Tema IV: ÁCIDOS NUCLEICOS Definición y composición Nucleótidos: nucleósido (pentosa + base nitrogenada) fosfato oligonucleótidos y polinucleótidos ADN: Descubrimiento Estructura y formas Plegamiento Desnaturalización FUNCIÓN ARN: Características Tipos y localización ARNm: llevar el mensaje desde el ADN ARNt: transferir los aminoácidos a la cadena peptídica ARNr: constituir el ribosoma Ribozimas

Ácidos nucleicos Polinucleótidos formados por nucleótidos, moléculas compuestas de C, H, O y P.

Nucleótidos

Bases nitrogenadas

Polinucleótidos Cadenas lineales de nucleótidos. Se forman mediante un enlace éster entre el OH del grupo fosfato situado en 5´ y el OH situado en 3´ liberando una molécula de agua. Siempre presenta dos extremos 3´ y 5´. Puede observarse que la estructura es una cadena de pentosas y fosfatos de los que salen bases nitrogenadas.

ADN: ácido desoxirribonucleico Cadena de polinucleótidos donde la pentosa es la 2´desoxirribosa y las bases nitrogenadas son adenina (A), guanina (G), citosina (C) y timina (T). Se encuentra en el núcleo de la célula eucariota, asociado a proteínas de carácter básico, histonas, y en mitocondrias, plastos y citosol de células procariotas. Además puede formar parte de virus ADN. Al igual que el ARN tiene carácter ácido por lo que se tiñe con colorantes básicos.

Descubrimiento del ADN Streptococcus pneumoniae Frederick Griffith 1928 Alfred D. Hershey Martha Chase S*en proteínas y P*en ácidos nucleicos de fago. 1952 Establece la composición del ADN Alexander R. Todd 1950-51 Friedrich Miescher 1869 Aisló el ADN del núcleo celular Oswald Avery Colin MacLeod Maclyn McCarty 1944 Bacterias “S” lisas virulentas Bacterias “R” rugosas no virulentas (página 102) James Watson Francis Crick Maurice Wilkins Rosalind Franklin Erwin Chargaff 1953 Estructura del ADN Fotografía de rayos X de la forma B del ADN A +T = G + C

Estructura del ADN

Formas del ADN

ADN. Tamaño Siempre es una molécula muy grande. Los virus, que tienen las moléculas más pequeñas, superan los 5000 pares de bases. El ADN humano tiene 3.000.000.000 pares de nucleótidos. El lugar que una especie ocupa en la escala evolutiva no tiene relación directa con el número de nucleótidos de su genoma: Una cebolla tiene un genoma 5 veces mayor que el del humano. Un helecho presenta un genoma casi 10 veces mayor que el de la cebolla. Si estiráramos el ADN de un núcleo de célula humano, mediría 1 metro de longitud. Veremos cómo se empaqueta.

ADN. Forma

Plegamiento del ADN

ADN. desnaturalización ADN (doble hélice) ADN (hélice sencilla) Desnaturalización. Variando T y/o pH Renaturalización. A 65º C. Gran afinidad entre las bases complementarias. Utilidad: Comparación de secuencias: medicina forense, estudios evolutivos... Técnicas de ingeniería genética: Búsqueda de genes mediante sondas genéticas, PCR, ARN de interferencia. Aplicaciones biomédicas. Etc.

ADN. Función Almacén de la información: Gobierno de la actividad celular ADN ARN Proteínas transcripción traducción Epigenética. Transmite la información de una generación celular a la siguiente: ADN duplicación o replicación

ARN: ácido ribonucleico

ARN: tipos y localización ARN mensajero (ARNm) ARN transferente (ARNt) ARN ribosómico (ARNr) Estos tres tipos de ARN se pueden encontrar en el núcleo de células eucariotas, donde se forman, y en el citoplasma donde ejercen su función; el ARNr forma la estructura de los ribosomas. En el citoplasma de bacterias, mitocondrias y plastos, donde se forman y ejercen su función; el ARNr en los ribosomas. ARN heterogéneo nuclear (ARNhn) se encuentran en el núcleo y son los precursores de diferentes ARNm. ARN de interferencia (ARNi). Descritos recientemente, parece que intervienen en la regulación de la actividad génica.

ARN mensajero Se encuentra en menor cantidad en la célula (5%). Es el que lleva el mensaje que va a dar lugar a proteínas, por tanto, puede ser, en algunos casos, el de mayor longitud. Se forma en el núcleo de eucariotas o en el citosol de bacterias, plastos y mitocondrias y se traduce a proteínas en los ribosomas. Presenta estructura lineal. Su función es transmitir el mensaje codificado en el ADN. En eucariotas sufre el proceso de maduración.

ARN transferente

ARN ribosómico Es el más abundante (>75%), el de mayor tamaño y peso molecular? Junto a proteínas forma los ribosomas. Estos, serán los encargados de traducir el código genético a proteínas. En eucariotas se forman en el nucléolo. ARN nucleolar (ARNn) Eucariotas: genes en tándem. ADN 45S ARN 28S 18S 5,8S 5S 33 prot. 49 prot. 4OS 6OS Procariotas: 16S + 21 prot. 5S + 23S + + 34 prot. 30S 50S

Ribozimas Sidney Altman y Robert Cech obtuvieron el premio Nobel de química por descubrir la actividad catalítica del ARN. La capacidad enzimática de muchas moléculas de ARN apoyaría la teoría de que fue el ARN la primera molécula con capacidad de replicación necesaria para el origen de la vida. Las moléculas de ARN son más inestables que las de ADN.

GENÉTICA MOLECULAR: ¿Dogma Central? de la Biología Transcripción (código en ADN a ARN) ADN Duplicación Replicación Síntesis de ADN FASE S del Ciclo Celular ARN Mensajero Transferente Ribosomal PROTEÍNAS Traducción (nucleótidos a aminoácidos) Transcripción inversa (virus) Mutación: alteración del ADN

Duplicación o replicación del ADN Proceso de síntesis o autocopiado de todo el ADN nuclear (eucariota) o cromosómico (procariota). Descrito por Arthur Kornberg. El mecanismo fue propuesto por Watson y Crick y demostrado por Matthew S. Meselson y Franklin W. Stahl en 1957 (página 103). Requerimientos en procariotas: Molécula de ADN molde. Proteínas: iniciadoras (Ori I), helicasas y topoisomerasas, estabilizadoras (abrir la hélice, girarla y estabilizarla), primasa (sintetizar los primer o cebadores), ADN polimerasas III (genera las nuevas hebras), II (ADN mitocondrial) y I (retira los primer, rellena los huecos y repara posibles errores) y ADN ligasa (une los fragmentos de Okazaki). Nucleótidos: NTP. energía Energía: NTP NMP + E (ATP AMP)

Duplicación del ADN. Proceso

Duplicación del ADN en eucariotas Diferencias con el proceso descrito en procariotas: Distintos orígenes de iniciación. Formación de múltiples horquillas de replicación y de burbujas. Hay que separar las histonas que se vuelven a unir tras la creación de la nueva copia. Estas proteínas se han sintetizado previamente. Diferencias en las proteínas: ver cuadro de la página 84. Construcción de los extremos: telomerasa. Implicaciones de la existencia y funcionamiento de la telomerasa.

Transcripción del ADN. Síntesis de ARN

Transcripción. Proceso

Transcripción en eucariotas I

Transcripción en eucariotas II. Maduración

Traducción. Síntesis de proteínas Tras la transcripción se forma, entre otros, el ARNm. En eucariotas cada ARNm es monocistrónico; tiene información para una única proteína; en procariotas puede ser policistrónico, es decir, da lugar a varias proteínas. Los aminoácidos deben ser transportados en ARNt para formar la proteína, luego deben ser activados. Cada aminoácido se une al ARNt que tenga el anticodón que le corresponda según el Código Genético. El ARNm presenta una secuencia de nucleótidos que se leen de tres en tres y que tienen sus correspondientes complementarios en el ARNt. Este triplete se denomina codón.

Código Genético

Código Genético. Características Lo intuyó Francis Crick. Lo demostraron Niremberg, Khorana y Ochoa. Cada tres bases o triplete se denomina codón. Es específico: cada triplete sólo codifica para un aminoácido. Es degenerado: varios tripletes codifican para el mismo aminoácido. Conviene observar que son las bases que ocupan el tercer lugar las que cambian generalmente (leucina, serina y arginina). No presenta solapamientos ni discontinuidades. Es universal.

Traducción. Fases y requerimientos Al igual que en la transcripción se definen tres fases: Iniciación: ARNm, ribosoma separado en subunidades, factores proteicos de iniciación, energía cedida por GTP, iones Mg2+, el primer aminoácido siempre es la metionina (eucariotas) y en procariotas la formilmetionina, el codón de iniciación AUG, se acoplan el codón con el anticodón en la posición P y a continuación la subunidad mayor del ribosoma se une a la subunidad menor. Elongación: Son necesarios los factores de elongación y los distintos aminoácidos unidos a los ARNt. Se une en la posición A el aminoacil-tRNA correspondiente al segundo codón. Se produce el enlace peptídico mediante la peptidiltransferasa de la subunidad mayor del ribosoma. Se desplaza el ARNm en sentido 5´ 3´. El péptido pasa al lugar P, deja el sitio A para el nuevo aá y sale el ARNt que ha quedado sin aá. Se utiliza la energía de GTP. Terminación: codón de terminación. Factores de terminación que bloquean el sitio A. Separación de la cadena polipeptídica del ARNt último y degradación del ARNm por las ARNasas.

Traducción. Proceso

Regulación de la expresión génica

Regulación en eucariotas Procesos más complejos y peor conocidos. Diferentes niveles: Transcripción: momento y frecuencia (proteínas reguladoras: activadores y represores; cambios en la estructura del ADN (compactación, metilación, factores de transcripción Maduración del ARNm. Transporte del ARNm. Traducción. Degradación de los ARNm. Actividad de las proteínas. Elementos transponibles o transposones. Factores extracelulares: hormonas, etc.

ARN de interferencia. Premio Nobel de Medicina,2006. Fire, A y Mello, C.

Mutaciones Alteraciones de la información genética. Tipos: génicas. Afectan a la estructura molecular del gen. cromosómicas: afectan al cromosoma. genómicas. Afectan al genoma. Se estudiarán en los temas de genética mendeliana Clasificación de mutaciones génicas: sustitución: una base nitrogenada por otra. deleción: pérdida de uno o varios nucleótidos. inserción: ganancia de uno o varios nucleótidos. 5´ATTGCCGTGACTAC 3´ 5´ATTGCTGTGACTAC 3´ 5´ATTGCGTGACTAC 3´ 5´ATTGCACGTGACTAC 3´ Análisis de las consecuencias

Mutaciones. Causas y reparación Errores de lectura: fallos de la polimerasa; en las oxidaciones, radicales libres provocan que G se altere y se una a T en vez de C. Cambios químicos: desaminaciones (C x U), despurinaciones (rotura del enlace N-glucosídico), formación de dímeros de T mediante radiación ultravioleta. Transposiciones: transposones. Reparaciones: ADN polimerasa I, acción de endonucleasas, síntesis de proteínas reparadoras (ante los dímeros de T), reparación inespecífica y posterior apoptosis, ...

Ingeniería Genética I. Manipulación del material genético Objetivos: Conocer el material genético. Genómica (Proyecto Genoma Humano). Sustitución de genes defectuosos por genes normales. Introducción de genes nuevos: “terapia génica”, organismos genéticamente modificados (OGM) o “transgénicos”. Obtención de péptidos y proteínas en grandes cantidades: hormonas, antibióticos, vacunas, etc.

Ingeniería Genética II. Técnicas de manipulación Tecnología del ADN recombinante: Enzimas de restricción (extremos cohesivos o pegajosos y extremos romos). Mutagénesis dirigida. Electroforesis en gel. Clonación. PCR (reacción en cadena de la polimerasa). Hibridación.

Ingeniería Genética III. Logros alcanzados Proyecto Genoma Humano Secuenciación de diferentes genomas. Mapas genéticos: posición relativa de genes conocidos por su función. Mapas físicos: secuencia de nucleótidos a lo largo del cromosoma. Terapia génica. Transgénesis: seres transgénicos, alimentos transgénicos, productos, xenotransplantes, etc. Células madre: embrionarias y adultas. Consideraciones éticas, legales y sociales. ???

Proyecto Genoma Humano