ASPECTOS GENÉTICOS DE LOS ÁCIDOS NUCLEICOS

Las biomoléculas y el proceso de vida

• Cuales son los componentes celulares?

• Que es el DNA? Para que sirve? • Que es el RNA? Para que sirve?• Que son las proteínas? Para que sirven?

• Como se sintetizan los componentes celulares que no son DNA, RNA o proteínas?

Dogma central de la Biología Molecular

1. Replicación

2. Transcripción

3. Traducción

1 2 3

Expresión de genes

Ácidos Nucleicos

Expresión de genes involucra varios pasos

Estructura del DNA

Rosalind Franklin y la difracciónDe rayos X

Watson y Crick

Genética Unidad 5 8Química y replicación

Estructura del DNA

Genética Unidad 5 10Química y replicación

Una base nitrogenada. Una pentosa Un fosfato

Nucleótidos

Nucleosidos Una base nitrogenada Una pentosa

Base

Azúcar

Fosfato

Nucleotidos y Ácidos Nucleícos

Nucleótidos y Ácidos Nucleicos

Un segmento de una molécula de DNA que contiene la información requerida para la síntesis de un

producto biológico funcional, como una proteína o RNA

Gen

Nucleótidos y Ácidos Nucleicos

Estructuras compuestas de un complejo de DNA (material genético) RNA y proteínas.

Cromosomas

Pasos comunes en la síntesis de DNA, RNA y proteínas

• DNA • RNA• Proteínas

• Replicación o duplicación• Transcripción• Traducción

1.Iniciación2.Elongación o extensión 3.Terminación

Donde se sintetizan cada una deestas moléculas?

• DNA de doble cadena

• Complejo enzimático– Iniciación:

• Origen de replicación• Separación de cadenas

– Elongación:• Replisoma

– Terminación• Separación de cadenas

duplicadas

Duplicación del DNA

Las DNA polimerasas sintetizan DNA

• Síntesis (semiconservativa) y reparación

• Varias DNA pol en procariotes y eucariotes

• DNA pol bacteriana, – Síntesis– Reparación

• Mt y Ct

La síntesis enzimática es direccional

• Direccion 5’ -3’• Requiere de un

primer• Requiere el 3’-OH

de la ribosa libre• dNTP o NTP son

precursores• Enzima polimerasa• Mg+2 o Mn+2 como

cofactor• Procesividad y

fidelidad

Transcripción

“Proceso por el cual un sistema enzimático convierte la información genética de un

segmento de DNA en una hebra de RNA con una secuencia de bases complementaria a

una de las de DNA”

Transcripción

1. RNA mensajero (mRNA): codifica la secuencia de aminoácidos de uno o mas polipéptidos y es especificado por uno o varios genes.

2. RNA de Transferencia (tRNA): reconoce la información del mRNA y transfiere los aminoácidos correctos a una cadena polipéptida en formación durante la síntesis de proteína.

3. RNA Ribosomal (rRNA): son constituyentes de los ribosomas y participan en la síntesis de proteínas.

Tipos de RNA

RNA Polimerasa

Traducción

• Traducción, proceso por el cual se sintetizan las proteínas a partir de la secuencia nucleótida del mRNA

• Ribosomas, lugar de síntesis de proteínas.

• Aminoacil-tRNA sintetasas.

Traducción

Hipótesis del Adaptador de Crick´s

CodónTriplete de nucleótidos que codifica para un

aminoácido específico

Traducción

“Diccionario” de Palabras Codigo de Aminoácidos en mRNAs

Estructura General de un tRNA

Etapa I Activación de Aminoácidos

Traducción

ADN (DNA) material genético

• Almacén de información genética• Composición distintiva para cada organismo• Estructura:

– Doble– Antiparalela– complementaria

• Formas estructurales– A– B– Z

Ácidos nucleicos: Almacén de información genética

• 1868 Federico Miescher– Realizó el primer experimento sistemático usando núcleos

de células– Aisló una sustancia rica en fósforo (nucleína) de leucocitos,

poco después en otras células– Una fracción ácida y otra básica– Purificó parcialmente los ácidos nucleicos– Estudió sus propiedades y estructura covalente– Generó la sospecha de que la nucleína estaba asociada a la

herencia de la célula

• 1868 Federico Miescher– Realizó el primer experimento sistemático usando núcleos

de células– Aisló una sustancia rica en fósforo (nucleína) de leucocitos,

poco después en otras células– Una fracción ácida y otra básica– Purificó parcialmente los ácidos nucleicos– Estudió sus propiedades y estructura covalente– Generó la sospecha de que la nucleína estaba asociada a la

herencia de la célula

• 1944 Oswald T. Avery, Colin Mcleod y M. McCarty:

– Encontraron que el DNA extraído de una cepa virulenta de S. pneumoniae transformó genéticamente a otra cepa no virulenta

– El ácido nucléico de la cepa virulenta contenía el mensaje genético para la virulencia

– No tuvo buena aceptación científica pues también podría ser por las nucleoproteínas?

• 1952, Alfred Hershey y Marhta Chase– Usaron 32P y 35S para demostrar

la función del DNA de un bacteriófago

– Demostraron que era el DNA (P) y no la proteína (S) el componente que contiene la información genética

Composición distintiva para cada organismo

• 1940 E. Chargaff y sus colaboradores– Encontraron que el DNA está constituido por 4 bases

• Reglas de Chargaff– La relación entre estas bases es distinta para cada

organismo– La composición del ADN varia de una especie a otra– Distintos tejidos ( de una misma especie) tienen una

misma composición de bases

Reglas de Chargaff (continuación)

– La composición del ADN ( en una especie determinada) no cambia con la edad, estado nutricional ó el medio ambiente

– En todos los ADN, independiente de la especie:

A T G C

A + G T + C

A T G C

A + G T + C

Estas reglas fueron la clave para el establecimiento de la estructura tridimensionalEstas reglas fueron la clave para el establecimiento de la estructura tridimensional

• A principios de 1950’s– El patrón de difracción de

Rayos X demuestra que el DNA es una hélice

– Dos periodicidades sobre el eje: una de 3.4 Å y otra de 34 Å

– El problema es establecer el modelo 3D!

Formulación de un modelo tridimensional por Watson y Crick

• Dos hélices alrededor de un mismo eje

• Cadena doblada en sentido derecho, la espina dorsal de desoxiribosas (hidrofílicas) y las cargas negativas de los fosfatos hacia fuera de la hélice doble

• Las bases nitrogenadas acomodadas en el centro de la doble hélice, con sus anillos planos colocados muy cerca uno de otro (hidrofóbicos)

• Apareamiento entre A=T y G≡C cumplía con las reglas de Chargaff

• La relación espacial entre cadenas genera dos muescas– Mayor– Menor– Soportadas por puentes de hidrógeno y fuerzas hidrofóbicas

• Dos hélices alrededor de un mismo eje

• Cadena doblada en sentido derecho, la espina dorsal de desoxiribosas (hidrofílicas) y las cargas negativas de los fosfatos hacia fuera de la hélice doble

• Las bases nitrogenadas acomodadas en el centro de la doble hélice, con sus anillos planos colocados muy cerca uno de otro (hidrofóbicos)

• Apareamiento entre A=T y G≡C cumplía con las reglas de Chargaff

• La relación espacial entre cadenas genera dos muescas– Mayor– Menor– Soportadas por puentes de hidrógeno y fuerzas hidrofóbicas

Formulación de un modelo tridimensional por Watson y Crick (continuación)

• Las cadenas son paralelas o antiparalelas? Antiparalela era el modelo más convincente!– 5´→ 3’– 3´← 5’

• Las cadenas son complementarias dentro de la doble hélice• Para ajustar a las periodicidades manipularon su modelo,

repeticiones por cada vuelta:– Cada 0.34 nm (entre cada par de bases)– Cada 3.6 nm (10.5 nucleotidos)– Solo se podía cumplir si las cadenas eran complementarias

• Las cadenas son paralelas o antiparalelas? Antiparalela era el modelo más convincente!– 5´→ 3’– 3´← 5’

• Las cadenas son complementarias dentro de la doble hélice• Para ajustar a las periodicidades manipularon su modelo,

repeticiones por cada vuelta:– Cada 0.34 nm (entre cada par de bases)– Cada 3.6 nm (10.5 nucleotidos)– Solo se podía cumplir si las cadenas eran complementarias

Triple o cuádruple

hélice

Replicación y síntesis de ácidos nucleicos

• Mecánismo de duplicación determinado por la especificidad en el apareamiento de las bases nucleotidicas

A T ó T A G C ó C G• Secuencia de bases en cada cadena hija duplicada es

complementaria a la secuencia de bases de la cadena parental

• Los monomeros de nucleotidos son unidos uno a uno al final de la cadena en crecimiento en dirección 5’ → 3’ por enzimas llamadas polimerasas

Experimento de Meselson y Stahl (1957)

Modelos encontrados

1. Replicación conservativa durante la cual se produciría un ADN 1. Replicación conservativa durante la cual se produciría un ADN completamente nuevo durante la replicación.completamente nuevo durante la replicación.

2. Replicación semiconservativa.2. Replicación semiconservativa.Se originan dos moléculas de ADN:Se originan dos moléculas de ADN:

Una compuesta de una hebra de ADN original y de Una compuesta de una hebra de ADN original y de una hebra complementaria nueva. una hebra complementaria nueva.

Las hebras existentes sirven de molde complementario a las nuevas.

3. Replicación dispersiva implicaría la ruptura de las hebras de origen durante la replicación que, de alguna manera se reordenarían en una molécula con una mezcla de fragmentos nuevos y viejos en cada hebra de ADN.

Proteínas de replicación de DNA (en E. coli)

Proteína FunciónDNA pol III Sintetiza DNA

DNA pol I Degrada iniciador y edita ó cubre los espacios “Kornberg”

DNA B Desenrrollar el DNA (empieza)

Primasa Síntesis de RNA iniciador

Tropoisomerasa Desenrrolla en sentido contrario las cadenas

Helicasa Elimina la torción de moléculas

continuación

Proteína FunciónPrimosoma Complejo enzimático que sintetiza

el RNA iniciadorProteína rep Desenrrolla la doble hélice

SSB Estabiliza DNA de cadena sencilla

DNA girasa Introduce estructura terciaria en sentido negativo

DNA ligasa Liga los extremos del DNA

DNA polimerasa de E. coliCaracterísticas Polimerasa I Polimerasa II Polimerasa III

Gene estructural Pol A Pol B Pol C

Mr. (Da) 109,900 120,000 900,000

No. de moléculas/célula 400 100 10

V max (nucleotidos/ seg) 16/120 2-5 250-1000Exonucleasa 3’ + + +a

Exonucleasa 5’ + - +Fenotipo mutante b UVsMMSs Ninguno DNA ts

a: Actividad en la subunidad de haloenzima pol IIIb: UVsMMSs sensible a la luz UV, sensible a metanosulfatoDNA ts: sensible a temperatura en replicación de DNA

DNA polimerasa de eucariotes

• 4 polimerasas diferentes , , , • Diferencias entre organismos:

– Localización intracelular– Propiedades cinéticas– Respuestas a inhibidores

Propiedades de las DNA polimerasas de eucariotes

Compartimento celular Núcleo Núcleo MitocondriaAcción biológica Replicación del

DNA nuclearReparación del DNA

Replicación del DNA mitocondrial

No. de subunidades 4-8 1 4 idénticasMr. Subunidad cat (KDa) 120-180 30-50 50

Procesividad Moderada Baja Alta

Exonucleasa asociada No a No No

Sensibilidad a: calor Baja Alta Alta

Agentes sulfihídrilos Alta Baja Alta

2’-3’ ddNTPs Baja Alta Baja

Arabinosil-CTP Alta Baja Alta

Afidicolina Si No No

Parámetros cuantitativos de la duplicación del DNA en diferentes células

• La replicación ocurre con una alta fidelidad y en momentos específicos del ciclo celular– División celular

• La fidelidad en el copiado (síntesis) se debe a las actividades enzimáticas de las polimerasas (encargadas de la polimerización y edición de la síntesis)

• La detección y remoción de errores en las cadenas es realizada por las mismas polimerasas (actividad de exonucleasa y edición) y por sistemas específicos de reparación

• La replicación es semiconservadora, cada cadena sirve de molde (templete) para una nueva cadena

• La replicación ocurre con una alta fidelidad y en momentos específicos del ciclo celular– División celular

• La fidelidad en el copiado (síntesis) se debe a las actividades enzimáticas de las polimerasas (encargadas de la polimerización y edición de la síntesis)

• La detección y remoción de errores en las cadenas es realizada por las mismas polimerasas (actividad de exonucleasa y edición) y por sistemas específicos de reparación

• La replicación es semiconservadora, cada cadena sirve de molde (templete) para una nueva cadena

• La reacción de síntesis es semiconservadora, cada cadena sirve de molde (templete) para una nueva cadena

• La reacción de síntesis se inicia en un lugar especifico sitio de origen– Único en procariotes– Múltiples en eucariotes

• La dirección de la replicación siempre es en sentido 5’ → 3’

• La reacción de síntesis es semiconservadora, cada cadena sirve de molde (templete) para una nueva cadena

• La reacción de síntesis se inicia en un lugar especifico sitio de origen– Único en procariotes– Múltiples en eucariotes

• La dirección de la replicación siempre es en sentido 5’ → 3’

Requisitos para la síntesis de ADN

1. Origen de la replicación o sitio de inicio 1 en baterias 10,000-100,000 en eucariotes

2. Separación de cadenas. Servirán de molde. Semiconservadora

3. Formación de la orquilla de replicación4. Síntesis en dirección 5’ → 3’ antiparalela simunltaea5. Velocidad

850-1000 pb / horquilla en procariotes 200 pb / horquilla en eucariotes

1. Origen de la replicación o sitio de inicio 1 en baterias 10,000-100,000 en eucariotes

2. Separación de cadenas. Servirán de molde. Semiconservadora

3. Formación de la orquilla de replicación4. Síntesis en dirección 5’ → 3’ antiparalela simunltaea5. Velocidad

850-1000 pb / horquilla en procariotes 200 pb / horquilla en eucariotes

continuación

6. Continua en una cadena y discontinua en otra7. Iniciador de ARN8. Aproximadamente 20 proteínas (enzimas entre otras)9. Los cuatro nucleótidos 10. Reacción general: (dNMP)n + dNTP …… Mg + + → (dNMP) n +1 + Ppi cadena de ADN cadena alargada11. Sitios de terminación

6. Continua en una cadena y discontinua en otra7. Iniciador de ARN8. Aproximadamente 20 proteínas (enzimas entre otras)9. Los cuatro nucleótidos 10. Reacción general: (dNMP)n + dNTP …… Mg + + → (dNMP) n +1 + Ppi cadena de ADN cadena alargada11. Sitios de terminación

Fidelidad de la duplicación del DNA

• Error total: uno por cada 109 a 1010

• Error normal durante la polimerización 1 nt/104-105

• Actividad de exonucleasa 3’ → 5’. Eliminación del nucleótido incorrecto inmediatamente después de la síntesis. Aumenta la exactitud 102 a 103

• Edición y reparación

• Error total: uno por cada 109 a 1010

• Error normal durante la polimerización 1 nt/104-105

• Actividad de exonucleasa 3’ → 5’. Eliminación del nucleótido incorrecto inmediatamente después de la síntesis. Aumenta la exactitud 102 a 103

• Edición y reparación

Transformación genética

• La transferencia de genes hasta el momento se subdivide en varias categorías:

a) Transferencia de ADN mediante bacterias y virusb)Fusión celular somática y sexualc) Transferencia de genes y células mediante

microcélulas y microcápsulasd)Transplante de tejidose)Células embrionariasf) Terapia génica

Transformación bacteriana

Transferencia de ADN mediante bacterias y virus

• Agrobacterium tumefaciens ocasiona la enfermedad “agalla de la corola” en diversas plantas.

• La bacteria infecta a la planta y transfiere su ADN a la planta, este se integra en el genoma causando tumores y cambios metabólicos

• El plásmido Ti se utiliza como vector para el entrecruzamiento en plantas o la introducción de genes novedosos

• Gracias a Agrobacterium se ha logrado obtener diversos cultivos transgénicos que resisten a los insectos principalmente

Tomate, algodón, papa, frijol de soya y canola (1994-1997)

Fusión celular

Células embrionarias• Son un tipo especial de células indiferenciadas

que tienen la capacidad de dividirse indefinidamente sin perder sus propiedades y llegar a producir células especializadas

• Las posibles aplicaciones del estudio de las células madre es impresionante!

• Actualmente, falta muchas preguntas por responder:

Qué mecanismos existen para que una célula madre se especialice?

Qué mecanismo sería necesario para que una célula somática se vuelva pluripotente?