QUIMICA BIOLOGICA Ing. en Alim. y Lic. en CyT de los Alim. Bolilla 10: Acido desoxirribonucleico. ADN, principales características estructurales. Proceso de replicación del ADN, complejos enzimáticos que intervienen. Etapas. Concepto de mutaciones y mutágenos. Procesos de reparación del ADN. Flujo de la información genética: ARN. Tipos de ARN: mensajeros, ribosomales y de transferencia, estructuras y funciones. Síntesis del ácido ribonucleico: transcripción, enzimas que intervienen. Etapas. Importancia de los procesos de maduración, intrones y exones.

Estructura molecular del ADN Acido desoxiribonucleico (ADN) Uniones Puente Hidrógeno Esqueleto Azúcar-Fosfato Pares de Bases 3’ 5’ F Az T A C G OH HO Nucleótido Cadenas complementarias y antiparalelas de desoxiribo-nucleótidos de A, T, G, y C. Unidas por Uniones puente H. G-C 50% más fuerte que A-T. a-hélice con giro a la derecha. Representación esquemática de la estructura helicoidal del ADN 3’ 5’ Uniones Puente Hidrógeno 1953. Watson, Crick y Wilkins

Disposición del ADN en los cromosomas Fragmento de ADN en doble hélice Cromatina enrrollada sobre histonas Cromatina empaquetada en nucleosomas Fragmento de cromosoma extendido Fragmento de cromosoma condensado Cromosoma Cada molécula de ADN se encuentra empaquetada en los cromosomas en una longitud 10.000 veces menor. Gen

GEN Cromosomas Genoma Individuo GEN: segmento de ADN cuya secuencia nucleotídica codifica la información necesaria para producir un producto biológico funcional, como péptido, proteína o moléculas de ARN. GEN Cromosomas Genoma Individuo ATGCCAGGCCCCCCACCAGCCACGTTGGGGCAGCCCCCACAGCTCCCGGCCTTCGGGCCAAGGTGTCGGGGTGCGTCTCCTGGCCCATCAATACAGATTACATATTTATATCAATCGCGGGCTCTGAGGGCGCCCTCGGAGAGCGGCCCCGCGCCTACGAAACCAAACTGGGAGTGGTCGCGCGGAAACTCTGGCTCGGGATTGGCTGCGGGCGCCCGCCGCGGTGCGGGGGGATTGCTAATCGTATTCAGCATGTTTTGCACAAGAAATGTCAGCCAGAAAGGGCTATCTGCTCCCTTCGCCAAATTATCCCACAACAATGTCATGCTCGGAGAGCCCCGCCGCGAACTCTTTTTTGGTCGACTCGCTCATCAGCTCGGGCAGAGGCGAGGCAGGCGGCGGTGGTGGTGGCGCGGGGGGCGGCGGCGGTGGCGGTTACTACGCCCACGGCGGGGTCTACCTGCCGCCCGCCGCCGACCTGCCATACGGGCTGCAGAGCTGCGGGCTCTTCCCCACGCTGGGCGGCAAGCGCAATGAGGCAGCGTCGCCGGGCAGCGGTGGCGGTGGCGGGGGTCTAGGTCCCGGGGCGCACGGCTACGGGCCCTCGCCCATAGACCTGTGGCTAGACGCGCCCCGGTCTTGCCGGATGGAGCCGCCTGACGGGCCGCCGCCGCCGCCCCAGCAGCAGCCGCCGCCCCCGCCGCAACCACCCCAGCCAGCGCCGCAGGCCACCTCGTGCTCTTTCGCGCAGAACATCAAAGAAGAGAGCTCCTACTGCCTCTACGACTCGGCGGACAAATGCCCCAAAGTCTCGGCCACCGCCGCCGAACTGGCTCCCTTCCCGCGGGGCCCGCCGCCCGACGGCTGCGCCCTGGGCACCTCCAGCGGGGTGCCAGTGCCTGGCTACTTCCGCCTTTCTCAGGCCTACGGCACCGCCAAGGGCTATGGCAGCGGCGGCGGCGGCGCGCAGCAACTCGGGGCTGGCCCGTTCCCCGCGCAGCCCCCGGGGCGCGGTTTCGATCTCCCGCCCGCGCTAGCCTCCGGCTCGGCCGATGCGGCCCGGAAGGAGCGAGCCCTCGATTCGCCGCCGCCCCCCACGCTGGCTTGCGGCAGCGGCGGGGGCTCGCAGGGCGACGAGGAGGCGCACGCGTCGTCCTCGGCCGCGGAGGAGCTCTCCCCGGCCCCTTCCGAGAGCAGCAAAGCCTCGCCGGAGAAGGATTCCCTGGGTAAGCAGGGCTGCAGAGGGCTGCAGTCAGGCGGGCAGACAGGCAGACACAAGGAGGAGAAGGATCAGAAAACTAGGAGCCCGCGCAGCAGCCGGCCGGCCTTGGCCCAAGCTGCAGGCAGGCTGACCTTGTGAACTTGCTTTTTAATATTTGGGCGTGGGGGCGCAGTAAAATTCATGTCCGGCTTAGCGCCCCACAGCAAGACGTCCTCGGCGCTGGCCTCAGCTCCCCCTGACTAGGGACGAGGACACCAGCGAGCAGGCCCCCTCCTGTGCGCTCTTTCCTGTGGCCGGGAGGACCCAGAGCCCTGGTCCCTGCCCAGCCTGCGCGGCGCGGCCCACGCGGGGGGAGGGGGAGGGAGGGAAAGTAGCTCGCCCGCAGATAGCGCGGATGTTTGTAAGGCATCCAAAATAAGCAGCCGCCAGCGCCAATAAATAAGCCCATTAACCGGCGAAGTTCGAGTGTACGATCCCCCATGCTTTTTTCAAAGTTGCTGAGGGGCGGGAATCTTCGTGGCGGGAAGAAGAAAAGGCAAATCCGGCCTGGAAGCGGGGGGCCCTGAGCTGAGAGCCAGAGAAGGGCCATTTCCCTTCCCCTGGACCTCGGAATCGCCCAGCTATGTATCCTGGCTCCTGGAGAAACTTGAGGGAGGGCCCTTGACCCCCGAATCGGTTTTTCCTGCCTTCCCCATTGGACCAATGATGCCCTTCTTTCTCCCCTTATCGAGTCTTGGGCAATCAGGGCCCTGGGGTGAGACAGCCAAGCTGCCTGGCCCATCTTCCAAGTAAGCACCCCGCGCTCCTAGCCTGGGGGCTACAGGAAATGCTTGTCTGCCATATGGCAAGAGGCAAAGAAAAGCGTTAAGTTCAAGATGTACAGCCTGCCCTCCCAGGCTCACAGCCAACTTTAATTTTTCCTGATGAATCTCCAGGCGAC

ADN ARN Péptido o proteína Replicación Transcripción DOGMA CENTRAL Traducción DOGMA CENTRAL DE LA GENETICA

Eucariotas: tienen membrana nuclear y organelas (plantas, animales, hongos,…) Procariotas: no tienen membrana que separe núcleo de orgánulos (bacteria)

Esquemas simplificados del proceso de replicación del ADN CARACTERISTICAS GENERALES DE LA REPLICACION: - Semiconservadora. - Dirección 5’-> 3’. Hebras antiparalelas: rezagada y continua. Se lleva a cabo en el núcleo de células eucariotas y en el citosol de procariotas.

Sistema ADN replicasa o Replisoma Cadena adelantada ATP Helicasa Cebador proteínas de unión al ADN Fragmentos de Okazaki ADN Polimerasa (dNMP)n + dNTP ADN (dNMP)n+1 + PPi ADN alargado

Representación esquemática de la replicación del ADN 1-Iniciación. Desenrrollamiento de la doble hélice por acción de la helicasa, separación de las hebras y síntesis de la nueva cadena conductora en dirección 5’→3’, por la polimerasa III. 3’ 5’ 4-Elongación. Eliminación del ARN cebador por la polimerasa I y unión del fragmento de Okazaki al ADN de la cadena retrasada sintetizada previamente, mediante la ADN ligasa. 5’ 3’ 5’ 3’ ARN cebador 2-Iniciación. Síntesis del ARN cebador por la primasa. 5-Elongación. La continuación de la síntesis de la hebra conductora, expone otra zona de cadena única en la mólecula original para la síntesis de un nuevo fragmento de Okazaki. 3-Elongación. Síntesis de la cadena retrasada corta (fragmento de Okazaki) por acción de la polimerasa III a partir del ARN cebador. 5’ 3’ Fragmento de Okazaki Fragmento de Okazaki 3’ 5’

Reparación de errores de replicación Cuando el ADN es copiado durante la división celular, nucleótidos erróneos pueden ser incorporados en la nueva cadena y deben ser removidos para corregir el o los errores. Nucleótido erróneo Cadena original con grupos metilos Las enzimas MutS y MutL detectan el error en el ADN. Cadena copia La enzima MutH reconoce los grupos metilo en la hebra original que actuó como templado en la replicación. Un segmento de la hebra copia que contiene el error es removido. La ADN polimerasa adiciona nuevos nucleótidos y la ADN ligasa une o sella la cadena de ADN. Reparación de errores de replicación

Daños espontáneos en el ADN Resumen de alteraciones espontáneas en el ADN que requieren de mecanismos de reparación. El esquema muestra los sitios de cada nucleótido que son modificados por daño oxidativo espontáneo (flechas rojas), ataque hidrolítico (flechas azules) y metilación descontrolada por S-adenosilmetionina (flechas verdes). El grosor de las flechas indican la frecuencia relativa de cada daño. (Después de T. Lindahl, Nature, 1993)

Tipo de daño Efectos Agentes causantes del daño

Reacciones de depurinación y desaminación

Formación de dímeros de timina

Ruptura de la doble cadena

Sistemas de reparación del ADN Reparación por escisión de base Citosina desaminada (Uracilo) Pares de bases unidas por puente H Hélice de ADN con una base menos Una endonucleasa y una fosfodiesterasa remueven el azúcar-P Hélice de ADN con gap de un nucleótido La DNA polimerasa adiciona el nucleótido correcto (C) y la ADN ligasa sella la unión. Uracil-ADN glicosilasa Reparación por escisión de nucleótido Nucleasa Helicasa ADN polimerasa y ADN ligasa Pares de bases unidas por puente H Dímero de pirimidinas Hélice de ADN con gap de 12 nucleótidos

Acidos nucleicos: Estructura del ARN

ADN ARN Péptido o proteína Replicación Transcripción DOGMA CENTRAL Traducción DOGMA CENTRAL DE LA GENETICA

Tipos de ARN y características específicas ARN mensajero ARN ARN transferencial ARN ribosomal Tipo de ARN Características estructurales Función ARN mensajero (mARN) Transcripto primario. Cola poli-A 3’. Caperuza de 7-metil guanosina 5’. Molde para síntesis de proteína ARN transferencial (tARN) Un tARN específico para c/aa. Extremo 3’: CCA Transporte de aa en la síntesis de proteínas. ARN ribosomal (rARN) Se asocia con proteínas. 3 tamaños diferentes en procariotas y 4 en eucariotas. Componente estructural de ribosomas

Tipos de ARN: ribosomal, transferencial y mensajero ARNt 5’ P 3’ HO ARNm L: proteínas de la subunidad mayor (del inglés: Large). S: proteínas de la subunidad menor (del inglés: Small). S: unidades Svedberg, del coeficiente de sedimentación de la partícula. Theodor Svedberg, galardonado con el premio Nobel de Química en 1926. Gracias a su invención de la ultracentrífuga y a la metodología analítica, fue posible la separación de macromoléculas o partículas en las dispersiones coloidales y otros sistemas dispersos, así como la medición precisa del coeficiente de sedimentación.

Estructura de un gen Región codificante del ARN Gen: fragmento de ADN que codifica la información necesaria para la síntesis de un compuesto biológico. Región codificante del ARN

Secuencia del gen de la beta-globina humana

Representación esquemática de la 5’ 3’ Promotor σ ARN polimerasa ADN templado Pu PPP 1- Unión no específica de la Pol y migración hacia el promotor. 2- Formación de un complejo Pol-promotor cerrado. 3- Formación de un complejo Pol-promotor abierto. 4- Iniciación de la síntesis de mARN, casi siempre con una purina. N rNTPs 5- Elongación del mARN en 8 nucleótidos más. 6- Liberación de la subunidad σ a medida que la Pol progresa corriente abajo sobre el ADN. Representación esquemática de la iniciación y elongación de la transcripción

Complejo de transcripción

Transcripción de un gen eucariota y maduración del ARNm preARN: 3'UTR 5'UTR Exon 1 Exon 2 Exon 3 Intron 1 Intron 2 AAAAAAAAA ARNm maduro: polyA ATG TAA 5‘CAP / Polyadenylation/Splicing Maduración del ARNm Adición de la cap en extremo 5´. Poliadenilación del extremo 3´. Eliminación de intrones (splicing). active protein: CPLTW ..............GFL Splicing alternativo CPLTW ..............PJC Modificación post-transduccional CPLTW ..............LAC

Reacciones de adición de la caperuza 5´ (Caping 5´) 􀂾􀂾La base terminal en 5’ es una guanina. Un rGDP se añade a la molécula original de ARN después de la transcripción, en una reacción de condensación catalizada por la enzima guanilil transferasa. 􀂾El ribonucleótido (rGDP) añadido, tiene orientación contraria respecto a los demás nucleótidos. Así, el extremo 5’ del ARNm tiene dos nucleótidos conectados por un enlace trifosfato 5’-5’ y grupos metilados en distintas posiciones.

Poliadenilación del extremo 3´del ARN Se llama cola poli-A a un tramo de residuos de Adenina que se adiciona al extremo 3’ del mRNA. La secuencia de nucleótidos de Adenina no está codificada en el ADN sino que se añade al transcripto después de la transcripción. La adición de la cola está catalizada por la enzima Poli-A polimerasa que reconoce la secuencia AAUAAA en el transcripto primario y añade ~200 residuos de A al extremo 3’ (-OH libre) del mARN. No necesita molde. - La poliadenilación estabiliza el ARNm.

Sistemas de corte de intrones y empalme de exones (splicing) preARN: 3'UTR 5'UTR Exon 1 Exon 2 Exon 3 Intron 1 Intron 2 AAAAAAAAA mARN maduro Splicing polyA ATG TAA active protein: Traducción CPLTW ..............GFL ..............PJC Splicing alternativo Modificación post-transduccional ..............LAC

Mecanismo de splicing 1ºAtaque nucleofílico del 2’- OH del penúltimo nucleótido de A del intrón sobre el sitio 5’ (-P) del último nucleótido del exón 1 o sitio de splicing. 2º. El extremo 3’-OH libre del exón liberado ataca el enlace en el sitio 3’ de splicing.