Genètica Molecular: Lleis de Mendel, Replicació i Expressió Gènica

Lleis de Mendel i Herència Genètica

Gregor J. Mendel:

• 1a Llei: Uniformitat dels Híbrids de la Primera Generació Filial

  Es creuen dues varietats d'individus de raça pura amb determinades característiques, i els descendents presenten el mateix fenotip i genotip.

• 2a Llei: Segregació dels Caràcters

  Mendel agafava plantes de la primera generació i les pol·linitzava entre si. Va obtenir una proporció 3:1.

• 3a Llei: Retroencreuament

  Permet determinar si un individu que té el fenotip d'un gen dominant és homozigot o heterozigot.

• 4a Llei: Independència dels Caràcters

  Per exemple, el gen A determina el color i el gen B la textura. Cada característica va en un parell de cromosomes homòlegs. Els factors hereditaris són antagònics i no desapareixen, sinó que es mantenen independents. (Proporció 9:3:3:1)

Síntesi d'ADN in vitro i Creixement de Nous Filaments

Síntesi d'ADN in vitro: Berg va estudiar el mecanisme de com, a partir d'un filament, se'n sintetitza un de nou a sobre, i va trobar l'enzim que regula el procés: l'ADN-polimerasa.

Components Essencials per a la Síntesi

Per sintetitzar, necessitem:

• ADN-polimerasa
• Desoxiribonucleòtids-5-trifosfat de timina, adenina, citosina i guanina
• Ions magnesi
• ADN amb patró i encebador

El Mecanisme de Síntesi

L'ADN-polimerasa (present al nucli i mitocondris) es posiciona als llocs on es fixen els substrats. Aquests queden ocupats per l'ADN patró i l'encebador. Els nucleòtids s'afegeixen per l'extrem 3' i es crea un nou filament complementari i antiparal·lel.

La Forma en V i els Fragments d'Okazaki

FORMA EN V: Les forquetes de duplicació estan formades per nous filaments d'ADN sintetitzats a partir de dues cadenes antigues. La forma de mitja lluna, o bombolles de replicació, confirma la hipòtesi semiconservadora. La duplicació és bidireccional. Dilemes: No es podia fer sense encebador i els filaments de la forqueta creixien en sentit contrari, com podien ser paral·lels? La solució són els Fragments d'Okazaki.

Mecanisme de Duplicació de l'ADN

En bacteris, la replicació comença en una seqüència de nucleòtids específica de l'ADN. S'inicia per l'enzim helicasa, que trenca els ponts d'hidrogen entre els fils de la doble hèlix. Es necessiten topoisomerases (tipus I trenquen un enllaç, tipus II trenquen dos) per eliminar les tensions.

Apareixen proteïnes estabilitzadores que s'uneixen als fils complementaris, iniciant la forqueta. Com que el procés és bidireccional, dues forquetes formen una bombolla.

L'ADN-polimerasa no pot actuar sense encebador; per això, es necessita la primasa (un enzim ARN-polimerasa) que sintetitza un curt fragment d'ARN. Després, intervé l'ADN-polimerasa i sintetitza en direcció 5'->3'. Els nucleòtids perden grups fosfat, proporcionant energia per al procés. El nou filament no pararà de créixer (és continu) perquè l'helicasa no s'atura. Sobre l'altre fil, l'ARN-polimerasa sintetitza i l'ADN-polimerasa el substitueix. Finalment, l'ADN-lligasa realitza la unió.

Expressió del Missatge Genètic: Transcripció

És el pas d'ADN a ARN. Hi intervenen:

• ADN
• Ribonucleòtids trifosfat d'Adenina, Citosina, Guanina i Uracil
• ARN-polimerasa
• Cofactors sigma

Fases de la Transcripció

• Iniciació de la Transcripció

  L'ARN-polimerasa s'associa amb el cofactor sigma per reconèixer i associar-se a una regió concreta de l'ADN anomenada promotor, on es troben seqüències conservades (TTGAGA i TATAAT) que estan a diferents distàncies. L'ARN-polimerasa passa d'un estat tancat a obert, permetent la polimerització de l'ARN i la separació del cofactor sigma.

• Elongació de la Cadena d'ARN

  Es va sintetitzant ARN a raó d'uns 40 nucleòtids per segon, i l'ARN-polimerasa va recorrent l'ADN patró cap a l'extrem 5'. Exemple: ADN (3' TACGCT 5') → ARN (5' AUGCGA 3').

• Finalització de la Transcripció

  Hi ha dues variants: 1. Necessiten un cofactor. 2. Altres no el necessiten. Es produeix quan s'arriba a un segment ric en Citosina i Guanina. Això possibilita l'autocomplementarietat de la cua de l'ARN. Es forma un bucle, l'ARN-polimerasa se separa de l'ADN, que es tanca i torna a formar la doble hèlix.

Traducció de les Proteïnes: Del Gen a la Funció

Etapes Clau de la Traducció

• 1. Activació dels Aminoàcids (AA)

  En presència d'aminoacil-ARNt sintetasa i ATP, els aminoàcids tenen la capacitat d'associar-se i donar lloc a aminoacil-ARNt, alliberant AMP i PPi. L'unió de l'aminoàcid amb l'ARNt específic es duu a terme entre el seu grup carboxil i el grup amino del següent.

• 2. Iniciació de la Síntesi Proteica

  L'ARNm s'uneix a la subunitat més petita dels ribosomes mitjançant una seqüència anomenada regió líder. Es forma el complex ribosomal, que té dos centres:

  • Centre Peptidil (P): On se situa el primer aminoacil.
  • Centre Acceptor (A): Rep els nous aminoàcids.

  Hi ha consum de GTP. El primer triplet és AUG (en bacteris).

• 3. Elongació de la Cadena Polipeptídica

  Al Centre A arriba el segon aminoacil. El radical carboxil de l'aminoàcid iniciador s'uneix amb el grup amino del següent mitjançant un enllaç peptídic. El Centre P queda ocupat per l'ARNt sense aminoàcid, que surt del ribosoma. Es produeix la translocació ribosomal.

• 4. Finalització de la Traducció

  Tres codons de stop indiquen el final de la síntesi. Són reconeguts per factors proteics que necessiten GTP. Aquests factors s'instal·len al Centre A i provoquen l'activitat peptidiltransferasa. Finalment, l'ARNm i els substrats ribosomals se separen.

• 5. Plegament i Associació de Proteïnes

  La cadena polipeptídica va adaptant la seva estructura. Algunes proteïnes són actives immediatament, mentre que altres han de patir modificacions post-traduccionals.