Biosíntesis de proteïnes: Transcripció i traducció

El DNA és el llibre d'instruccions de la cèl·lula. Però, com tots els llibres, necessita ser interpretat per a que les cèl·lules puguin executar les seves funcions. La forma en que el DNA transmet la seva informació és a través de les proteïnes.
Cada proteïna executa una funció determinada en el nostre cos: regulen reaccions químiques, executen funcions estructurals, funcions de reservori de substàncies, transport de substàncies, funcions hormonals, funcions defensives, funcions reguladores i controlen el moviment. És a dir, les proteïnes s'encarreguen de fer funcionar el cos. Existeixen centenars de tipus de proteïnes, cadascuna específica per a una espècie concreta i totes es troben codificades en el DNA mitjançant els gens, ja que cada gen determina la seqüència d'aminoàcids d'una proteïna concreta.

La transcripció i traducció són dos processos que permeten transformar la informació continguda en una seqüència de nucleòtids, és a dir, en un gen, a una proteïna concreta.
Però com funcionen aquests processos?
La transcripció és un procés molt similar a la replicació, amb la salvetat, que en lloc de formar dos filaments de DNA el que es produeix és un filament de RNA anomenat RNA missatger:

El procés comença quan una ARN polimerasa obre una bombolla de transcripció desempaquetant un fragment de DNA de manera que els nucleòtids poden copiar la seqüència de DNA en un filament de RNA missatger. Aquest RNAm tindrà uracil en lloc de timina i caldrà que sigui processat eliminant tots aquells nucleòtids sense informació genètica, abans que surti del nucli cel·lular cap al citoplasma.
El DNA conté grans quantitats de fragments, seqüències de nucleòtids, que no determinen cap proteïna i que en el procés de transcripció és copiaran a l'RNAm. No se sap quina és la seva funció però el que sí es fa necessari és eliminar-los de l'RNAm abans que aquest surti al citoplasma.

Un cop al citoplasma s'unirà als ribosomes on servirà de motlle al RNA de transferència que s'encarrega de captar aminoàcids i portar-los al ribosoma.
Existeixen 20 aminoàcids presents a totes les cèl·lules vives del nostre planeta. Cada aminoàcid està associat a una seqüència concreta de tres nucleòtids o codó: és el que anomenem codi genètic.
Es considera que el codi genètic és universal per a totes les espècies del planeta, tot hi que hi ha excepcions. Què vol dir això? Doncs que totes les espècies del planeta tradueixen la informació continguda en l'RNA de la mateixa manera.
El codi genètic el que fa és associar un triplet de nucleòtids de RNA a un aminoàcid concret. Si us fixeu, molts triplets diferents estan associats al mateix aminoàcid. Això és degut a que a la Terra sols existeixen 20 aminoàcids tot i que podria arribar a codificar fins a 64 en el cas que existiren més aminoàcids diferents. D'altra banda, si el codi genètic en lloc d'associar triplets de nucleòtids el que fes fos associar parells de nucleòtids només en podríem codificar 16 aminoàcids, insuficients per als que existeixen a la natura.

Cada RNA de transferència està codificat per agafar només un tipus d'aminoàcid concret. Aquest RNAt s'uneix a l'RNAm gràcies a que una part de la molècula, anomenada anticodó, correspon a la seqüència complementaria del que s'anomena codó: triplet de nucleòtids relatiu al codi genètic.
És a dir, el RNAt és com una clau que porta un aminoàcid adherid i que identifica en quina part del RNAm es pot acoplar deixant anar els aminoàcids en l'ordre que determina el RNAm.
Per tant, el ribosoma el que fa és llegir la seqüència de RNAm permetent que es vagin acoplant els RNA de transferència diferents per tal d'anar construint una seqüència d'aminoàcids que acabarà convertint-se en una proteïna.

En aquest vídeo podem veure com es realitza la transcripció i després la traducció a proteïnes:

L'àcid desoxiribonuclèic: DNA

El DNA o àcid desoxiribonucleic és l'àcid nucleic que constitueix el material genètic de gairebé totes les formes de vida de la Terra. Sols en alguns virus el seu material genètic està constituït per RNA.
Normalment està constituït per dos cadenes de nucleòtids enrotllades entre sí formant una doble hèlix. Aquestes s'uneixen entre sí mitjançant una sèrie de ponts d'hidrogen que uneixen les bases nitrogenades de cada cadena de manera que una base pirimidínica s'uneix a una base purínica seguint sempre la mateixa pauta: Citosina- Guanina i Adenina-Timina. Les bases que formen cada cadena es diu que són bases complementàries. La seqüència de bases d'una cadena determina la seqüència de l'altre cadena, per tant les dues cadenes són també complementàries. Una altre cosa a tenir en compte és que entre l'Adenina i la Timina s'estableixen dos ponts d'hidrogen mentre que entre la Citosina i la Guanina s'estableixen tres.

Les dues cadenes tenen una disposició antiparal·lela ja que mentre que una està orientada de 3' a 5' l'altre es disposa al revés 5'-3'.
El DNA és una molècula molt gran, amb pes molecular elevat. Concretament en l'home és de 3.6·10¹² daltons i a més conté 5.6·10⁹ parells de nucleòtids. En les cèl·lules ecuariotes, es troba principalment en el nucli, encara que també el podem trobar en els mitocondris i els cloroplast. D'altra banda, el DNA nuclear està associat a unes proteïnes, algunes històniques i altres no històniques. A aquesta associació se li anomena fibra de cromatina.
Respecte al DNA mitocondrial i dels cloroplast, se sap que és molt similar al de les cèl·lules procariotes, fet que recolza la teoria que aquests originàriament eren bacteris simbionts de les cèl·lules eucariotes que van ser inclosos.
Respecte als nivells estructurals del DNA, val a dir que per encabir una molècula tan gran en el nucli cel·lular cal que aquest estigui molt ben empaquetada. En aquest sentit n'identifiquem tres nivells estructurals i els superempaquetaments que permeten formar els cromosomes.

Estructura primària
L'estructura primària del DNA és la seqüència de nucleòtids d'una sola cadena. Aquesta seqüència que a diferència de les proteïnes no es repeteix, és limitada i característica de cada espècie.
Tot i que només hi ha quatre tipus de nucleòtids diferents, les possibilitats són gairebé il·limitades. Per exemple en els humans, amb el número de nucleòtids fixat es poden aconseguir 45.600 millions de DNA diferents. Aquesta seqüència és l'anomenat missatge biològic o informació genètica.

Estructura secundària
L'estructura secundària del DNA és la disposició en doble hèlix de les dues cadenes complementàries. L'enrotllament és dextrogir, per tant gira en el sentit de les agulles del rellotge. Les bases estan dirigides cap a l'interior de la doble hèlix, i les pentoses i els fosfats a la part externa de manera que els plans de les bases es situen enfrontades i paral·leles entre sí i perpendiculars a l'eix de l'hèlix. El fet de posseir els grups fosfats a l'exterior de la doble hèlix fa el DNA soluble en aigua. D'altra banda el diàmetre de l'hèlix és de 2nm (20 A) mentre que la longitud de cada volta és de 3,4nm (34 A). Així mateix posseeix deu parells de nucleòtids per volta de manera que les bases disten entre sí 0,34nm (3,4 A).
Aquesta estructura es desnaturalitza a altes temperatures, el que significa que les dues cadenes se separen. Així mateix, si mantenim una temperatura de 65º a una doble hèlix desnaturalitzada aquesta tornaria a unir-se, és a dir, es renaturalitzària. Aquesta propietat és la que s'utilitza en les tècniques de replicació de DNA i per saber el grau de parentiu entre individus.

Estructura terciària
Aquesta estructura està constituïda per plegaments de l'estructura en doble hèlix, de manera que es retorça en una superhèlix. Això permet que aquestes molècules tan llargues puguin entrar dintre del nucli de les cèl·lules. Pensem per exemple en el DNA dels humans, que si estigués completament desempaquetat mesuraria més de dos metres de llarg i tot ell cap en un nucli que mesura tan sols 0,005 mm de diàmetre.
Aquesta estructura pot ser circular, en el cas que estigui unida sobre sí mateixa o lineal, en el cas que la cadena sigui oberta. En funció del tipus d'ésser viu tindrem un tipus de DNA o un altre:

• Els parvovirus presenten una cadena de DNA monocatenària (una sola cadena) lineal,
• Alguns virus presenten una cadena de DNA monocatenària circular,
• Els bacteris, mitocondris i cloroplast tenen una cadena de DNA bicatenària (doble cadena) circular, i
• La resta de cèl·lules eucariotes a més del virus de l'herpes tenen una cadena de DNA bicatenària lineal.

Superempaquetaments
Tot i que s'aconsegueix un fort empaquetament amb les estructures descrites anteriorment, encara es insuficient per aconseguir encabir el DNA en el nucli. És per aquest motiu que el DNA s'empaqueta sobre unes proteïnes anomenades histones. Sense aquests nivells d'empaquetament no es podrien constituir els cromosomes:

• El primer nivell d'empaquetament constitueixen fibres de cromatina de 100 A, també anomenades de collaret de perles per la seva forma característica. Aquest empaquetament està format per nucleosomes, format per vuit proteïnes històniques diferents (octàmer) i per una fibra de DNA amb 200 parelles de bases que s'enrotlla sobre l'octàmer.

• El segon nivell d'empaquetament constitueix la fibra de cromatina de 300 A o solenoide. Es forma per l'enrotllament sobre si mateixa de la fibra de 100 A. S'inverteixen uns sis nucleosomes per volta de manera que s'aconsegueix un escurçament de cinc vegades respecte al collaret de perles.

• En el tercer nivell d'empaquetament la fibra de 300 A forma una sèrie de bucles anomenats dominis estructurals d'entre 20000 i 70000 parells de bases de longitud que queden estabilitzades gràcies a certes proteïnes. Amb aquest empaquetament s'aconsegueix reduir entre 35 i 40 vegades la longitud de la fibra de solenoide.

• Els nivells superiors d'empaquetament impliquen una reducció que en el nucli pot ser de 100 a 1000 vegades la distància original i en els cromosomes de gairebé 10000. No es coneix bé com es realitza aquests nivells d'empaquetament, es creu que poden existir una sèrie de proteïnes que actuïn com a bastida protèica.

A part de tot el que hem comentat, la longitud del DNA no sempre té relació amb la complexitat de l'organisme. Sembla ser que moltes espècies tenen molt més DNA del que estrictament necessitarien per codificar les seves funcions vitals, això ha donat lloc a moltes hipòtesis que explicarien les funcions d'aquest DNA supernumerari.