Dogma Central de la Biologia Molecular: Apunts i Resum

I 0 flashcards i 6 preguntes més al document.

Text del document

APUNTS BIOLOGIA FONAMENTAL Grau en Biotecnologia Universitat de Girona AprenAI 2026-2027 Apunts complets de Biologia Fonamental: experiments clau, replicació, transcripció, maduració de l'RNA, codi genètic i mecanisme de traducció cel·lular.

APREN.AI Índex 1 Identificació i naturalesa del material hereditari La identificació experimental del material genètic De les regles químiques a la confirmació amb bacteriòfags Arquitectura molecular i significat biològic de la doble hèlix L'RNA com a intermediari i el Dogma Central 2 Replicació del DNA i maquinària enzimàtica Naturalesa semiconservativa i bidireccionalitat de la replicació Propietats de les DNA polimerases i la forqueta de replicació Maquinària enzimàtica procariota i maduració dels fragments 3 Particularitats de la replicació eucariota i telòmers Diferències estructurals i maquinària de replicació en eucariotes Iniciació múltiple i coordinació temporal al cicle cel·lular El problema de la replicació terminal dels cromosomes lineals Acció de la telomerasa i la seva relació amb la senescència i el càncer 4 Transcripció i maduració de l'RNA Naturalesa del procés i contrast amb la replicació Mecanisme de transcripció procariota: reconeixement i cadenes de lectura Estructura del transcrit: senyals de traducció i organització gènica Maduració post-transcripcional del pre-mRNA eucariota Splicing alternatiu i diversitat funcional 5 Propietats i desxiframent del codi genètic Lògica combinatòria i caràcter del codi Pauta de lectura i mutacions supressores Desxiframent experimental i codons de parada Patrons d'ordenació i amortiment de mutacions Hipòtesi del balanceig de Crick (1966) Universalitat del codi i excepcions 6 Mecanisme de la traducció i destí proteic Maquinària molecular de la traducció Etapes de la traducció en procariotes Particularitats eucariotes i acoblament procariota Destinació de proteïnes i translocació al reticle endoplasmàtic 7 Resum per repassar Estructura del DNA i Dogma Central Dogma Central de la Biologia Molecular: Apunts i Resum 1 Mecanismes de replicació del DNA Transcripció i maduració de l'RNA Codi genètic i traducció proteica Cronologia dels descobriments clau 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. Dogma Central de la Biologia Molecular: Apunts i Resum 2 1 Identificació i naturalesa del material hereditari EN ACABAR SABRÀS Descriure el disseny i les conclusions dels experiments de Griffith, Avery, Beadle-Tatum i Hershey-Chase. Calcular proporcions de bases nitrogenades en una seqüència de DNA bicatenari mitjançant les lleis de Chargaff. Explicar com l'antiparal·lelisme i la complementarietat de la doble hèlix permeten complir els requisits del material genètic. Relacionar el sentit del Dogma Central de la Biologia Molecular amb la refutació del lamarckisme.

PENSA-HI ABANS DE LLEGIR 1 Per què els científics de mitjan segle XX pensaven que les proteïnes eren candidates molt més probables que el DNA per contenir les instruccions hereditàries? La comprensió de les bases moleculars de la vida va començar amb la resolució d'un enigma essencial: determinar quina molècula biològica conté les instruccions de l'herència. Com que el material genètic es trobava format per quantitats semblants de proteïnes i àcids nucleics, la comunitat científica va debatre durant dècades quina de les dues fraccions emmagatzemava la informació biològica.

Dogma Central de la Biologia Molecular: Apunts i Resum 3 ESQUEMA Flux de la Informació Genètica i Dogma Central La identificació experimental del material genètic Durant la primera meitat del segle XX, diversos dissenys experimentals van aportar proves directes a favor de l'àcid desoxiribonucleic enfront de les proteïnes. L'any 1928, el metge britànic Frederick Griffith treballava amb dues soques del bacteri causant de la pneumònia: una de virulenta, que presentava una càpsula de polisacàrids determinada genèticament i provocava la mort de l'hoste, i una altra de no virulenta, desproveïda de càpsula i innòcua.

Quan injectava bacteris virulents morts per calor barrejats amb bacteris no virulents vius en ratolins, els animals morien de pneumònia i se'n podien aïllar soques encapsulades vives. Griffith va deduir l'existència d'un factor transformador, una molècula procedent de les cèl·lules mortes que transferia permanentment la capacitat de formar càpsula a les cèl·lules vives.

Material hereditari Identificació i estructura del DNA Identificació experimental De Griffith a Hershey i Chase Estructura molecular Doble hèlix antiparal·lela de Watson i Crick Duplicació genòmica Replicació procariota i particularitats eucariotes Maquinària de replicació Polimerases i replisoma Cromosomes i telòmers Extrems i telomerasa en eucariotes Expressió gènica Transcripció, codi genètic i síntesi proteica Transcripció i maduració Síntesi i processament de l'RNA Traducció de la informació Codi genètic i ribosomes al citoplasma Dogma Central de la Biologia Molecular: Apunts i Resum 4 Esquema de l'experiment de Griffith sobre la transformació bacteriana en ratolins.

L'any 1943, l'equip d'Oswald Avery va determinar la composició química del factor transformador. Van sotmetre extractes lliures de cèl·lules de la soca virulenta a tractaments enzimàtics selectius: l'ús de proteases (enzims que destrueixen proteïnes) mantenia intacta la capacitat transformadora, mentre que el tractament amb desoxiribonucleases (enzims que degraden el DNA) anul·lava completament la transformació biològica. Paral·lelament a la caracterització de la molècula informativa, George Beadle i Edward Tatum van establir l'any 1941 com s'expressa el material hereditari mitjançant l'estudi d'un fong.

En irradiar el fong amb raigs X van generar soques mutants que havien perdut la capacitat de sintetitzar determinats aminoàcids. Aquests mutants no creixien en un medi de cultiu mínim sense aminoàcids, però sí que es multiplicaven en un medi enriquit. En transferir mostres a diferents tubs suplementats cadascun amb un sol aminoàcid conegut, van detectar soques que exclusivament creixien si se'ls afegia prolina. Aquestes observacions van demostrar que una alteració gènica anul·la un enzim específic d'una ruta metabòlica, enunciant així el postulat clàssic un gen, un enzim (redefinit més endavant com a un gen, una cadena polipeptídica).

COMPROVA-HO 2 Quina conclusió bioquímica directa es deriva del fet que la desoxiribonucleasa anul·li la transformació de Griffith mentre que la proteasa la manté inalterada? Dogma Central de la Biologia Molecular: Apunts i Resum 5 De les regles químiques a la confirmació amb bacteriòfags Abans de determinar l'estructura tridimensional de la molècula, van caldre dades sobre la proporció química dels seus components i la certesa definitiva del seu paper com a transmissor exclusiu. L'any 1940, el químic austríac Erwin Chargaff va analitzar mostres de DNA pertanyents a organismes diversos i en va mesurar la quantitat de purines i pirimidines.

Tot i que la proporció global variava entre espècies, dins de cadascuna es complia una relació constant: el percentatge d'adenina coincidia amb el de timina, i el de guanina amb el de citosina. Organisme Adenina (%) Guanina (%) Citosina (%) Timina (%) Humà 30,4 19,6 19,9 30,1 Bou 29,0 21,2 21,2 28,6 Espermatozou de salmó 29,7 20,8 20,4 29,1 Germinat de blat 28,1 21,8 22,7 27,4 Escherichia coli 24,7 26,0 25,7 23,6 Eriçó de mar 32,8 17,7 17,3 32,2 Aquestes dades van donar peu a plantejar que les bases nitrogenades constituïen un codi o alfabet biològic amb les instruccions cel·lulars.

La verificació definitiva la van dur a terme Alfred Hershey i Martha Chase el 1952 emprant virus cultivats sobre cèl·lules bacterianes. Van utilitzar dos isòtops radioactius diferents per marcar cadascuna de les fraccions: fòsfor-32 ( ) per marcar el DNA (que conté grups fosfat però no sofre) i sofre-35 ( ) per marcar la càpsida proteica (que posseeix residus de sofre però no fòsfor). P 32 S 35 Dogma Central de la Biologia Molecular: Apunts i Resum 6 Esquema de l'experiment d'infecció vírica amb isòtops de Hershey i Chase.

Després de permetre la infecció, agitar la mescla mecànicament per desprendre les cobertes víriques i separar els components per centrifugació, els resultats van ser concloents: El material intracel·lular que entrava al bacteri era radioactiu per fòsfor-32, demostrant que el DNA injectat dirigeix la síntesi dels nous virions. El material extracel·lular restant a les cobertes buides contenia el sofre-35, demostrant que les proteïnes no intervenen en la transmissió de l'herència. ERROR FREQÜENT Confondre quin isòtop marca cada biomolècula.

Recorda que els àcids nucleics posseeixen esquelet de fosfat i manquen de sofre, per la qual cosa s'incorporen amb , mentre que els aminoàcids amb sofre (com la metionina i la cisteïna) incorporen . Invertir els marcadors invalida completament la interpretació de l'experiment de Hershey i Chase. Arquitectura molecular i significat biològic de la doble hèlix Qualsevol estructura que aspiri a ser el suport de l'herència ha de complir quatre requisits cel·lulars indispensables: P 32 S 35 Capacitat d'emmagatzematge: portar una gran quantitat d'informació que pugui transferir-se de cèl·lula mare a filla i a les generacions següents.

1 Fidelitat de còpia: reproduir-se amb extrema precisió durant cada cicle de divisió cel·lular. 2 Dogma Central de la Biologia Molecular: Apunts i Resum 7 L'any 1953, James Watson i Francis Crick van presentar el model de la doble hèlix del DNA, integrant les dades cristal·logràfiques i la paritat de Chargaff: Cadenes antiparal·leles: les dues cadenes de polinucleòtids discorren en sentits químics oposats respecte als seus enllaços fosfodièster, orientades en direcció 5' 3' en una hebra i 3' 5' en la complementària (en referència al carboni 5 o carboni 3 de la desoxiribosa). Aquesta disposició resulta essencial per als mecanismes de duplicació i expressió gènica.

Complementarietat de bases: l'enllaçament interior connecta sempre una purina amb una pirimidina específica mitjançant ponts d'hidrogen: l'adenina forma 2 ponts d'hidrogen amb la timina ( ), mentre que la guanina forma 3 ponts d'hidrogen amb la citosina ( ). La seqüència d'una cadena determina automàticament la seqüència de la contrària. Grandària i capacitat informativa: és una macromolècula que pot fer fins a 2 m de longitud a les cèl·lules humanes, on s'acumulen al voltant de 6.200 milions de parells de bases entre els cromosomes. Diagrama de la doble hèlix antiparal·lela de DNA i aparellament de bases.

COMPROVA-HO 3 Si una mostra de DNA bicatenari humà conté un 20 % de citosina, quin percentatge tindrà d'adenina segons la regla de complementarietat? Estabilitat química: preservar el missatge i minimitzar l'aparició d'errades espontànies. 3 Capacitat de mutació controlada: tolerar canvis hereditaris puntuals que generin variabilitat genètica necessària per a l'evolució biològica. 4 A = T G C Dogma Central de la Biologia Molecular: Apunts i Resum 8 L'RNA com a intermediari i el Dogma Central Tot i que el DNA custodia el pla genètic, les molècules encarregades d'executar les funcions cel·lulars són les proteïnes.

L'àcid ribonucleic (RNA) actua com a intermediari imprescindible perquè la maquinària citoplasmàtica tradueixi la informació gènica: L'RNA es localitza al citoplasma, que és el compartiment on té lloc la síntesi de proteïnes. Les cèl·lules d'embrions en període de desenvolupament actiu contenen alts nivells d'RNA degut a la gran demanda de proteïnes. Els ribosomes, estructures clau de la maquinària cel·lular, estan formats per dues terceres parts d'RNA ( ) i una tercera part de proteïna ( ). En les infeccions de fags es detecta síntesi ràpida d'RNA a partir del DNA víric per comandar la maquinària hoste.

A més, determinats virus contenen únicament RNA, provant que aquesta molècula també pot albergar directament informació hereditària. L'any 1958, Francis Crick va sintetitzar aquesta relació proposant el Dogma Central de la Biologia Molecular: la informació genètica flueix unidireccionalment des del DNA cap a les proteïnes, intervenint l'RNA com a molècula mediadora (amb les particularitats que presenten certs virus). El genotip contingut a la seqüència de nucleòtids determina el fenotip expressat per la composició de les proteïnes.

Aquest principi molecular té una transcendència evolutiva directa: en demostrar-se que la informació transcorre del DNA a la proteïna i mai a la inversa, es refusa de manera definitiva la hipòtesi de l'herència dels caràcters adquirits defensada per Jean-Baptiste Lamarck. Els caràcters que un organisme desenvolupa o perd durant la seva vida individual no modifiquen les seqüències de nucleòtids del genoma. La selecció natural actua exclusivament sobre la variabilitat genètica preexistent en el DNA seleccionant els individus millor adaptats, però no pot originar caràcters hereditaris a partir de demandes de l'ambient.

IDEES CLAU Els experiments de Griffith (1928) i Avery, MacLeod i McCarty (1943) van demostrar que el factor transformador hereditari és el DNA i no les proteïnes. La hipòtesi de Beadle i Tatum (1941) en Neurospora va vincular cada gen a la producció d'una cadena polipeptídica funcional. Chargaff (1940) va descobrir la paritat de bases (%A=%T i %G=%C) pròpia de cada espècie. Hershey i Chase (1952) van confirmar amb bacteriòfags marcats amb i que el DNA és l'únic material injectat per dirigir la replicació vírica. El model de Watson i Crick (1953) descriu dues cadenes antiparal·leles unides per ponts d'hidrogen: 2 entre adenina i timina, i 3 entre guanina i citosina.

El Dogma Central formulat per Crick (1958) estableix el flux DNA RNA proteïna i refuta l'herència dels caràcters adquirits de Lamarck. 2/3 1/3 P 32 S 35 Dogma Central de la Biologia Molecular: Apunts i Resum 9 COMPROVA EL QUE HAS APRÈS 4. Per quin motiu Hershey i Chase van escollir fòsfor-32 i sofre-35 per diferenciar el material genètic de les cobertes víriques? 5. Com descarta el Dogma Central de la Biologia Molecular la teoria evolutiva de Lamarck? Test Encercla la resposta correcta. Les solucions són al final. 6. Quin enzim va destruir la capacitat transformadora en els extractes cel·lulars de l'experiment d'Avery? 7.

Quants ponts d'hidrogen connecten la citosina i la guanina en l'estructura del DNA bicatenari? 8. A quin concepte va donar lloc el descobriment dels mutants auxòtrofs de prolina per Beadle i Tatum? 9. Quina fracció radioactiva es va detectar a l'interior del bacteri infectat en l'experiment de Hershey i Chase?

Polimerasa a) Desoxiribonucleasa b) Proteasa c) Ribonucleasa d) 1 pont a) 2 ponts b) 3 ponts c) 4 ponts d) Replicació semiconservativa del DNA a) Herència dels caràcters adquirits b) Transformació bacteriana lítica c) Un gen, una cadena polipeptídica d) Sofre-35 procedent de les càpsides víriques a) Fòsfor-32 marcat al DNA víric b) Nitrogen-15 de la paret bacteriana c) Carboni-14 marcat en el medi d) Dogma Central de la Biologia Molecular: Apunts i Resum 10 2 Replicació del DNA i maquinària enzimàtica EN ACABAR SABRÀS Distingir els experiments de Meselson-Stahl i John Cairns demostrant la replicació semiconservativa i bidireccional.

Explicar els requeriments catalítics de les DNA polimerases i la formació asimètrica de fragments d'Okazaki. Descriure la funció coordinada de cada enzim del replisoma procariota durant l'elongació i maduració. PENSA-HI ABANS DE LLEGIR 10 Com pot una cèl·lula replicar alhora dues cadenes antiparal·leles si els seus enzims només saben caminar en una única direcció química? Naturalesa semiconservativa i bidireccionalitat de la replicació La duplicació del material genètic té lloc durant la fase S del cicle cel·lular, prèviament a la divisió per mitosi. Aquest mecanisme permet transmetre una còpia fidedigna de la informació a cada cèl·lula filla.

Històricament es van proposar tres hipòtesis per explicar la duplicació: el model conservatiu (on la doble hèlix original roman intacta i es genera una còpia totalment nova), el model dispersiu (on les cadenes resultants alternen fragments antics i nous) i el model semiconservatiu. DEFINICIÓ El model semiconservatiu postula que les dues cadenes parentals de la doble hèlix se separen i cada bri serveix de motlle per sintetitzar-ne un de complementari. Cada molècula filla conserva així una cadena vella i n'incorpora una de nova síntesi.

L'any 1958, Matthew Meselson i Franklin Stahl van validar de manera concloent el model semiconservatiu mitjançant bacteris Escherichia coli cultivats inicialment amb l'isòtop pesant i transferits després a un medi amb nitrogen lleuger . L'anàlisi de densitat en gradients de clorur de cesi (CsCl) va mostrar una banda intermèdia híbrida a la primera generació, descartant el model conservatiu. A la segona generació van aparèixer dues bandes d'igual intensitat (una híbrida i una lleugera), refutant definitivament la hipòtesi dispersiva. N 15 N 14 Dogma Central de la Biologia Molecular: Apunts i Resum 11 Esquema de l'experiment de Meselson i Stahl en gradient de cesi.

Posteriorment, el 1963, John Cairns va analitzar cromosomes circulars d'E. coli amb timina marcada radioactivament mitjançant autoradiografia, avaluant la replicació al cap d'una i dues generacions i demostrant la presència de dues forquetes de replicació que avancen en sentits oposats a partir d'un punt inicial, establint el caràcter bidireccional del procés. COMPROVA-HO 11 Quina banda de densitat s'obtindria a la primera generació de Meselson-Stahl si la replicació fos estrictament conservativa? Propietats de les DNA polimerases i la forqueta de replicació Les DNA polimerases són els enzims encarregats de polimeritzar els desoxiribonucleòtids.

El seu funcionament imposa dos requeriments químics estrictes: necessiten una cadena motlle i un grup 3'- OH lliure preexistent. Per tant, no poden començar una cadena de nou i sintetitzen exclusivament en sentit 5' a 3', catalitzant l'enllaç fosfodièster entre el grup fosfat alfa del nucleòtid entrant i el 3'-OH terminal. PER RECORDAR-HO Com que les dues cadenes del DNA són antiparal·leles (vegeu «Identificació i naturalesa del material hereditari») i la polimerasa només allarga en direcció 5' 3', l'avanç de la forqueta obliga a sintetitzar una cadena de forma contínua i l'altra a salts discontinus.

Dogma Central de la Biologia Molecular: Apunts i Resum 12 Aquesta asimetria genera dues estratègies de síntesi a cada forqueta de replicació: Cadena avançada (o líder): es replica de manera contínua en direcció cap a l'obertura de la forqueta a partir d'un únic encebador d'RNA. Cadena retardada (o ressegada): es sintetitza en sentit oposat a l'avanç de la forqueta mitjançant segments curts anomenats fragments d'Okazaki, cadascun iniciat pel seu propi encebador ribonucleotídic (d'uns 8 a 12 ribonucleòtids). Esquema de la forqueta bidireccional amb cadenes avançada i retardada. ERROR FREQÜENT Confondre el sentit de lectura del motlle amb el sentit de síntesi del DNA.

La polimerasa llegeix la cadena motlle parental en sentit 3' 5', però la síntesi del nou bri sempre es produeix indefectiblement en sentit 5' 3'. COMPROVA-HO 12 Per què la cadena retardada requereix múltiples encebadors mentre que la cadena avançada només en necessita un? Maquinària enzimàtica procariota i maduració dels fragments A les cèl·lules bacterianes, la replicació comença en una seqüència única anomenada origen de replicació (oriC). La proteïna DnaA reconeix caixes específiques a oriC i desestabilitza una regió adjacent rica en parells adenina-timina.

Tot seguit, el carregador DnaC facilita la col·locació de la DnaB helicasa a cada bri, formant el complex d'inici abans que DnaA i DnaC s'alliberin. Dogma Central de la Biologia Molecular: Apunts i Resum 13 PROCÉS Passos d'iniciació de la replicació a oriC 1 Reconeixement d'oriC DnaA s'uneix a caixes específiques i obre la regió rica en A-T. 2 Càrrega de l'helicasa DnaC posiciona DnaB (helicasa) a les cadenes separades. 3 Estabilització i priming Les proteïnes SSB cobreixen el DNA i la primasa sintetitza l'RNA cebador. 4 Alliberament de DnaA/C DnaA i DnaC marxen i la DNA polimerasa III comença l'elongació.

Durant l'elongació intervenen diferents proteïnes especialitzades que cooperen a la forqueta: Enzim o proteïna Funció molecular a la replicació procariota Helicasa (DnaB) Separa les dues cadenes trencant els ponts d'hidrogen entre bases nitrogenades amb consum d'energia. DNA girasa (topoisomerasa) Allibera la tensió torsional per davant de la forqueta i evita el superenrotllament excessiu. Proteïnes SSB Proteïnes d'unió a cadena senzilla que estabilitzen el DNA monocatenari i impedeixen que es renaturalitzi. Primasa (DnaG) Sintetitza els petits encebadors d'RNA necessaris per oferir l'extrem 3'-OH a la polimerasa.

DNA polimerasa III Holoenzim catalític principal d'alta velocitat (fins a 1.000 nucleòtids per segon per forqueta) i processivitat. Pinça beta (clamp) Estructura anular que ancora el nucli de la Pol III al motlle per evitar-ne la dissociació prematura. DNA polimerasa I Degrada els encebadors d'RNA gràcies a la seva activitat exonucleasa 5' 3' i reomple els buits amb DNA. DNA lligasa Segella la fissura restant creant l'enllaç fosfodièster final entre fragments adjacents. Perquè els dos nuclis catalítics de la DNA polimerasa III avancin alhora, la cadena retardada forma una nansa flexible; aquest mecanisme es coneix com a model de trombó de l'arquitectura del replisoma.

Quan un fragment d'Okazaki s'acaba, la DNA polimerasa I degrada l'RNA previ mitjançant activitat exonucleasa 5' a 3' i el substitueix per desoxiribonucleòtids. Finalment, la DNA lligasa canalitza la formació de l'enllaç fosfodièster per unir els fragments consecutius. Dogma Central de la Biologia Molecular: Apunts i Resum 14 Diagrama de maduració dels fragments d'Okazaki per la maquinària replicativa. La fidelitat del procés és extraordinària: la taxa d'error final és d'un error cada 10.000 milions de nucleòtids ( ).

Aquesta precisió depèn de la correcció de proves duta a terme per l'activitat exonucleasa 3' a 5' de la polimerasa, capaç de retrocedir, extirpar el nucleòtid mal aparellat i reprendre la síntesi correcta. COMPROVA-HO 13 Quina activitat enzimàtica permet a la DNA polimerasa I eliminar l'encebador d'RNA situat davant seu? 1010 Dogma Central de la Biologia Molecular: Apunts i Resum 15 IDEES CLAU Meselson i Stahl van provar la replicació semiconservativa mitjançant isòtops de nitrogen en gradient de cesi. Cairns va demostrar que el cromosoma circular bacterià es replica de manera bidireccional formant dues forquetes.

Totes les DNA polimerases sintetitzen únicament en sentit 5' a 3' i requereixen un extrem 3'- OH proporcionat per un encebador d'RNA. La cadena avançada es replica de manera contínua, mentre que la retardada es forma per fragments d'Okazaki discontinus. El replisoma coordina la síntesi simultània mitjançant la pinça beta i el model de trombó a la cadena retardada. L'activitat exonucleasa 3' a 5' corregeix errors de concordança, mentre que la Pol I elimina els encebadors d'RNA gràcies a la seva exonucleasa 5' a 3'. COMPROVA EL QUE HAS APRÈS 14. Quins dos requisits químics indispensables té la DNA polimerasa per poder allargar una cadena de DNA? 15.

En què es distingeixen les activitats exonucleasa 3' a 5' i 5' a 3' pel que fa a la seva utilitat durant la replicació? Test Encercla la resposta correcta. Les solucions són al final. 16. Quin resultat de Meselson i Stahl va descartar definitivament el model dispersiu de replicació? 17. Per què cal sintetitzar fragments d'Okazaki a la cadena retardada?

La presència d'una sola banda pesant inicial a) L'absència de bandes híbrides a la generació zero b) Una única banda intermèdia a la primera generació c) L'aparició de dues bandes a la segona generació d) Perquè la polimerasa només sintetitza en sentit 5' a 3' a) Perquè manquen proteïnes SSB a la forqueta de replicació b) Perquè la primasa no pot actuar a la cadena avançada c) Perquè les helicases avancen exclusivament en direcció 3' a 5' d) Dogma Central de la Biologia Molecular: Apunts i Resum 16 18. Quina funció específica té la pinça beta (clamp) associada a la DNA polimerasa III? 19. Quin paper desenvolupa la DNA lligasa durant la maduració dels fragments d'Okazaki?

3 Particularitats de la replicació eucariota i telòmers EN ACABAR SABRÀS Distingir els components principals de la maquinària replicativa eucariota respecte a la procariota. Descriure el muntatge i la regulació temporal del complex de prereplicació durant el cicle cel·lular. Explicar l'origen del problema de la replicació terminal en cromosomes lineals. Detallar el mecanisme enzimàtic de la telomerasa i les seves implicacions en envelliment i oncogènesi. PENSA-HI ABANS DE LLEGIR 20 Com aconsegueixen els cromosomes lineals no esdevenir cada vegada més curts a cada divisió que passa a la línia germinal?

Diferències estructurals i maquinària de replicació en eucariotes La replicació en cèl·lules eucariotes requereix coordinar la duplicació d'un volum molt superior de material genètic organitzat en cromatina. A diferència dels bacteris, les polimerases replicatives eucariotes s'anomenen tradicionalment amb lletres gregues en comptes de xifres romanes. A més, la proteïna PCNA (antigen nuclear de cèl·lules en proliferació) actua com a pinça lliscant homotrimèrica que substitueix la pinça beta procariota, assegurant l'alta processivitat de la síntesi. Durant el pas de la forqueta, els octàmers d'histones es desmunten temporalment.

El factor CAF-1 (factor 1 d'assemblatge a la cromatina) té el paper fonamental de reclutar i dipositar les histones de nova síntesi sobre els nous dúplexs de DNA. Les histones preexistents i les acabades de sintetitzar es distribueixen de manera aleatòria entre les dues cadenes filles.

Retallar els encebadors d'RNA de la cadena a) Desenrotllar la doble hèlix trencant ponts d'hidrogen b) Incrementar la processivitat evitant que es desenganxi c) Segellar enllaços fosfodièster entre fragments d'Okazaki d) Crea l'enllaç fosfodièster per unir fragments contigus a) Elimina l'RNA residual mitjançant hidròlisi exonucleasa b) Sintetitza el curt encebador de ribonucleòtids inicial c) Desenrotlla el superenrotllament acumulat per la girasa d) Dogma Central de la Biologia Molecular: Apunts i Resum 17 Element o funció Model procariota Model eucariota Nomenclatura polimerases Xifres romanes (Pol I, Pol III...) Lletres gregues (Pol , , ...) Pinça de processivitat Clamp beta (dímer) PCNA (trímer) Organització del DNA DNA nu circular Associat a histones (nucleosomes) Restauració de cromatina Inexistent Regulada per CAF-1 a la fase S COMPROVA-HO 21 Quina funció específica desenvolupa el factor CAF-1 durant la replicació eucariota?

Iniciació múltiple i coordinació temporal al cicle cel·lular Els cromosomes lineals dels eucariotes presenten una mida enorme. Per replicar tot el genoma en un temps compatible amb la viabilitat cel·lular, necessiten múltiples orígens de replicació que s'activen de manera coordinada. La fusió de les diferents bombolles de replicació contigües marca la finalització de la duplicació del cromosoma. En llevats com a model d'estudi, els orígens se situen en regions riques en adenina i timina. En aquests punts s'acobla el complex ORC (complex de reconeixement d'origen).

Posteriorment s'hi uneixen proteïnes reguladores com CDC-6 i M-CDK, les quals es produeixen entre el final de la mitosi i la fase G1. A continuació s'incorpora el complex helicasa MCM per permetre l'obertura de la doble hèlix. Esquema del reclutament ordenat de factors proteics a l'origen de replicació eucariota. α δ ϵ Dogma Central de la Biologia Molecular: Apunts i Resum 18 Per evitar que una regió es repliqui més d'una vegada per cicle, el replisoma s'ha de formar abans d'engegar la fase S. Durant la fase S, les proteïnes iniciadores com CDC-6 s'hidrolitzen o s'inactiven; per tant, un cop iniciada aquesta fase ja no es poden carregar nous complexos prereplicatius.

En els organismes pluricel·lulars o superiors, el complex ORC no reconeix una seqüència consens curta específica, sinó determinades conformacions espacials de la cromatina i interaccions amb marcadors proteics associats. Aquesta organització determina l'ordre temporal de duplicació durant la fase S: Eucromatina: zones menys condensades i riques en gens actius, que es repliquen preferentment a l'inici de la fase S. Heterocromatina: regions altament compactades i amb baixa densitat gènica, que completen la seva síntesi tardanament.

PROCÉS Muntatge ordenat del complex d'iniciació a l'origen de replicació 1 Reconeixement per l'ORC El complex ORC s'uneix als orígens rics en AT 2 Càrrega de CDC-6 i reguladors CDC-6 i M-CDK s'uneixen durant el final de la mitosi i G1 3 Reclutament de l'helicasa MCM El complex MCM s'instal·la per permetre obrir l'hèlix 4 Disparament a la fase S S'hidrolitza CDC-6 i s'inicia la replicació sense noves càrregues COMPROVA-HO 22 Per què una regió d'origen no pot tornar a disparar la replicació dins de la mateixa fase S? El problema de la replicació terminal dels cromosomes lineals La naturalesa lineal del DNA eucariota genera una limitació coneguda com el problema de la replicació final.

La síntesi de la cadena retardada requereix encebadors d'RNA que després són eliminats per exonucleases (vegeu «Replicació del DNA i maquinària enzimàtica»). Com que cap DNA polimerasa pot estendre una cadena en sentit 5' cap a 3' sense un extrem 3'-OH previ, l'extrem 5' de la nova cadena queda truncat després de retirar l'últim encebador, provocant un escurçament progressiu a cada ronda de divisió. Per protegir la integritat del genoma, els extrems dels cromosomes presenten telòmers. En humans, consten d'una seqüència repetitiva en tàndem d'un hexanucleòtid específic, 5'-TTAGGG-3', que pot arribar a contenir fins a 2.000 repeticions.

Els telòmers funcionen com un tap protector que evita la degradació enzimàtica i impedeix que les maquinàries de reparació cel·lular confonguin els extrems dels cromosomes amb trencaments accidentals de la doble cadena. PER RECORDAR-HO La seqüència telomèrica humana es pot memoritzar amb la regla de dues T i tres G: T-T-A-G-G- G. Dogma Central de la Biologia Molecular: Apunts i Resum 19 Acció de la telomerasa i la seva relació amb la senescència i el càncer La telomerasa és una ribonucleoproteïna especialitzada encarregada de sintetitzar noves repeticions telomèriques per contrarestar l'escurçament dels extrems.

Posseeix activitat transcriptasa inversa i incorpora una molècula d'RNA interna que empra com a motlle complementari. Diagrama del mecanisme d'elongació telomèrica mediat per l'enzim telomerasa. ERROR FREQÜENT Pensar que la telomerasa sintetitza directament la cadena que ha perdut l'encebador. La telomerasa s'uneix i allarga exclusivament l'extrem 3' de la cadena motlle parental; la cadena filla complementària s'omple després mitjançant la maquinària estàndard de la DNA polimerasa convencional utilitzant un nou encebador.

L'activitat telomerasa varia segons el tipus cel·lular, actuant com un autèntic rellotge biològic: Reconeixement de l'extrem 3' sobreeeixint: La telomerasa s'uneix mitjançant el seu RNA guia a l'extrem 3' de la cadena parental de DNA. 1 Elongació transcriptasa inversa: Utilitzant el seu motlle intern d'RNA, l'enzim allarga en sentit 5' a 3' la cadena rica en guanines de l'extrem 3'. 2 Translocació i repetició: L'enzim es desplaça al llarg de l'extrem acabat de sintetitzar i repeteix el cicle successives vegades.

3 Síntesi de la cadena complementària: Un cop allargat suficientment l'extrem 3', la maquinària de la primasa i la DNA polimerasa sintetitza un nou encebador i estén la cadena retardada restant. 4 Dogma Central de la Biologia Molecular: Apunts i Resum 20 Cèl·lules somàtiques: Tenen l'enzim reprimit o amb activitat indetectable. Els seus telòmers s'escurcen a cada divisió fins a atènyer el límit de viabilitat, induint la senescència cel·lular o envelliment replicatiu. Cèl·lules germinals: Mantenen la telomerasa constitutivament activa, garantint la preservació completa de la longitud telomèrica per a la descendència.

Cèl·lules tumorals: Reactiven de manera anòmala la telomerasa, fet que els confereix proliferació il·limitada i immortalitat replicativa característica de les neoplàsies malignes. COMPROVA-HO 23 Quina conseqüència tindria la manca completa d'activitat telomerasa a les cèl·lules de la línia germinal? IDEES CLAU La proteïna PCNA assumeix el paper de pinça lliscant de processivitat en eucariotes en lloc del clamp beta procariota. El factor CAF-1 carrega les histones acabades de sintetitzar als nous dúplexs de DNA formats durant la fase S. Els orígens múltiples de replicació s'activen coordinadament sota control del complex ORC, CDC-6 i M-CDK per evitar rereplicacions.

L'eucromatina descondensada es duplica a l'inici de la fase S, mentre que l'heterocromatina densa es replica més tard. Els telòmers contenen repeticions tàndem (hexanucleòtid 5'-TTAGGG-3' en humans) que eviten la pèrdua d'informació gènica rellevant. La telomerasa és una ribonucleoproteïna amb activitat transcriptasa inversa que estén l'extrem 3' del DNA usant el seu propi motlle d'RNA. COMPROVA EL QUE HAS APRÈS 24. Quin paper desenvolupen les proteïnes CDC-6 i M-CDK en la regulació de la fase S? 25. Com actua la telomerasa sobre l'extrem 3' cromosòmic i quin tipus d'activitat catalítica té? Test Encercla la resposta correcta. Les solucions són al final. 26.

Quina proteïna substitueix el clamp beta com a pinça de processivitat en eucariotes? PCNA a) CAF-1 b) CDC-6 c) ORC d) Dogma Central de la Biologia Molecular: Apunts i Resum 21 27. En quin ordre cronològic es duplica el genoma segons la condensació de la cromatina a la fase S? 28. Quina seqüència repetitiva forma l'hexanucleòtid telomèric humà? 29. En quins tipus cel·lulars es manté una activitat telomerasa alta i constitutiva? 4 Transcripció i maduració de l'RNA EN ACABAR SABRÀS Distingir les diferències mecanístiques clau entre la transcripció i la replicació del DNA. Diferenciar la funció de la cadena motlle respecte a la cadena codificant durant la síntesi d'RNA.

Descriure les etapes de la maduració post-transcripcional eucariota: capping, poliadenilació i splicing. Explicar com l'splicing alternatiu afavoreix la diversitat proteica cel·lular. PENSA-HI ABANS DE LLEGIR 30 Com aconsegueix la cèl·lula eucariota produir milers de proteïnes distintes si el nombre de gens és molt més reduït? La informació hereditària resideix al DNA, però aquesta molècula no surt del nucli cel·lular per dirigir directament la biosíntesi de proteïnes. Per traslladar aquestes instruccions al citoplasma, la cèl·lula sintetitza molècules intermediàries d'àcid ribonucleic mitjançant el procés de transcripció (vegeu «Identificació i naturalesa del material hereditari»).

L'RNA missatger (mRNA) és el tipus d'RNA encarregat de portar aquesta informació genètica fins als ribosomes.

Primer els telòmers i després l'eucromatina a) Primer l'eucromatina i després l'heterocromatina b) Primer l'heterocromatina i després l'eucromatina c) Totes dues formes es repliquen simultàniament d) CCCAAT a) TATAAT b) TTAGGG c) TTGACA d) Únicament als eritròcits madurs a) Cèl·lules germinals i cèl·lules tumorals b) Totes les cèl·lules somàtiques adultes c) Cèl·lules somàtiques diferenciades i senescents d) Dogma Central de la Biologia Molecular: Apunts i Resum 22 Naturalesa del procés i contrast amb la replicació La transcripció és la síntesi d'RNA dirigida per un motlle de DNA, fonamentada en la complementarietat de bases nitrogenades i la capacitat d'hibridació temporal entre ambdues cadenes.

El mRNA resultant és una cadena senzilla, amb una longitud típica d'uns 500 a 1.000 nucleòtids. A diferència de la duplicació genòmica completa, la transcripció presenta trets operatius molt diferents.

Criteri diferencial Transcripció Replicació Enzim catalitzador principal RNA polimerasa DNA polimerasa Substrats nucleotídics Ribonucleòtids: A, C, G, U Desoxirribonucleòtids: A, C, G, T Aparellament de bases C-G i A-U C-G i A-T Cadenes que actuen de plantilla Només una cadena (cadena motlle) Ambdues cadenes de la doble hèlix Regions de DNA copiades Regions seleccionades (gens concrets) La totalitat del genoma Temporalitat i necessitat d'encebador Processament selectiu; sense encebador Procés continu en divisió; requereix encebador Mentre que la DNA polimerasa exigeix un encebador previ d'RNA (vegeu «Replicació del DNA i maquinària enzimàtica»), la RNA polimerasa inicia la cadena de novo i allarga el filament exclusivament en sentit .

COMPROVA-HO 31 Quina diferència mecànica clau separa l'inici de la síntesi d'una cadena per la RNA polimerasa respecte de la DNA polimerasa? Mecanisme de transcripció procariota: reconeixement i cadenes de lectura En els bacteris, una única classe d'RNA polimerasa duu a terme tota la síntesi transcripcional. Aquest complex enzimàtic adopta la forma d'un holoenzim format per diverses subunitats proteiques. El nucli catalític central és incapaç de localitzar per si sol l'inici d'un gen; per a aquesta tasca requereix la incorporació de la subunitat sigma (σ), que reconeix seqüències senyal específiques al DNA anomenades promotors.

Aquests promotors combinen caixes de nucleòtids conservades amb fragments variables que orienten l'inici de la polimerització. 5 3 Dogma Central de la Biologia Molecular: Apunts i Resum 23 Esquema del reconeixement del promotor per l'holoenzim bacterià i alliberament de sigma. Quan l'holoenzim s'uneix de manera estable al promotor, desenrotlla localment la doble hèlix i forma la bombolla de transcripció. Un cop començada la síntesi, s'allibera el factor sigma (σ) i el nucli central de la RNA polimerasa continua l'elongació fins a arribar a una regió de parada.

Durant l'obertura del duplex de DNA, cal diferenciar clarament el paper funcional de cadascuna de les dues cadenes antiparal·leles: Cadena motlle (o cadena sense sentit): és la cadena de DNA que llegeix la polimerasa en direcció i serveix de plantilla física directa per sintetitzar l'RNA complementari. Cadena codificant (o amb sentit): és la cadena de DNA no copiada directament; la seva seqüència nucleotídica coincideix exactament amb la del mRNA sintetitzat, amb l'única variació que presenta timina (T) allà on el transcrit incorpora uracil (U). ERROR FREQÜENT Confondre la cadena codificant amb la cadena que serveix de motlle. La polimerasa copia físicament la cadena motlle (sense sentit).

La cadena codificant mai no s'utilitza com a plantilla directa de lectura; rep aquest nom perquè la seva seqüència coincideix amb la del mRNA generat (canviant T per U). Estructura del transcrit: senyals de traducció i organització gènica La molècula d'RNA sintetitzada inclou regions destinades a la síntesi proteica i segments reguladors no codificants. L'inici de la pauta de lectura ve definit pel codó d'inici canònic AUG, que codifica per a metionina en organismes eucariotes i N-formilmetionina en procariotes. La terminació de la traducció 3 5 Dogma Central de la Biologia Molecular: Apunts i Resum 24 és marcada per un dels tres codons sense sentit o codons de parada: UAG (anomenat ambre).

UAA (anomenat ocre). UGA (anomenat òpal). Als extrems del transcrit existeixen segments que no contenen triplets codificants per a aminoàcids: les regions 5'-UTR (flanc anterior a l'AUG) i 3'-UTR (flanc posterior al codó stop). Aquestes seqüències no traduïdes tenen un paper transcendental en la regulació gènica i l'estabilitat molecular. Una altra diferència fonamental rau en l'arquitectura del missatge. El mRNA procariota és típicament un transcrit policistrònic, és a dir, conté en una única molècula contínua la informació per sintetitzar diverses proteïnes distintes. A més, no experimenta transformacions post-transcripcionals després de la seva síntesi.

En canvi, el transcrit madur eucariota és monocistrònic: conté exclusivament les instruccions d'un únic gen per donar lloc a un polipèptid específic. COMPROVA-HO 32 Què significa que un mRNA bacterian sigui policistrònic i en què es diferencia de l'eucariota? Maduració post-transcripcional del pre-mRNA eucariota En cèl·lules eucariotes, la transcripció es localitza al nucli i genera un transcrit primari immadur conegut com a RNA heterogeni nuclear (hnRNA o pre-mRNA).

Abans que aquest transcrit pugui exportar-se al citoplasma per a la seva traducció, pateix tres etapes obligatòries de maduració post-transcripcional: Dogma Central de la Biologia Molecular: Apunts i Resum 25 Esquema de les etapes de maduració post-transcripcional en eucariotes: capping, poliadenilació i splicing. Addició de la caputxa 5' (capping): de manera cotranscripcional a l'extrem inicial s'acobla un nucleòtid modificat, la 7-metilguanosina (CAP). Aquesta protecció impedeix la degradació de l'extrem per part de ribonucleases durant el transport cap al citoplasma i facilita el reconeixement i unió del ribosoma.

1 Poliadenilació a l'extrem 3': un cop completada la síntesi i produït l'alliberament del DNA, l'enzim poli-A polimerasa incorpora una cadena de ribonucleòtids d'adenina (cua de poli-A d'uns 200 nucleòtids). Aquesta modificació atorga estabilitat metabòlica al transcrit i col·labora en la seva traducció posterior. 2 Splicing (tall i unió nuclear): els gens eucariotes tenen una organització discontínua. Contenen exons (seqüències conservades que formen part del missatge codificant madur) intercalats amb introns (seqüències no codificants intercalades que se solen associar a funcions reguladores).

Un complex macromolecular de ribonucleoproteïnes anomenat spliceosoma extirpa els introns amb màxima precisió i empalma covalentment els exons contigus. 3 Dogma Central de la Biologia Molecular: Apunts i Resum 26 PROCÉS Fases de la maduració del pre-mRNA eucariota PER RECORDAR-HO Si comparem experimentalment l'hnRNA nuclear amb el mRNA citoplasmàtic madur mitjançant hibridació, els fragments nuclears que formen bucles lliures sense aparellar revelen els introns que han estat suprimits per l'spliceosoma. Splicing alternatiu i diversitat funcional El procés de maduració eucariota no sempre uneix els exons de manera lineal o invariable.

Mitjançant el mecanisme d'splicing alternatiu, una cèl·lula pot combinar selectivament diferents conjunts d'exons d'un mateix transcrit primari. Aquesta flexibilitat en el processament permet que un únic gen codifiqui diverses isoformes d'RNA madur, generant múltiples proteïnes relacionades però funcionalment diferents segons el tipus cel·lular o l'estat fisiològic. Transcripció nuclear Síntesi del transcrit primari o hnRNA amb exons i introns. 1 Capping a l'extrem 5' Addició de la 7-metilguanosina per estabilitat i unió al ribosoma. 2 Cua Poli-A al 3' Incorporació d'unes 200 adenines per la poli-A polimerasa. 3 Splicing nuclear L'spliceosoma elimina els introns i empalma els exons.

4 mRNA madur funcional Exportació al citoplasma per a la traducció ribosòmica. 5 Dogma Central de la Biologia Molecular: Apunts i Resum 27 Diagrama d'splicing alternatiu generant múltiples proteïnes a partir d'un sol gen. COMPROVA-HO 33 Quin benefici biològic comporta l'splicing alternatiu per al genoma eucariota? IDEES CLAU La transcripció copia selectivament una de les cadenes de DNA (cadena motlle) en sentit mitjançant la RNA polimerasa sense necessitat d'encebador. El factor sigma (σ) és la subunitat de l'holoenzim procariota encarregada de reconèixer les seqüències del promotor.

Els transcrits procariotes són policistrònics i no pateixen maduració, mentre que els eucariotes són monocistrònics. La maduració post-transcripcional eucariota consta de la caputxa de 7-metilguanosina al 5', la cua poli-A al 3' i l'eliminació d'introns per l'spliceosoma. L'splicing alternatiu combina diferents exons d'un mateix pre-mRNA per originar diverses proteïnes a partir d'un sol gen. 5 3 Dogma Central de la Biologia Molecular: Apunts i Resum 28 COMPROVA EL QUE HAS APRÈS 34. En què es diferencia la cadena motlle de la cadena codificant pel que fa a la seqüència del mRNA? 35. Quines modificacions químiques protegeixen els extrems del mRNA eucariota abans de viatjar al citoplasma?

Test Encercla la resposta correcta. Les solucions són al final. 36. Quina funció essencial desenvolupa la subunitat sigma en la transcripció procariota? 37. Quina característica distingeix l'RNA missatger bacterià del madur eucariota? 38. Com actua l'spliceosoma durant la maduració del transcrit primari eucariota? 39. Quins són els tres codons que determinen la parada de la traducció?

Afegir la cua de poli-A terminal a) Polimeritzar ribonucleòtids durant l'elongació b) Extirpar els introns del transcrit primari c) Reconèixer les seqüències promotores del DNA d) Té introns molt llargs a) Necessita encebadors per sintetitzar-se b) Porta una caputxa de metilguanosina c) És una molècula policistrònica d) Genera una cua de poliadenilació al 3' a) Substitueix timines per uracils b) Afegeix la 7-metilguanosina a l'extrem 5' c) Elimina introns i uneix exons d) UAG, UAA i UGA a) UAA, UAG i UAC b) AUG, UAG i UGA c) AUG, UAA i UGA d) Dogma Central de la Biologia Molecular: Apunts i Resum 29 5 Propietats i desxiframent del codi genètic EN ACABAR SABRÀS Deduir per combinatòria per què els codons han d'estar formats per tres nucleòtids.

Explicar els experiments que van permetre desxifrar el codi i identificar els codons de parada. Analitzar l'amortiment de mutacions segons la posició nucleotídica del codó. Descriure la hipòtesi del balanceig de Crick a la tercera base de l'anticodó. PENSA-HI ABANS DE LLEGIR 40 Com és possible que 64 codons diferents codifiquin només 20 aminoàcids sense generar confusions en la maquinària cel·lular? El dogma central de la biologia molecular (vegeu «Identificació i naturalesa del material hereditari») requereix un mecanisme precís per traduir una seqüència de quatre bases nucleotídiques a una seqüència lineal de 20 aminoàcids diferents.

El codi genètic és el conjunt de regles que fa possible aquesta correspondència essencial. Lògica combinatòria i caràcter del codi La relació entre nucleòtids i aminoàcids no pot ser lineal. Si cada nucleòtid codifiqués un aminoàcid, només se'n podrien especificar . Si s'utilitzessin doblets, s'obtindrien combinacions, una quantitat encara insuficient per als 20 aminoàcids estàndard. La combinació mínima viable requereix agrupacions de tres bases, anomenades triplets o codons, les quals generen un total de combinacions possibles.

A principis dels anys seixanta, es va demostrar que el codi genètic presenta dues propietats estructurals fonamentals: No és solapat: cada nucleòtid forma part exclusivament d'un únic codó. L'any 1961, l'anàlisi de proteïnes mutades va evidenciar que la substitució d'una sola base alterava únicament un aminoàcid, i no tres com passaria en un codi solapat. Manca de comes o signes de puntuació: la lectura dels triplets es fa de manera contínua i seqüencial des del punt d'inici, sense bases intercalades buides entre codons.

Com que existeixen 64 codons per a només 20 aminoàcids, el codi és degenerat: diversos codons sinònims poden especificar el mateix aminoàcid (per exemple, vuit aminoàcids estan codificats per conjunts de quatre codons diferents). DEFINICIÓ Un codó o triplet és la unitat fonamental de lectura de l'mRNA formada per tres nucleòtids consecutius que codifica per a un aminoàcid específic o un senyal d'aturada de la traducció. 4 = 1 4 4 = 2 16 4 = 3 64 Dogma Central de la Biologia Molecular: Apunts i Resum 30 Taula estàndard del codi genètic que mostra les 64 combinacions de triplets.

Pauta de lectura i mutacions supressores L'any 1961, Francis Crick i Sydney Brenner van demostrar experimentalment la lectura per triplets i la degeneració del codi utilitzant fags. Van analitzar l'efecte de mutacions de canvi de pauta de lectura (frameshift) causades per la inserció o eliminació de bases individuals. Dogma Central de la Biologia Molecular: Apunts i Resum 31 Esquema de canvi de pauta de lectura provocat per la inserció d'una base. Quan s'introdueix o s'elimina un únic nucleòtid en una seqüència codificant, es desplaça la pauta de lectura a partir d'aquell punt, modificant tots els aminoàcids posteriors. No obstant això, la síntesi proteica no s'atura pas obligatòriament.

Crick i Brenner van observar que la combinació d'una addició (+1) i una deleció (-1) propera aconseguia una mutació supressora capaç de restaurar la pauta original. De la mateixa manera, la inserció o eliminació conjunta de tres nucleòtids restablia el marc de lectura correcte, fet que confirmava definitivament que el codi es llegeix estrictament en grups de tres. COMPROVA-HO 41 Què passa amb la seqüència aminoacídica si s'insereixen exactament dos nucleòtids en l'mRNA?

Desxiframent experimental i codons de parada La determinació de quins codons corresponen a cadascun dels aminoàcids es va assolir ràpidament durant la dècada del 1960 gràcies a l'ús de sistemes cel·lulars lliures de cèl·lules d'Escherichia coli. L'enzim polinucleòtid fosforilasa va permetre sintetitzar cadenes d'RNA sintètiques in vitro sense necessitat de cap cadena motlle de DNA. Marshall Nirenberg i Har Gobind Khorana (1961), van sintetitzar un homopolímer de poli-U (cadenes formades exclusivament per uracils). En introduir aquest RNA in vitro a la maquinària de síntesi proteica, van obtenir un polipèptid integrat únicament per fenilalanina (Phe).

Aquest experiment clau va demostrar de forma directa que el triplet UUU codifica per a fenilalanina. Treballs posteriors amb polímers repetitius van permetre establir les equivalències dels 61 codons que codifiquen aminoàcids. Dogma Central de la Biologia Molecular: Apunts i Resum 32 Dels 64 codons possibles, 61 especifiquen aminoàcids (inclosos els codons d'inici com AUG) i 3 actuen com a senyals de terminació.

L'any 1965, Sydney Brenner va identificar els tres codons de parada (stop o sense sentit) analitzant mutants en proteïnes de la càpsida vírica que generaven cadenes truncades més curtes: Codó de parada Denominació històrica Funció biològica UAG Àmbre Atura la traducció de la cadena polipeptídica UAA Ocre Atura la traducció de la cadena polipeptídica UGA Òpal Atura la traducció de la cadena polipeptídica PROCÉS Desxiframent experimental del codó UUU Patrons d'ordenació i amortiment de mutacions L'organització de la taula de codons no és pas fruit de l'atzar, sinó que ha evolucionat per minimitzar l'impacte biològic de les mutacions: Mutacions en la primera posició: solen codificar pel mateix aminoàcid o per un d'estructura i propietats químiques molt semblants.

Mutacions en la segona posició: determinen de manera primordial el caràcter químic de la cadena lateral. Si la segona base és una pirimidina (U o C), l'aminoàcid codificat és hidrofòbic (apolar). Si és una purina (A o G), l'aminoàcid és hidrofílic (polar). Mutacions en la tercera posició: les transicions (canvi d'una purina per una altra purina, o d'una pirimidina per una altra pirimidina) gairebé mai no alteren l'aminoàcid resultant. Les transversions (canvi entre purina i pirimidina) només produeixen un canvi d'aminoàcid en aproximadament el 50 % dels casos.

Influència de bases C i G: quan les dues primeres posicions del codó són citosines o guanines, la unió entre cadenes és extremadament forta a causa dels triples ponts d'hidrogen; en aquest Polinucleòtid fosforilasa Síntesi d'RNA in vitro sense necessitat de cadena motlle 1 Cadena de poli-U Homopolímer compost únicament per uracils 2 Traducció in vitro Afegit al sistema cel·lular de síntesi d'E.

coli 3 Polifenilalanina Aïllament d'un pèptid constituït només per fenilalanina 4 Assignació del codó Demostració directa que el triplet UUU codifica Phe 5 Dogma Central de la Biologia Molecular: Apunts i Resum 33 context, la identitat exacta de la tercera base resulta pràcticament irrellevant per a la càrrega de l'aminoàcid. ERROR FREQÜENT Confondre una transició amb una transversió en l'anàlisi de mutacions. Una transició manté la mateixa família química de bases ( com , o com ). Una transversió canvia de classe ( o a l'inrevés). Les transicions són més freqüents i queden molt més amortides per la degeneració del codi genètic.

COMPROVA-HO 42 Quina conseqüència sol tenir sobre la proteïna una mutació per transició a la tercera base d'un codó? Hipòtesi del balanceig de Crick (1966) Inicialment es creia que cadascun dels codons requeria una molècula específica de tRNA proveïda d'un anticodó estrictament complementari. Tanmateix, l'any 1966 Francis Crick va formular la hipòtesi del balanceig (wobble), que resol aquest dilema funcional. Diagrama de l'aparellament en balanceig a la tercera posició codó-anticodó.

Segons aquesta hipòtesi, mentre que les dues primeres posicions del codó formen aparellaments Watson-Crick rígids i estables, la unió a la tercera posició de l'extrem 3' de l'mRNA (corresponent a l'extrem 5' de l'anticodó del tRNA) és espacialment més laxa i flexible. Aquest balanceig permet aparellaments no canònics i redueix el nombre total de tRNA necessaris per llegir tots els codons.

Aquesta flexibilitat es veu incrementada per la presència de bases modificades posttranscripcionalment al tRNA, com ara la inosina (I), un derivat de l'adenina que pot establir ponts d'hidrogen amb tres bases diferents: purina purina A G pirimidina pirimidina U C purina pirimidina Dogma Central de la Biologia Molecular: Apunts i Resum 34 Base en 3' del codó (mRNA) Bases reconegudes en 5' de l'anticodó (tRNA) A U o I G C, U o I C G o I U A, G o I Universalitat del codi i excepcions El codi genètic és gairebé universal: és idèntic en la immensa majoria d'organismes coneguts, des dels bacteris fins a la cèl·lula humana, incloent-hi els virus.

Aquesta conservació evolutiva és el pilar que permet l'enginyeria genètica moderna, inclosa la producció recombinant d'insulina humana en bacteris i la generació d'organismes modificats genèticament (OMG). Tot i la seva universalitat global, es coneixen algunes excepcions específiques en sistemes aïllats: Protozous ciliats: utilitzen codons de parada canònics com a codons amb sentit per a aminoàcids concrets. Mitocondris: contenen un genoma circular propi i maquinària de traducció autònoma.

En el codi genètic mitocondrial d'alguns organismes s'utilitzen fins a 4 codons de parada o es reassigna la lectura de determinats triplets (per exemple, codons que en el codi estàndard senyalitzen parada poden codificar aminoàcids com triptòfan). Determinats llinatges bacterians especialitzats que presenten petites reassignacions puntuals de codons concrets. COMPROVA-HO 43 Per què és possible clonar el gen de la insulina humana i expressar-lo funcionalment en el bacteri Escherichia coli? IDEES CLAU El codi genètic està format per 64 triplets de nucleòtids (codons), dels quals 61 codifiquen aminoàcids i 3 són senyals de terminació (UAG, UAA i UGA).

La lectura del codi és contínua, sense solapaments ni signes de puntuació entre codons. L'experiment de Nirenberg i Matthaei amb poli-U sintetitzat per la polinucleòtid fosforilasa va establir que UUU codifica per a fenilalanina. L'estructura del codi minimitza els efectes mutacionals, de manera que la 2a base defineix el caràcter polar/apolar i la 3a admet canvis gairebé silents. La hipòtesi del balanceig de Crick (1966) descriu la flexibilitat d'aparellament a la 3a base del codó, afavorida per bases modificades com la inosina. La universalitat del codi genètic permet la biotecnologia recombinant, existint excepcions conegudes en mitocondris i ciliats.

Dogma Central de la Biologia Molecular: Apunts i Resum 35 COMPROVA EL QUE HAS APRÈS 44. Com van demostrar Crick i Brenner que el codi genètic es llegeix estrictament en triplets? 45. En què consisteix la hipòtesi del balanceig formulada per Crick l'any 1966? Test Encercla la resposta correcta. Les solucions són al final. 46. Quants codons codifiquen aminoàcids en el codi genètic estàndard? 47. Quin polipèptid es va obtenir en l'experiment de Nirenberg i Khorana amb poli-U? 48. Quin d'aquests triplets correspon al codó de parada anomenat àmbre? 49. Quina base del codó és la responsable de la flexibilitat d'aparellament o balanceig?

6 Mecanisme de la traducció i destí proteic EN ACABAR SABRÀS Distingir les funcions dels llocs ribosòmics A, P i E en cada fase de la traducció. Comparar les característiques diferencials de la traducció entre procariotes i eucariotes. Descriure el mecanisme de reconeixement per SRP i translocació de polipèptids al RER. PENSA-HI ABANS DE LLEGIR 50 Com sap la cèl·lula quines proteïnes s'han de quedar al citoplasma i quines han de ser expulsades a l'exterior abans que s'acabin de sintetitzar?

La traducció és el procés biològic mitjançant el qual la informació genètica present en l'RNA missatger (mRNA) guia la síntesi d'una cadena polipeptídica específica segons les regles del codi genètic (vegeu «Propietats i desxiframent del codi genètic»).

Aquest pas tanca el flux canònic de la informació descrit 16 codons a) 61 codons b) 20 codons c) 64 codons d) Polimetionina a) Poliprolina b) Polifenilalanina c) Polialanina d) UAA a) UAG b) AUG c) UGA d) La tercera base (3') a) La segona base central b) La primera base (5') c) La segona i tercera base d) Dogma Central de la Biologia Molecular: Apunts i Resum 36 pel dogma central de la biologia molecular (vegeu «Identificació i naturalesa del material hereditari»). Esquema del dogma central destacant el pas de traducció.

Maquinària molecular de la traducció La síntesi de proteïnes requereix la interacció coordinada de diversos components cel·lulars: Ribosomes: complexos ribonucleoproteics formats per dues subunitats dissociables (gran i petita). Proporcionen el marc estructural i l'estabilitat necessària per a la interacció entre el mRNA i els tRNA. La subunitat petita acull tres llocs funcionals: el lloc A (aminoacil), on ingressa el tRNA carregat amb el nou aminoàcid; el lloc P (peptidil), on roman el tRNA unit a la cadena polipeptídica creixent; i el lloc E (exit o sortida), per on surt el tRNA desacetilat.

RNA de transferència (tRNA): molècules adaptadores que tradueixen el llenguatge de bases nitrogenades al llenguatge d'aminoàcids. S'estructuren en una conformació bidimensional en fulla de trèvol amb zones de doble hèlix. Contenen un bucle amb l'anticodó (triplet de bases complementari i antiparal·lel al codó del mRNA) i l'extrem 3', al qual s'enllaça l'aminoàcid específic. Aminoacil-tRNA sintetases: enzims amb alta especificitat que catalitzen la unió covalent entre cada aminoàcid i el seu tRNA corresponent amb consum d'energia en forma d'ATP, assegurant la fidelitat de la traducció abans de l'entrada al ribosoma.

Característica ribosòmica Procariotes Eucariotes Subunitats 30S (petita) + 50S (gran) 40S (petita) + 60S (gran) Composició subunitat petita 21 proteïnes + rRNA 16S ~33 proteïnes + rRNA 18S Composició subunitat gran 34 proteïnes + rRNA 23S i 5S ~49 proteïnes + rRNA 28S, 5,8S i 5S COMPROVA-HO 51 Quina conseqüència tindria un error en l'especificitat d'una aminoacil-tRNA sintetasa durant la traducció? Etapes de la traducció en procariotes La biosíntesi proteica en bacteris es desenvolupa en tres fases consecutives altament regulades: Dogma Central de la Biologia Molecular: Apunts i Resum 37 Diagrama de les etapes d'iniciació, elongació i terminació procariotes.

Iniciació: les subunitats ribosòmiques es troben inicialment dissociades. La subunitat petita 30S s'uneix al mRNA i, amb la intervenció dels factors d'iniciació (IF1, IF2 i IF3), situa el codó d'inici AUG al lloc P. S'hi acobla el primer tRNA carregat específicament amb N-formilmetionina (fMet- tRNA). Posteriorment, s'alliberen els factors i s'acobla la subunitat gran 50S, deixant el lloc A…