Genética Molecular 2010
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Genética Molecular 2010
Profesores: Dr. Víctor Romanowski
Dr. Daniel Grasso
Instructoras: Dra. Silvina Richard
Dra. Patricia Agostino
e-mail: [email protected]
clave: cromatina
“Dogma central de la biología molecular”
DNA
RNA
transcripción inversa
transcripción y replicación de RNA
replicación de DNA virus a DNA
retrovirus y retroelementos
virus a RNA
transcripción
traducción
proteínaplegamiento (folding), procesamiento, direccionamiento (targeting)
procesamiento de RNAsplicing, edición, modificación de nucleótidos y de extremos 5´y 3´
Víctor Romanowski
reparación recombinación
ESTRUCTURA DEL MATERIAL GENETICO
Rugosas (R): inofensivas
Lisas (S): virulentas
1928: Frederick GriffithInfección con dos cepas
de Streptococcus pneumoniae
(S)
(R)
(S) inactivada
(R) + (S) inactivada
Griffith showed that adding heat-killed virulent bacteria (harmless to mice) to a live nonvirulent strain permanently transformed the latter into lethal, virulent, encapsulated bacteria.
Las primeras evidencias
El principio de transformación observado por Griffith era el DNA de la bacteria de la cepa S (virulenta).
Si bien la bacteria había muerto, su DNA sobrevivió al proceso de alta temperatura y fue tomado por la bacteria R (inofensiva).
EL DNA de la cepa S contiene los genes que forman la cápsula de protección de polisacárido. Equipado con este gen, la cepa de bacteria R estaba ahora provista de protección frente al sistema inmune del animal y por lo tanto podía matar al animal.
La naturaleza exacta del principio de transformación de DNA fue verificada en los experimentos realizados por Avery, McLeod y McCarty, y por Hershey y Chase.
¿Como se demostró que el DNA es el responsable de la herencia?
El experimento de Avery O., McLeod C. y McCarty M. (1944) fue la primer evidencia
directa de que el DNA es la base de la información genética
Extract from heated smooth (S) bacteria
treatment with protease (digests proteins)
mix with rough (R) bacteria and injected into mice
mice died
Extract from heated smooth (S) bacteria
treatment with DNase (digests DNA)
mix with rough (R) bacteria and injected into mice
mice lived
DNA carries genetic information
ESTRUCTURA DEL MATERIAL GENETICO
ESTRUCTURA DEL MATERIAL GENETICO
Determinaron que el DNA es el material
genético en el bacteriófago T2
Alfred Hershey y Martha Chase (1952)
32P experiment 35S experiment
Cuando se realiza la hidrólisis completa de los ácidos
nucleicos, se obtienen tres tipos de componentes
principales:
•Azúcar: una pentosa.
•Ácido fosfórico
•Bases nitrogenadas:
purinas y pirimidinas
La naturaleza química de los ácidos nucleicos
ESTRUCTURA DEL MATERIAL GENETICO
A, G, T, C están presentes en el ADNA, G, U, C están presentes en el ARN
Bases nitrogenadas: púricas y pirimidínicas.
Cómposición química de los Ácidos nucleicos
Cómposición química de los Ácidos nucleicos
Terminología: bases/ nucleósidos/ nucleótidos
Los nucleótidos se unen entre sí para formar largas cadenas de polinucleótidos,
esta unión entre monómeros nucleótidos se realiza mediante enlaces fosfodiéster
entre los carbonos de las posiciones 3’ de un nucleótido con la 5’ del siguiente
ADN = DNA
ARN = RNA
Conformación de un nucleótido: ángulos de torsión
Grados de libertad
Restricciones estéricas
Conformaciones adoptadas por los nucleósidos de purina y pirimidina
La proporción de Adenina (A) es igual a la de Timina (T). %A = %T
La proporción de Guanina (G) es igual a la de Citosina (C). %G = %C
La composición de bases es la misma en distintos tejidos de una misma especie.
La proporción de bases púricas (A+G) es igual a la de las bases pirimidínicas (T+C).
(A+G) = (T + C) La proporción entre (A+T) y (G+C) es característica de cada organismo, pudiendo tomar por tanto, diferentes valores según la especie estudiada.
La composición de bases varía de una especie a otra.
REGLAS DE CHARGAFF (1940)
ESTRUCTURA DEL MATERIAL GENETICO
La estructura del DNA
ESTRUCTURA DEL MATERIAL GENETICO
% de bases en distintos organismos
ESTRUCTURA DEL MATERIAL GENETICO
La estructura del DNA
Patrón helicoidal del DNA. (1953)
Dos periodicidades a lo largo del eje, una primaria de 3,4 Å y una secundaria de 34 Å.
Patrón de difracción de rayos X
"The instant I saw the picture my mouth fell open and my pulse began to race." -- James D. Watson (1968), The Double Helix, page 167. New York: Atheneum, Library of Congress card number 68-16217.
Avances científicosMolecular Structure of Nucleic Acids:A Structure for Deoxyribose Nucleic Acid
James Watson & Francis CrickNature, vol 171 (4356), 737-738
25 de abril de 1953
ESTRUCTURA DEL MATERIAL GENETICO
Estructura del DNA: la doble hélice
• El esqueleto hidrofìlico de grupos fosfato y deoxiribosa alternantes está expuesto al agua del ambiente
• Las bases están apiladas en el interior de la doble hélice, con sus planos perpendiculares al eje de la doble hélice
• El apareamiento de las dos cadenas genera un surco mayor y un surco menor en la superficie de la doble hélice
G C A T
• El anillo de furanosa está en la conformación C-2´endo
• En el equilibrio ceto-enol, las formas tautoméricas predominates de las bases son las ceto •(ceto : enol = 10.000 : 1)
Reglas de Chargraff: DNA doble cadena (dsDNA)
ESTRUCTURA DEL MATERIAL GENETICO
La estructura del dsDNA
ESTRUCTURA DEL MATERIAL GENETICO
interacciones que estabilizan la doble hélice
• Enlaces de hidrógeno (pequeña contribución)
• Apilamiento de bases e interacción hidrofóbica
• Interacciones iónicas:
- Repulsión entre las cargas negativas de los
fosfatos
- Los cationes actúan como contraiones estabilizando el dsDNA
(cationes divalentes más eficientes que monovalentes;
el Mg+2 estabiliza la estructura del RNA)
ver estructuras secundarias en rRNA, por ejemplo...
DNA A: 75% agua(esporos), Na+
DNA B: 92% aguaWatson & Crick
DNA Z: poli-pur-pyr, -GCGC… alta [Na+]
La forma B es la más estable en condiciones fisiológicas
Comparación de las formas A, B y Z del DNA
ESTRUCTURA DEL MATERIAL GENETICO
ESTRUCTURA DEL MATERIAL GENETICO
Estructuras inusuales
Palíndromos (palindromes)
Repeticiones en espejo (mirror repeats)
Horquilla (hairpin-loop)
Cruciforme
ESTRUCTURA DEL MATERIAL GENETICO
Estructuras inusuales: triplex DNAs
Apareamiento tipo Hoogsteen
Estables a pH bajos (citosina protonada, C+)
H-DNA: "In vitro" es posible obtener tramos de triple hélice intercalando oligonucleótidos cortos constituidos solamente por pirimidinas (timinas y citosinas) en el surco mayor de una doble hélice. No se sabe la función biológica del ADN-H aunque se ha detectado en cromosomas eucarióticos.
H-DNA
Apareamiento tipo Hoogsteen: Bajo ciertas condiciones, los nucleótidos pueden formar puentes de hidrógeno adicionales dando lugar a tramos de DNA de triple hélice.
ESTRUCTURA DEL MATERIAL GENETICO
Estructuras inusuales: cuadruplex DNADNA cuadruplexo: "In vitro" se han obtenido cuartetos de guanina (DNA cuadruplexo) unidas mediante enlaces tipo Hoogsteen, empleando polinucleótidos que solamente contienen Guanina (G). Los extremos de los cromosomas eucariotas (telómeros) tienen una estructura especial con un extremo 3' OH de cadena sencilla (monocatenario) en el que se repite muchas veces en tandem una secuencia rica en guaninas. Se piensa que el DNA cuadruplexo telomérico serviría para proteger los extremos cromosómicos de la degradación enzimática.
Ejemplo de secuencia telomérica rica en guaninas (G): 5´P TTGGGTTGGGGTTGGGG...............TTGGGG 3'OH
Las moléculas de ssRNA pueden exhibir conformaciones variadas
Estructuras secundarias en RNA
tRNA
Propiedades fisicoquímicas
de los ácidos nucleicos
• H+ y HO-
• Espectro UV
• Temperatura de desnaturalización• (estabilidad de la doble hélice a medida que se incrementa la temperatura)
• Densidad de flotación • (ultracentrifugación en gradientes de densidad)
Hidrólisis en medio ácido
Ácidos fuertes : escinden tanto los enlaces
fosfodiéster como los enlaces N-glicosídicos.
Ácidos débiles : escinden los enlaces N-glicosídicos.
Los enlaces de las purinas son más lábiles que de
las pirimidinas
dsDNA en medio alcalino fuerte
desprotonación de los >N-H de los heterociclos
¿...?
Hidrólisis en medio alcalino
RNA
Desnaturalización del ADN
Desnaturalización térmicaTEMPERATURA DE FUSIÓN = Tm (melting temperature)
Propiedades ópticas de los nucleótidos
ssDNA (desnaturalizado a 90 oC))
dsDNA (nativo a 28 oC)
Efecto hipercrómico
The purine and pyrimidine bases in DNA absorb UV light maximally at a wavelength of approximately 260 nm. In double-stranded DNA, however, the absorption is decreased due to base-stacking interactions. When DNA is denatured, these interactions are disrupted and an increase in absorbance is seen. This change is called the hyperchromic effect. The extent of the effect can be monitored as a function of temperature
Desnaturalización térmicaTEMPERATURA DE FUSIÓN = Tm (melting temperature)
medida de
A260nm
ESTRUCTURA DEL MATERIAL GENETICO
Desnaturalización del DNA
Condiciones que favorecen la desnaturalización•Alta temperatura
•Baja fuerza iónica (repulsión de fosfatos)
•Alto pH (desprotonación de bases)
Monitoreo de la desnaturalización
•Los enlaces conjugados de las bases generan absorción en el UV a 260nm
Nucleótidos libres> ssADN> dsADN
•La Tm depende de la concentración salina, pH, composición, longitud
•La temperatura a la cual la A260 alcanza la mitad de su valor máximo es denominada Tm (temperatura de melting)
DESNATURALIZACION POR CALOR
Cálculo de Tm
•Oligonucleótidos cortos: Tm (oC) = (A+T)x2 + (C+G)x4
•Oligonucleótidos largos:Tm = 81.5 +16.6Log [Na+] + 0.41 (%CG) – (625/N) (N=longitud del oligo)
Parámetro Efecto sobre Tm Efecto sobre la velocidad de renaturalización
Composición de bases
Incremento de Tm con el aumento del %G-C
No ejerce efecto
Longitud<150 bp; incremento de Tm con el incremento de longitud; >500 bp no hay efecto
Se incrementa la velocidad con la longitud
Fuerza iónica Incremento de Tm con el aumento de [Na+]
Optimo a 1.5 M Na+
%bp mismatch
Disminuye Tm con el aumento de % mismatch
Disminuye la velocidad con el aumento de % mismatch
Concentración No ejerce efecto Aumenta la velocidad con el aumento de [DNA]
Agentes denaturalizant
es
disminuye Tm con el aumento de [formamide], [urea]
Optimo a 50% formamide
Temperatura - Optima a 20°C por debajo de Tm
Parámetros que intervienen en la desnaturalización del DNA
ESTRUCTURA DEL MATERIAL GENETICO
ESTRUCTURA DEL MATERIAL GENETICO
Densidad de flotación de los ácidos nucleicos
Basándose en múltiples estudios de la densidad de los DNAs de diferentes organismos y de su composición en bases nitrogenadas, se ha establecido una fórmula empírica que relaciona la densidad de flotación () con el contenido en G+C expresado en %:
= 1,660 + 0,00098(G+C)
DNA Densidad (g/ cm3) % (G+C)
Polímero A-T 1.675 0
Diplococcus pneumoniae 1.700 42
Escherichia coli 1.710 51
Serratia marcescens 1.716 55
Mycobacterium phlei 1.732 73
Existe una relación lineal entre el contenido en G+C y la densidad del DNA determinada por ultracentrifugación a equilibrio en un gradiente de densidad.
A mayor contenido en G+C, mayor densidad.
Avances científicos• Disociación y reasociación de las hebras
complementarias del DNA (hibridación de sondas o cómo encontrar una aguja en un pajar)
• Replicación del DNA in vitro (síntesis de genes usando cada una de las hebras de la doble hélice como molde para la copia)
• PCR: amplificación de un segmento de DNA en un tubo de ensayo (cómo leer información a partir de una sola célula, cómo detectar un virus en una muestra de sangre, etc.)
• Síntesis de DNA a partir de RNA (transcriptasa reversa de retrovirus)
Avances científicos
• Enzimas de restricción (tijeras mágicas para cortar DNA en forma precisa)
• Ligasa (pegamento especial para unir trozos de DNA: permite la construcción de moléculas recombinantes)
• Enzimas de restricción + ligasa = DNA recombinante (ingeniería genética)
Agentes intercalantes
• Moléculas aromáticas que se intercalan en el ADN entre bases apiladas• Fluorescentes• Detección de DNA y RNA• Agentes mutagénicos
Naranja de acridina
Bromuro de etidio
colorantes de ácidos nucleicos, agentes intercalantes
Bromuro de etidio
Naranja de acridina
Hibridación
reasociación de secuencias complementarias
secuencia blanco + sonda
DNA reassociation (renaturation)Double-stranded DNA
Denatured,single-strandedDNA
Slower, rate-limiting,second-order process offinding complementarysequences to nucleatebase-pairing
k2
Faster,zipperingreaction toform longmoleculesof double-strandedDNA
Sondas de ácidos nucleicos
Sonda marcada
Acido nucleico inmovilizado
Sondas fluorescentes
Sondas con grupos detectables por afinidad con anticuerpos (DIG) y otras
proteínas (avidina o estreptavidina)
High stringency: condiciones estrictas de hibridación y lavado de la sonda, tales que solamente se mantienen unidas las secuencias blanco y sonda que son 100% complementarias
Low stringency: condiciones de hibridación y lavado de la sonda, tales que se mantienen unidas las secuencias blanco y sonda entre las que no hay complementariedad perfecta (con “mismatches”)
PCR: the polymerase chain reaction
Figure 7-38
PCR
PCR
“Clonado” de un gen in vivo e in vitro .How to amplify an interesting gene. Two methods are (a) in vivo, by tricking the replication machinery of a bacterium into amplifying recombinant DNA containing the gene, and (b) in vitro, in the test tube.
Both methods employ the basic principles of molecular biology: the ability of specific proteins to bind to DNA (the proteins shown in yellow) and the ability of complementary single-stranded nucleic acid segments to hybridize together (the primer used in the test-tube method).
Tamaños de genomas
Tamaños de genomas
Virus a DNA
1 Cell length 2 μm or 2x10-6 m
2 Cell diameter 0.8 μm or 0.8x10-6 m
3 Cell total volume 1x10-15 L
Escherichia coli genome: 4,639,221 bp
4,377 genes
4,290 of these genes encode proteins; the rest RNAs
Tamaños de genomas
• Escherichia coli 1,5 µm
1 par de bases (pb) 0,34 nm = 0.34 x 10-9 m
1 molécula de DNA genómico: 4,6 106 pb / célula
DNA: 1,5 mm !!!
• Cromosoma y plásmidos
Longitud del DNA de una célula humana
1 par de bases (bp) 0,34 nm = 0,34 x 10-9 m
2 juegos of 3,0 109 pb / célula
2 metros !!!Contenido de DNA (longitud total)
en un humano adulto 2 m/célula x 1014 células 2 x 1011 kilómetros
200.000 millones de km
perímetro: 4 x 104 km
distancia de la Tierra al Sol: 1,5 x 108 km
Longitud del DNA de una célula humana
1 par de bases 0,34 nm = 0,34 x 10-9 m
2 juegos de 3,0 109 pares de bases / célula
2 metros !!!
Tamaño del DNA de un adulto 2 metros/célula x 1014 células
2 x 1011 kilómetros
200 mil millones de kilómetros
circunferencia de la Tierra: 4 x 104 km
distancia de la Tierra al Sol: 1,5 x 108 km
Empaquetamiento del DNA eucariota
En el genoma humano tenemos 3 x 109 bp distribuidos en 23 cromosomas
La forma B-DNA ocupa 0,34 nm/bp
Debemos empaquetarlo en un núcleo con un diámetro de 5-6 m (> 10.000 veces)
El DNA durante la interfase se encuentra condensado formando un complejo nucleoproteico denominado cromatina
La longitud total del DNA celular humano es de 2 metros!!!
Próxima clase: superenrollamiento y
empaquetamiento del DNA
Cinética de reasociación de cadenas complementarias.
Relación con el tamaño del DNA
Bibliografía recomendada
•Biología Molecular de la Célula. Alberts B., Johnson A., Lewis J., Raff M., Roberts K., Walter P. (2002). 4º edición, Garland Publishing, Inc.
•Gene VIII. Lewin, B. (2004). Ed. Prentice Hall. (y ediciones anteriores)
•Biología Celular y Molecular. Lodish H, Baltimore D., Berk A., Zipursky S.L., Matsudaira P., Darnel, J. (2002). 4º edición, editorial Médica Panamericana SA, España (5º edición en inglés).
•Lehninger. Biochemistry, Lehninger A.L., Nelson D.L., Cox M.M. (2005), 4º edición.(en castellano: 3º edición, 2001, editorial Omega, España)
•Molecular Biology. Weaver, R. (2004). 4º edición, Editorial McGraw-Hill.
Información actualizada y sitios de interés
www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=Books