem sobre el fosfat alfa del nucleòtid entrant.

La transcripció té lloc al llarg de tota la interfase sobre regions d'eucromatina i és catalitzada per ARN polimerases dependents d'ADN. La cadena motlle (antisentit) d'ADN serveix de plantilla per sintetitzar un ARN de seqüència complementària i idèntica a la cadena amb sentit, substituint la timina (T) per uracil (U). Els bacteris tenen una única ARN polimerasa, mentre que els eucariotes utilitzen tres variants especialitzades: RNApol I, RNApol II i RNApol III. La rifampicina actua com a inhibidor específic de la polimerasa bacteriana, mentre que compostos com l'alfa-amanitina bloquegen les ARN polimerases eucariotes. COMPROVA EL QUE HAS APRÈS 44.

En quin període del cicle cel·lular tenen lloc la replicació de l'ADN i la transcripció gènica? 45. Com es relacionen químicament la cadena amb sentit d'un gen i el filament d'ARNm que se'n transcriu? Test Encercla la resposta correcta. Les solucions són al final. 46. En quina fase del cicle cel·lular té lloc la replicació semiconservativa de l'ADN? 47. Quin grup químic realitza l'atac nucleofílic per allargar la cadena en direcció 5' a 3'? 48. Quin enzim eucariota sintetitza els precursors dels ARN de transferència (ARNt)?

5 3 3 -OH Fase G2 de la interfase a) Fase S de la interfase b) Anafase de la mitosi c) Fase G1 de la interfase d) La base nitrogenada del trifosfat entrant a) El grup 5'-fosfat del filament creixent b) El carboni 2' de la desoxiribosa motlle c) El grup 3'-OH del filament creixent d) ARN polimerasa I a) ARN polimerasa II b) Transcriptasa bacteriana única c) ARN polimerasa III d) Àcids Nucleics i Biologia Molecular: Apunts i Resum 30 49. Com actua l'antibiòtic rifampicina per aturar la infecció bacteriana? 6 Maduració del transcrit primari i tipus d'ARN EN ACABAR SABRÀS Descriure les etapes de processament del transcrit primari eucariota fins a obtenir l'ARNm madur.

Diferenciar les funcions del casquet 5' i de la cua de poli-A de l'extrem 3'. Explicar el mecanisme de tall i empalmament (splicing) distingint introns, exons i estructures en lariat. Comparar les estructures i rols biològics de l'ARNm, l'ARNr i l'ARNt. PENSA-HI ABANS DE LLEGIR 50 Per què els bacteris poden traduir un ARN mentre encara s'està transcrivint, però les cèl·lules humanes no? Del transcrit primari a l'ARN missatger madur La síntesi de l'ARN a partir de la cadena motlle d'ADN genera inicialment un transcrit primari (vegeu «Replicació de l'ADN i transcripció gènica»).

En els organismes procariotes, la seqüència transcrita és directament col·lineal amb el gen i no requereix transformacions complexes. En canvi, en els eucariotes, el transcrit primari no es pot traduir directament: ha de passar per un conjunt de modificacions químiques i estructurals abans de ser exportat al citoplasma com a ARN missatger madur (ARNm). S'intercala provocant danys a l'ADN a) Inhibeix l'ARN polimerasa II humana b) Bloqueja l'ARN polimerasa procariota c) Destrueix directament el verí amanitina d) Àcids Nucleics i Biologia Molecular: Apunts i Resum 31 Esquema del processament cotranscripcional i postranscripcional de l'ARNm eucariota.

El processament de l'extrem comença de manera cotranscripcional mitjançant l'addició d'una caputxa de guanosina (casquet o cap). Aquest residu s'uneix a través d'un enllaç trifosfat 5'-5' inusual i posteriorment es metila. Aquest casquet té dues funcions biològiques indispensables: Protegir la cadena d'ARN de la degradació per part d'enzims exonucleases. Servir com a punt de reconeixement i unió per al ribosoma a l'inici de la traducció proteica. En l'extrem oposat té lloc la modificació de l'extrem . Primerament, una endonucleasa fa un tall específic al lloc de terminació de la transcripció (escurçament de l'extrem ).

Tot seguit, l'enzim poli(A) polimerasa sintetitza una cua successiva d'adenines (cua de poli-A, d'aproximadament 100 a 250 residus de poliadenina) utilitzant ATP com a font de nucleòtids. COMPROVA-HO 51 Quina funció mecànica compleix l'enllaç trifosfat 5'-5' de la caputxa en comparació amb els enllaços habituals de la cadena? Splicing o empalmament: introns, exons i espliceosoma Els gens eucariotes tenen una organització discontínua que s'alterna en dues classes de seqüències: els introns i els exons. Durant la maduració del transcrit primari, l'ARNm experimenta el procés d'empalmament o splicing, encarregat d'eliminar completament els introns i empalmar consecutivament els exons.

5 5 3 3 Àcids Nucleics i Biologia Molecular: Apunts i Resum 32 Diagrama de l'splicing amb eliminació d'introns i unió consecutiva d'exons. Element Característiques estructurals Destí durant el processament Introns Nombrosos i llargs; segments no codificants S'eliminen completament en forma de llaç (lariat) Exons Relativament curts i escassos; contenen la pauta de lectura codificant Es mantenen units formant la seqüència de l'ARNm madur Aquesta escissió la duu a terme una maquinària ribonucleoproteica anomenada complex d'empalmament o espliceosoma. Durant l'eliminació de cada intró, la molècula intermediària adopta una estructura tancada característica coneguda com a llaç o lariat.

Els fragments d'ARN que catalitzen aquestes reaccions actuen com a ribozims, demostrant que l'ARN té capacitat catalítica autònoma en el seu propi processament.

PROCÉS Etapes de maduració de l'ARNm eucariota Transcripció i Cap 5' Addició del casquet trifosfat de guanosina i metilació 1 Tall de l'extrem 3' Escurçament per endonucleasa al lloc de terminació 2 Poliadenilació Incorporació de 100-250 adenines per la poli(A) polimerasa 3 Empalmament (Splicing) Eliminació d'introns en llaç i unió d'exons 4 ARNm madur actiu Transport al citoplasma per a la traducció als ribosomes 5 Àcids Nucleics i Biologia Molecular: Apunts i Resum 33 ERROR FREQÜENT Confondre el destí d'exons i introns és un error típic d'examen.

Recorda que els exons s'expressen i formen part de l'ARNm final que surt al citoplasma, mentre que els introns són segments intercalats que s'eliminen i es degraden dins del nucli. COMPROVA-HO 52 Per què cal una precisió química absoluta durant l'empalmament dels exons? Principals tipus d'ARN a la cèl·lula: ARNm, ARNr i ARNt La síntesi de proteïnes requereix l'acció coordinada de diferents classes d'ARN, cadascuna amb propietats funcionals i estructurals particulars. Estructura secundària plegada amb dominis de doble cadena de l'ARNr. L'ARN missatger (ARNm) és la còpia que trasllada la informació genètica dels gens fins al ribosoma.

A diferència d'altres ARN, no té una estructura secundària o tridimensional complexa fixa. L'ARN ribosòmic (ARNr) constitueix la major part de la massa total d'ARN de la cèl·lula. No codifica proteïnes, sinó que és un component estructural i catalític fonamental dels ribosomes, dels quals arriba a representar el 65 % del pes total. La seva molècula es plega sobre si mateixa mitjançant l'aparellament de bases complementàries intracatenàries (A-U i C-G), creant una conformació amb zones de doble cadena i bucles o cercles oberts. Finalment, l'ARN de transferència (ARNt) funciona com a adaptador molecular durant la traducció.

Disposa d'una estructura plegada molt característica en què destaca un triplet de nucleòtids anomenat anticodó. Aquest bucle reconeix de manera complementària el codó de l'ARNm, permetent posicionar l'aminoàcid específic activat en l'extrem oposat per elongar la cadena polipeptídica naixent. Hi ha com a mínim un ARNt diferent per a cadascun dels 20 aminoàcids estàndard. Àcids Nucleics i Biologia Molecular: Apunts i Resum 34 ESQUEMA Tipus principals d'ARN cel·lulars IDEES CLAU La maduració de l'ARNm eucariota inclou la caputxa 5' de guanosina metilada, el tall de l'extrem 3' amb addició de la cua de poli-A i l'empalmament (splicing).

El casquet 5' s'uneix mitjançant un enllaç trifosfat 5'-5' que protegeix l'ARN de ribonucleases i permet el reconeixement pel ribosoma. L'splicing elimina els introns mitjançant una estructura en llaç (lariat) gràcies a l'activitat de ribozims de l'espliceosoma, preservant els exons codificants. L'ARNr representa el 65 % del pes ribosòmic i té plegaments complexos per complementarietat interna de bases. L'ARNt actua com a adaptador molecular: presenta un anticodó complementari al codó de l'ARNm i transporta l'aminoàcid corresponent. COMPROVA EL QUE HAS APRÈS 53. En què es diferencia l'organització d'un gen eucariota de la d'un procariota pel que fa a la col·linearitat del transcrit? 54.

Quins components químics i enzims intervenen en la formació de l'extrem 3' de l'ARNm? Test Encercla la resposta correcta. Les solucions són al final. 55. Quin tipus d'enllaç característic uneix la caputxa de guanosina a l'extrem 5' de l'ARNm? 56. Quina estructura adopta l'intró durant la seva escissió per part de l'espliceosoma?

ARNm Portador del missatge gènic codificant ARNr Component del 65% de la massa ribosòmica ARNt Adaptador d'aminoàcids mitjançant l'anticodó Pont d'hidrogen monocatenari a) Fosfodièster habitual 3'-5' b) Trifosfat entre posicions 5'-5' c) Peptídic entre riboses d) Fulla beta plegada a) Cua de poli-A b) Forma de llaç o lariat c) Doble hèlix circular tancada d) Àcids Nucleics i Biologia Molecular: Apunts i Resum 35 57. Quin percentatge aproximat del pes total del ribosoma correspon a l'ARN ribosòmic (ARNr)? 58. Quina regió de l'ARNt reconeix específicament la seqüència de tres bases de l'ARNm?

7 Traducció proteica, codi genètic i expressió gènica EN ACABAR SABRÀS Diferenciar les propietats clau del codi genètic com la universalitat, la degeneració i la no- ambigüitat. Descriure el funcionament dels llocs funcionals del ribosoma (A, P i E) al llarg del cicle de traducció. Explicar l'acció inhibidora d'antibiòtics com l'eritromicina i l'estreptomicina sobre la maquinària bacteriana. Comparar l'expressió gènica acoblada procariota amb el procés desacoplat propi dels eucariotes. PENSA-HI ABANS DE LLEGIR 59 Com és possible traduir un missatge de només 4 lletres de nucleòtids per formar una proteïna composta per 20 tipus diferents d'aminoàcids?

El codi genètic i les seves propietats La síntesi de proteïnes requereix passar d'un llenguatge basat en quatre nucleòtids a un altre format per vint aminoàcids proteinogènics. Per aconseguir aquesta correspondència, la cèl·lula empra combinacions de bases nitrogenades en grups de tres, denominades codons o triplets. Matemàticament, les variacions amb repetició de 4 bases preses de 3 en 3 permeten obtenir la diversitat necessària: Si la lectura es fes en parelles de nucleòtids, només s'obtindrien combinacions possibles, una xifra insuficient per codificar els vint aminoàcids primaris. La disponibilitat de 64 codons permet cobrir sobradament aquests requeriments.

65 % a) 95 % b) 35 % c) 10 % d) L'exó catalític a) El casquet 5' b) La cua de poli-A c) L'anticodó d) V R = 4,3 4 = 3 64 codons V R = 4,2 4 = 2 16 Àcids Nucleics i Biologia Molecular: Apunts i Resum 36 Esquema de la taula del codi genètic amb els 64 codons. Aquest sistema de correspondències presenta una sèrie de característiques fonamentals: Universalitat: el codi és pràcticament idèntic en la totalitat dels éssers vius, la qual cosa reflecteix un origen evolutiu compartit. Tot i això, existeixen algunes excepcions específiques en el genoma dels mitocondris i en certs protozous. Codi degenerat: la major part dels aminoàcids estan codificats per més d'un codó.

Les úniques excepcions són la metionina i el triptòfan, que només disposen d'un triplet específic cadascun. Absència d'imperfecció: el codi no és ambigu. Cada triplet crida de forma estricta a un únic aminoàcid determinat; cap codó pot codificar per a dos residus diferents. Lectura lineal contínua: els triplets es disposen consecutivament al llarg del missatger. La pauta de lectura no conté encavalcaments ni espais de separació buits entre bases consecutives. Senyals d'aturada i inici: la pauta de síntesi comença majoritàriament amb el codó d'inici AUG (que determina metionina) i finalitza quan el ribosoma troba algun dels tres codons STOP: UAA, UAG o UGA.

ERROR FREQÜENT Confondre degeneració…