Estructura y Función del Material Genético DR. SERGIO BUCAREY V.

Conceptos generales. Definiciones… Genotipo: Patrimonio genético característico de un organismo, especie o individuo… Propiedad inherente a los genes presentes en un organismo Fenotipo: Conjunto de características observables o medibles de un organismo, especie o individuo… Manifestación externa del genotipo de un organismo

¿Qué es un gen? Es una secuencia de nucleótidos en la molécula de ADN, equivalente a una unidad de transcripción. Contiene la información, a partir de la cual se sintetiza un polipéptido, un ácido ribonucleico: mensajero, de transferencia o ribosomal. En el genoma de los animales la mayoría de los genes son únicos y se expresan en forma independiente. Los genes segregan cuando ocurre la meiosis.

Naturaleza del material hereditario. Los ácidos nucleicos y sus componentes ADENINA (A) GUANINA (G) Los ácidos nucleicos son macromoléculas con estructura de polímero lineal, donde los monómeros son nucleótidos. Cada nucleótido está formado por un azúcar pentosa, un fosfato y una base nitrogenada.

Naturaleza del material hereditario. Los ácidos nucleicos y sus componentes ADENINA (A) GUANINA (G) Las bases pueden ser purinas (de doble anillo), como la Adenina y la Guanina...

4 3 5 6 2 1 TIMINA (T) URACILO (U) CITOSINA (C) También pueden ser pirimidinas, de anillo sencillo, como la timina y la citosina, en el ADN; y la citosina y el uracilo en el ARN

Pentosa del ADN: Desoxirribosa 5’ 3’ ATENCIÒN: Un hidrógeno en la posición 2’ Pentosa del ADN: Desoxirribosa

La molécula de ADN es una doble hélice antiparalela

ACIDOS NUCLEICOS Fosfatos van unidos al azúcar en el C-5’ y el C-3’ Hebras antiparalelas Punta 3’ libre Punta 5’ libre ACIDOS NUCLEICOS

X Ray Crystallography of DNA Rosalind Franklin mediante cristalografía de rayos X investigó la estructura del ADN James Watson USÓ esta investigación . . as Benjamin Cummings

Watson se dio cuenta de que los patrones formados en cruz en la fotografía tenían que estar formados como una hélice. Así, conjuntamente con Crick, construyó un modelo de metal de dos hélices unidas entre sí por pares de cuatro moléculas. El reporte sobre el modelo en la publicación Nature, en 1953, dio a ambos, Watson y Crick, conjuntamente con Wilkins, el premio Nóbel de Medicina en 1962. Franklin, olvidada, murió de cáncer en 1958 Dibujo original

Watson y Crick, 1953

Del DNA al Cromosoma Una vuelta de "Cuentas de espiral rosario" de la Dos cromátidas (de 2 X 10 vueltas de espiral) Una vuelta de espiral (30 rosetones) Un rosetón (6 bucles) Un bucle (50 X 106 pb) "Cuentas de rosario" de la cromatina DNA Fibra de 30 nm Modelo para el enrollamiento en diferentes niveles de los cromosomas eucariontes.Estos niveles de organización multiplican el grado de compactado del ADN. Este compactado implicar superenrollamientos sucesivos.

La elongación de la replicación es siempre 5’ DNA POL.MOV 3’. EL ADN es la molécula que permite perpetuar la vida: REPLICACIÓN DEL ADN Hebra molde Hebra líder Hebra retardada La elongación de la replicación es siempre 5’ DNA POL.MOV 3’.

La ADN polimerasa

Replicación Las ADN polimerasas requieren como sustrato la punta 3’ hidroxilo libre de una base apareada para catalizar la unión de otro nucleótido. El OH libre se une al 5’a-fosfórico del deoxinucleósido 5’ trifosfato, liberándose un pirofosfato inorgánico

ADN polimerasas…… ADN polimerasas de alta fidelidad dirigidas por ADN: dos de ellas replican los cromosomas, (a) específica para la hebra retardada porque tiene una subunidad primasa, (d) líder y elongación de la hebra retardada, otras dos reparan el ADN (b y e), y una de ellas replica y repara el ADN mitocondrial (g).

ADN-polimerasas….. ADN polimerasas propensas a errores dirigidas por ADN: un grupo grande que replica con muy baja fidelidad. La tasa de error de la polimerasa i (iota) es 20.000 veces mayor que la de e. Se expresan en cantidades altas en el sistema inmune, implicadas en la hipermutabilidad en linfocitos B y T. .

Otras proteínas necesarias para replicación Helicasas: desenrrollamiento Topoisomerasas: rompen una hebra y la tensión del enrrollamiento de la hélice se relaja Primasas: sintetizan los iniciadores de ARN que se necesitan para iniciar la replicación Ligasas: sellan los espacios dejadas por las ribonucleasas cuando remueven los primers, catalizan la unión fosfodiester entre nucleótidos adyacentes. Proteinas de unión a la hebra sencilla del ADN: estabilizan la horquilla de replicación.

Horquilla de replicación en los mamíferos: Dos polimerasas diferentes en la hebra retardada, primero empieza la pol a sintetizando el primer de ARN algo del ADN porque tiene una subunidad primasa, luego sigue trabajando la pol d en la elongación del fragmento

Reacción en Cadena de la Polimerasa o PCR Desarrollado por el Dr. Kary Mullis en 1983 (Recibió el Premio Nobel en 1993) Es un método que permite amplificar selectivamente una región elegida dentro de una molécula de DNA Se basa en los procesos de replicación del DNA Permite copiar in vitro DNA

En el PCR hay una amplificación exponencial

Aplicaciones de la Técnica de PCR Diagnóstico de agentes infecciosos Diagnóstico de enfermedades genéticas prenatales Clonamiento directo desde ADN genómico Cuantificación de ADN por PCR Amplificación de RNA por PCR (RT-PCR) Mutagénesis in vitro “Fingerprinting”Genético de muestras forenses Análisis de variaciones de secuencias

Capitulo 2: del ADN a las proteínas

Transmisión de la información La transmisión se lleva a cabo principalmente gracias a la existencia de los ácidos ribonucleicos o ARNs ARN mensajero (lineal de hebra simple) ARN de transferencia ARN ribosomal Y a las ARNs polimerasas

ATENCION: Grupo hidroxilo en la posición 2’ Ribonucleótido

URACILO sustituye a la TIMINA La secuencia correspondiente a una unidad de transcripción en el ADN se transcribe en una hebra complementaria de ARN, llamada transcrito primario, a partir del cual, por modificaciones post-transcripcionales , se origina el ARN mensajero

(los factores cis) es la que determina donde, cuando y con qué TRANSCRIPCIÒN La ARN polimerasa se activa cuando forma un complejo con los factores de transcripción o elementos trans. La interacción de estos entre sí, y con las secuencias reguladoras del ADN (los factores cis) es la que determina donde, cuando y con qué rapidez ocurre la transcripción

¿Qué es una unidad transcripcional ?… atcatcctgccccatgcccatcgccacgcgttttggcgtgccaaaaaggttgcacagcaccggcatggcgtaacctttaggattttcaaacagcaacgccggtccaccggcacgcagcgtgcggtcagcgatttccgtgatttccagatgaggatccacaggtagcgtgatgcgttttagttccccctgctgctcaagtagcgtcaggaagtcgcgtaaatcgtgatatttcatggcgtccattgtagcctcttggtaagcgcatcattatacggcgttcatcatcgggatgctgtatttttgttaaattagcgtgaactctggcaaccaacgctaatccagatacggcttaaaggatgaagtgtataattaacttcgcgcatggcttttgctatgcttgcgccccgaacaagcggataagagtcattatgcaatcctggtatttactgtactgcaaacgcgggcaacttcagcgtgctcaggaacacctcgaaagacaagcggtaagttgcctgacaccgatgatcaccctggaaaaaatggtacgcggaaaacgtaccttcgtcagcgaaccgctctttcctaattatctgttcgttgaatttgatccggaagtgatacataccactacaatcaacgccacgcgcggcgtcagccattttgtgcgctttggcgcgcatcctgcgatcgtgccttccagcgttattcatcagctttctatctacaagcccgaaggcgttgtcgatcctgaaaccccctatcccggcgatagcgtcatcatcacggaaggcgcatttgaagggctgaaagcgatttttaccgaaccggatggcgaaacgcgttcgatgttactgcttaatttactcaataaagaagtgaagcagagcgtaaaaaacaccggttttcgcaagatttagcgatcgttcagaatacgacctcaaataaggttctggcattggcatctgtcatcgccgctaaccattgcggatcttcaccacgccatagcgctatgcgctccag

Secuencia de DNA… atcatcctgccccatgcccatcgccacgcgttttggcgtgccaaaaaggttgcacagcaccggcatggcgtaacctttaggattttcaaacagcaacgccggtccaccggcacgcagcgtgcggtcagcgatttccgtgatttccagatgaggatccacaggtagcgtgatgcgttttagttccccctgctgctcaagtagcgtcaggaagtcgcgtaaatcgtgatatttcatggcgtccattgtagcctcttggtaagcgcatcattatacggcgttcatcatcgggatgctgtatttttgttaaattagcgtgaactctggcaaccaacgctaatccagatacggcttaaaggatgaagtgtataattaacttcgcgcatggcttttgctatgcttgcgCcccgaacaagcggataagagtcattatgcaatcctggtatttactgtactgcaaacgcgggcaacttcagcgtgctcaggaacacctcgaaagacaagcggtaagttgcctgacaccgatgatcaccctggaaaaaatggtacgcggaaaacgtaccttcgtcagcgaaccgctctttcctaattatctgttcgttgaatttgatccggaagtgatacataccactacaatcaacgccacgcgcggcgtcagccattttgtgcgctttggcgcgcatcctgcgatcgtgccttccagcgttattcatcagctttctatctacaagcccgaaggcgttgtcgatcctgaaaccccctatcccggcgatagcgtcatcatcacggaaggcgcatttgaagggctgaaagcgatttttaccgaaccggatggcgaaacgcgttcgatgttactgcttaatttactcaataaagaagtgaagcagagcgtaaaaaacaccggttttcgcaagatttagcgatcgttcagaatacgacctcaaataaggttctggcattggcatctgtcatcgccgctaaccattgcggatcttcaccacgccatagcgctatgcgctccag

Estructura de un gen… X Inicio Fin traducción Promotor (Región -35 y -10) Terminador (transcripción) X Región regulatoria Secuencia de unión al ribosoma (Shine-Delgagno en bacterias y Kosak en eucariontes) Inicio +1 Región codificante (Marco de lectura abierto) (“Open reading frame” ORF) Inicio traducción ATG Fin traducción TAA TGA TAG

Modelo simplificado de un gen eucarionte PROMOTOR Secuencia que no se traduce Secuencia que no se traduce Intrón 1 Intrón 2 Intrón 3 5` 3` Región reguladora EXON 1 EXON 2 EXON 3 EXON 4 EXON n Región reguladora Unidad de transcripción Después del procesamiento postranscripcional del ARN transcrito primario, la secuencia de ARNm corresponde a las secuencias de los exones.

DOGMA CENTRAL DE LA BIOLOGÌA MOLECULAR Hebra molde Transcripción Traducción

ARN de transferencia activado: cargado con el aminoácido correspondiente

CODIGO GENETICO ARNm

TRADUCCIÓN ARN --- Proteína

Cuatro monómeros de aminoácidos Reacción de condensación Polipéptido Enlace peptídico catalizado por el complejo enzimático localizado en el ribosoma

Estructura secundaria Estructura terciaria Estructura primaria (Secuencia lineal) Residuos de los distintos aminoácidos Estructura secundaria (forma adoptada espontáneamente) Estructura terciaria (Forma tridimensional: globular, tubular, como una rueda, etc.) Las proteínas sufren transformaciones post-traduccionales

Estructura cuaternaria: combinación de monómeros

CAPITULO III: Mutaciones

Mutaciones Germinales o constitucionales: El individuo las adquiere por herencia de sus padres, puede ocurrir de novo en una célula germinal de alguno de los padres. Todas las células del cuerpo llevan la misma mutación Ejemplo: enfermedades hereditarias Somáticas: Se adquiere en el transcurso de la vida Es portada únicamente por la célula afectada y sus células hijas. El individuo es un mosaico. Ejemplo: cáncer

Clases de Mutaciones Mutaciones Puntuales: Sustitución de bases Adiciones de bases Supresiones de bases

Otros tipos de mutaciones: Mutaciones cromosómicas delecciones duplicaciones Inversiones Inserciones translocaciones

Qué Causa las Mutaciones? Mecanismos endógenos: Pérdida de bases tipo purinas por ruptura espontánea del enlace con el azúcar 5000/día/célula humana Deaminación espontánea de citosinas y adeninas produce uracilo e hipoxantina Moléculas con oxígenos reactivos atacan los anillos de las bases nitrogenadas La ADN polimerasa puede incorporar bases equivocadas en la replicación Errores en la replicación o recombinación provocan fracturas en el ADN

Agentes extracelulares Radiaciones ionizantes: rayos gamma y rayos X causan rupturas en la doble hélice Luz UV causa la formación de los dímeros de timina Químicos ambientales como agentes alquilantes y otras sust químicas forman aductos con las bases del ADN: hidrocarburos, productos naturales como las aflatoxinas.

Reparación del ADN

Mecanismos de detección y reparación de daños al ADN Sistemas enzimáticos para reconocer, eliminar y reparar daños inducidos al ADN . El estudio de los síndromes hereditarios de predisposición al cáncer ha permitido ampliar el conocimiento en el ser humano y animales

Xeroderma Pigmentoso Individuos con esta enfermedad genética tienen defectos en las enzimas de reparación. can’t remove thymine dimers caused by UV light very sensitive to sunlight and often get skin cancers From: Concepts of Genetics, 6th edition, Klug and Cummings, Prentice Hall

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