L’expressió gènica és el procés mitjançant el qual la informació continguda en els gens d'una seqüència d'ADN es transcriu en RNA i, posteriorment, es tradueix en proteïnes funcionals, proporcionant una visió detallada del comportament molecular dels gens en diferents condicions i contextos biològics.
Introducció
L’expressió gènica és el procés mitjançant el qual la informació continguda en els gens d'una seqüència d'ADN es transcriu en RNA i, posteriorment, es tradueix en proteïnes funcionals, proporcionant una visió detallada del comportament molecular dels gens en diferents condicions i contextos biològics.
Una molècula d'ADN no és només una llarga cadena de nucleòtids. En realitat, es divideix en unitats funcionals anomenades gens.
Cada gen proporciona les instruccions per formar un producte funcional, és a dir, una molècula necessària per exercir un treball a la cèl·lula. En molts casos, el producte funcional és una proteïna.
Per exemple, a l'experiment de Mendel, el gen del color de les flors té les instruccions per fer una proteïna que ajuda a produir molècules acolorides (pigments) als pètals de les flors.
En aquest esquema, veiem com el gen del color de les flors que va estudiar Mendel es compon d´una tira d´ADN que es troba en un cromosoma.
L´ADN del gen especifica la producció d´una proteïna que ajuda a formar pigments. Quan la proteïna és present i és funcional, es produeixen pigments i les flors de la planta tenen un color lila.
El producte funcional de la majoria dels gens són proteïnes, o per ser més exactes, polipèptids.
El terme polipèptid només és una paraula per designar una cadena d'aminoàcids. Tot i que moltes proteïnes es conformen d'un sol polipèptid, algunes estan fetes de diversos polipèptids. Els gens que especifiquen polipèptids es coneixen com a gens codificants de proteïnes.
No tots els gens codifiquen proteïnes. Per contra, alguns proporcionen instruccions per produir molècules d'ARN funcionals, com els ARN de transferència i els ARN ribosomals que exerceixen papers en la traducció.
Com pot una seqüència d'ADN d'un gen determinar quina proteïna es forma?
Molts gens proporcionen instruccions per produir polipèptids. Com dirigeix exactament l'ADN la construcció d'un polipèptid?
Aquest procés consta de dos passos: transcripció i traducció.
-
A la
transcripció, la seqüència d'ADN d'un gen es copia per obtenir una molècula d'ARN. Aquest procés és anomenat transcripció perquè implica tornar a escriure, o transcriure, la seqüència d'ADN en un "alfabet" d'ARN similar. En eucariotes, la molècula d'ARN ha de sotmetre's a un processament per convertir-se en unARN missatger (ARNm) madur. -
A la
traducció, la seqüència d'ARNm es descodifica per especificar la seqüència d'aminoàcids d'un polipèptid. El nom traducció reflecteix que la seqüència de nucleòtids de l'ARNm s'ha de traduir a l'idioma, completament diferent, dels aminoàcids.
Per exemple, suposem que les dues cadenes de ADN tienen las següents seqüències:
5'-ATGATCTCGTAA-3'
3'-TACTAGAGCATT-5'La transcripció d'una de les cadenes d'ADN produeix un ARNm amb una seqüència gairebé idèntica a l'altra cadena d'ADN. A causa de les diferències bioquímiques entre l'ADN i l'ARN, les T de l'ADN es reemplacen amb U a l'ARNm.
La seqüència d'ARNm és:
5'-AUGAUCUCGUAA-5'Un cop completada la transcripció, la traducció implica llegir els nucleòtids de l'ARNm en grups de tres, cadascun dels quals especifica un aminoàcid (o proporciona un senyal de terminació que indica que ha finalitzat la traducció).
3'-AUG AUC UCG UAA-5'- AUG →metionina
- AUC →isoleucina
- UCG →serina
- UAA →"stop"
Per tant, la seqüència del polipèptid és:
(extremo-N) metionina-isoleucina-serina (extremo-C)Por lo tanto, durante la expresión de un gen codificante de proteína, la información fluye unidireccionalmente de
ADN → ARN → proteïna.
Aquest fluxe d'informació es coneix com el dogma central de la biologia mol·lecular.
Els gens no codificants (gens que produeixen ARN funcionals) també es transcriuen per produir ARN, però aquest ARN no es tradueix en un polipèptid.
Per a qualsevol tipus de gen, el procés de passar d'ADN a producte funcional es coneix com a expressió gènica.
Transcripció
En la transcripció, una cadena d'ADN del gen, anomenada cadena motlle, serveix de plantilla perquè una enzim (una molècula que accelera reaccions químiques dins dels éssers vius), l'ARN polimerasa, sintetitzi una cadena d'ARN complementària, anomenada transcrit primari.
Les dues cadenes d'ADN tenen les següents seqüències:
- 5'-ATGATCTCGTAA-3' (cadena codificant)
- 3'-TACTAGAGCATT-5' (cadena motlle)
Durant el procés, l'ADN s'obre formant una bombolla, i la cadena inferior (motlle) dirigeix la síntesi de l'ARN. El transcrit primari és complementari a la cadena motlle, però gairebé idèntic a la cadena codificant. L'única diferència és que en l'ARN les T (timines) es substitueixen per U (uracils).
Seqüència de l'ARNm resultant:
5'-AUGAUCUCGUAA-5'
Així doncs, el transcrit primari conserva la informació de la cadena codificant, però amb uracils (U) en lloc de timines (T). Aquesta substitució és una diferència bioquímica clau entre l'ADN i l'ARN.
Transcripció i ARNm en bacteris i eucariotes
En bacteris, el transcrit primari pot funcionar directament com a ARN missatger (ARNm). El seu nom prové del fet que actua com a missatger entre l'ADN i els ribosomes. Els ribosomes són estructures compostes per ARN i proteïnes situades al citosol, on es formen les proteïnes.
En eucariotes (com els humans i les plantes), el transcrit primari ha de passar per passos addicionals per convertir-se en un ARNm madur. Durant aquest processament, s'afegeixen casquets als dos extrems de l'ARN i es retiren algunes parts mitjançant un procés conegut com a empalmament. Aquests passos no tenen lloc en els bacteris.
Cèl·lula eucariota
- La transcripció ocorre al nucli, on es troba l'ADN.
- El transcrit primari és processat dins el nucli per convertir-se en ARNm madur.
- L'ARNm és exportat al citosol, on es combina amb un ribosoma per dirigir la síntesi de polipèptids en el procés de traducció.
Bacteri
- La transcripció ocorre al citosol.
- L'ARNm no necessita ser transportat i pot ser traduït immediatament.
- De fet, els ribosomes poden començar a traduir l'ARNm mentre encara s'està transcrivint.
Diferència principal en la ubicació
En eucariotes, la transcripció té lloc al nucli, mentre que la síntesi de proteïnes (traducció) ocorre al citosol. Per això, l'ARNm ha de sortir del nucli abans de ser traduït en un polipèptid. En canvi, els bacteris, que no tenen nucli, duen a terme la transcripció i la traducció simultàniament al citosol.
Traducció
Després de la transcripció (i d'alguns passos de processament en eucariotes), la molècula d'ARNm està a punt per dirigir la síntesi de proteïnes. El procés de fer servir informació d'un ARNm per produir un polipèptid s'anomena traducció.
El codi genètic
Durant la traducció, la seqüència de nucleòtids d'un ARNm es tradueix en la seqüència d'aminoàcids d'un polipèptid.
L’ADN fa servir una codificació de base 4 (A,T,C,G). Per tant, un codó pot tenir 43 valors possibles, que equivalen a 64 codons.
Específicament, els nucleòtids de l'ARNm es llegeixen en triplets (grups de tres) anomenats codons:
- Hi ha 61 codons que especifiquen aminoàcids.
- Un d'aquests codons és un codó d'inici que assenyala on comença la traducció. El codó d'inici codifica per a l'aminoàcid metionina, per la qual cosa la majoria dels polipèptids comencen amb aquest aminoàcid.
- Tres codons més de "terminació" indiquen el final d'un polipèptid.
Aquestes relacions s'anomenen codi genètic.
Passos de la traducció
La traducció ocorre dins d'estructures conegudes com a ribosomes. Els ribosomes són màquines moleculars la funció de les quals és construir polipèptids. Quan un ribosoma es munta sobre un ARNm i troba el codó d'inici, es desplaçarà ràpidament per l'ARNm un codó alhora.
En avançar, construirà a poc a poc una cadena d'aminoàcids que reflecteix exactament la seqüència de codons a l'ARNm.
Com "sap" el ribosoma quin aminoàcid inserir per a cada codó? Doncs resulta que aquesta correspondència no la fa el ribosoma per ell mateix; depèn d'un grup de molècules d'ARN especialitzades anomenades ARN de transferència (ARNt).
Cada ARNt té tres nucleòtids que sobresurten en un extrem i poden reconèixer (complementar les bases amb) un o uns quants codons en particular. A l'altre extrem, l'ARNt transporta un aminoàcid: específicament, l'aminoàcid que correspon amb aquests codons.
TODO: Pàgines 5 i 6 amplien informació:
Biopython
L’objecte Seq permet traduir una seq d’ARNm a la seqüència de proteïnes corresponent, aprofitant de nou un dels mètodes biològics de l'objecte Seq:
from Bio.Seq import Seq
def test():
rna = Seq("AUGGCCAUUGUAAUGGGCCGCUGAAAGGGUGCCCGAUAG")
assert Seq("MAIVMGR*KGAR*") == rna.translate()Activitat
TODO
TODO
Punt: àg 3.