Estructura y función del ADN

¿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, una enzima, un ácido ribonucleico: mensajero, de transferencia o ribosomal. En el genoma humano la mayoría de los genes son únicos y se expresan en forma independiente. Los genes segregan cuando ocurre la meiosis.

DOGMA CENTRAL DE LA BIOLOGÌA MOLECULAR Hebra molde Transcripción Traducción

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. 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

Desoxirribunucleótido

La molécula de ADN es una doble hélice antiparalela (Watson y Crick 1953)

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

La función codificante del ADN está determinada por la secuencia de sus nucleótidos (bases)

EL ADN es la molécula que permite perpetuar la vida: REPLICACIÓN DEL ADN Hebra molde Hebra líder Hebra retardada

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, ligasas…. 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). d,e,g : tienen actividad 3’ - 5’ exonucleasa d y e : tienen actividad de reparación del ADN de tipo excisión de nucleótidos y de bases.

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. ADN polimerasas dirigidas por ARN: usan como molde una hebra de ARN: transcriptasas reversas. Ej: Actividad polimerasa en la enzima telomerasa (Tert) que replica la parte final de los extremos lineales de los cromosomas. Transcriptasa reversa endógena, que ocasionalmente puede convertir ARN en ADNc e integrarlo al genoma.

Proteinas principales replicación Topoisomerasas: rompen una hebra y la tensión del enrrollamiento de la hélice se relaja Helicasas: completan el desenrrollamiento ADN polimerasas: complejos agregados de diferentes proteínas. Primasas: sintetizan los iniciadores de ARN que se necesitan para iniciar la replicación Ligasas: sellan las lagunas 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.

Estructura tridimensional de una helicasa: un hexámero con seis sitios de enlace al ATP. La hidrólisis secuencial de estos ATPs permite el desenrrollamiento de la doble hélice.

La ADN polimerasa

Síntesis del primer de ARN por una primasa

En eucariontes los fragmentos de Okasaki tienen 200 nucleótidos, los primers unos 10. Los iniciadores de ARN se eliminan mediante una ARNasa específica que reconoce dobles hélices híbridas ARN-ADN La laguna es llenada por una polimerasa y la unión finalmente es realizada por una ligasa

La ligasa acopla la hidrólisis de un ATP para hacer más favorable la reacción de unión entre el fosfato y el hidroxilo libre, liberando al final un AMP.

Efecto de las proteínas de enlace con la hebra sencilla del ADN

Estructura de las proteinas de enlace a la hebra sencilla Modelo de la proteína humana

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

Reparación del ADN

Tipos de daño al ADN 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.

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Mecanismos de detección y reparación de daños al ADN Sistemas enzimáticos para reconocer, eliminar y reparar daños inducidos al ADN se han descrito y estudiado bien en bacterias El estudio de los síndromes hereditarios de predisposición al cáncer ha permitido ampliar el conocimiento en el ser humano

Capitulo 14: 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

Modelo simplificado de un gen humano 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 y las no codificantes (UTRs). Dra. Patricia Cuenca Berger INISA

Procesamiento postranscripcional del ARN Corte en 5’ y unión de un “cap”(5-metilguanosina), para proteger del ataque de las exonucleasas, facilitar el transporte núcleo-citoplasma, y el anclaje del ARNm al ribosoma Corte en 3’ y unión de una cola de poli-A (200 AMP), confiere estabilidad y ayuda en la traducción Eliminación de los intrones, por formación de un complejo snARNs-proteinas: “spliceosoma”, el cual es específico. La especificidad de la reacción está dada por la complementaridad de las bases entre los pequeños ARNs nucleares y el ARN transcrito primario

ARN de transferencia activado: cargado con el aminoácido correspondiente

CODIGO GENETICO ARNm

DOGMA CENTRAL DE LA BIOLOGÌA MOLECULAR Hebra molde Transcripción Traducción

TRADUCCIÓN ARN --- Proteína

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

01_03.jpg Estructura general de un aminoácido POLARES Cargados Sus moléculas están parcialmente cargadas

01_03_2.jpg Polares neutros 01_03_2.jpg En sus residuos tienen grupos aminos, hidroxilos o sulfidrilos

01_03_3.jpg No polares o hidrofóbicos 01_03_3.jpg

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

Anemia falciforme: Hemoglobina HbA se transforma en HbS La mutación es un cambio del segundo nucleótido en el codón 6 en la subunidad beta Adenina por timina Ácido glutámico por valina HbS Selección Natural Ventaja heterocigoto Malaria

Variaciones en la secuencia de bases del ADN que no causan alteraciones funcionales patológicas, son alelos o polimorfismos del gen existentes en la población (>1%) Alteraciones en la secuencia de bases del ADN que alteran la función normal (produciendo patología) del producto génico son 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: Sustitución de bases: 1- Sustituciones sinónimas (otro codón : mismo aa) 2- Mutaciones sin sentido (cambio a codón STOP) 3- Mutaciones de sentido equivocado: sustitución del aa en la proteina 4- Mutaciones en el sitio de corte y empalme del ARN.

Otros tipos de mutaciones: a- Mutaciones de cambio en el marco de lectura - deleciones - duplicaciones o insersiones b- Mutaciones dinámicas La patología molecular intenta explicar porque un cambio genético dado podría resultar en un fenotipo clínico particular.

y el mismo resultado clínico Pérdida de función del gen PAX3: Síndrome de Waardenburg tipo I, sordera y anormalidades pigmentarias 16_01.jpg Diferentes tipos de mutaciones afectan al gen, todas causan pérdida de función y el mismo resultado clínico

Cambio fenotípico por dos mecanismos: 1- pérdida o reducción de la función normal. 2- el producto podría adquirir una nueva función. ¿Por qué las mutaciones tienen diferentes tipos de herencia, dominantes, recesivas, etc? Las leyes de Mendel se cumplen en la herencia de algunos rasgos y enfermedades humanas, las que son codificadas por un solo gen. Leyes de Mendel: redescubiertas 1900 Modelo de la doble hélice del ADN: 1953

Mutaciones hereditarias: ¿Dominante o recesiva? Mutaciones recesivas llevan a un producto génico con función reducida o con pérdida de función. - Para la mayoría de los genes, es suficiente el producto de uno de los alelos (la mitad) para que se lleve a cabo la función normal. Por eso es que la mayoría de los errores innatos del metabolismo son recesivos. Mutaciones dominantes llevan a un producto génico con ganancia de función. La ganancia de función causa fenotipos dominantes porque la presencia del producto normal no previene que el producto mutado se “comporte” anormalmente. La adquisición de una nueva función es un evento raro en enfermedades hereditarias, pero muy común en cáncer

Clases de mutaciones: Sustitución de bases: 1- Sustituciones sinónimas (otro codón : mismo aa) 2- Mutaciones sin sentido (cambio a codón STOP) 3- Mutaciones de sentido equivocado: sustitución del aa en la proteina 4- Mutaciones en el sitio de corte y empalme del ARN.

Otros tipos de mutaciones: a- Mutaciones de cambio en el marco de lectura - deleciones - duplicaciones o insersiones b- Mutaciones dinámicas La patología molecular intenta explicar porque un cambio genético dado podría resultar en un fenotipo clínico particular.

y el mismo resultado clínico Pérdida de función del gen PAX3: Síndrome de Waardenburg tipo I, sordera y anormalidades pigmentarias 16_01.jpg Diferentes tipos de mutaciones afectan al gen, todas causan pérdida de función y el mismo resultado clínico

Cambio fenotípico por dos mecanismos: 1- pérdida o reducción de la función normal. 2- el producto podría adquirir una nueva función. ¿Por qué las mutaciones tienen diferentes tipos de herencia, dominantes, recesivas, etc? Las leyes de Mendel se cumplen en la herencia de algunos rasgos y enfermedades humanas, las que son codificadas por un solo gen. Leyes de Mendel: redescubiertas 1900 Modelo de la doble hélice del ADN: 1953

Mutaciones hereditarias: ¿Dominante o recesiva? Mutaciones recesivas llevan a un producto génico con función reducida o con pérdida de función. - Para la mayoría de los genes, es suficiente el producto de uno de los alelos (la mitad) para que se lleve a cabo la función normal. Por eso es que la mayoría de los errores innatos del metabolismo son recesivos. Mutaciones dominantes llevan a un producto génico con ganancia de función. La ganancia de función causa fenotipos dominantes porque la presencia del producto normal no previene que el producto mutado se “comporte” anormalmente. La adquisición de una nueva función es un evento raro en enfermedades hereditarias, pero muy común en cáncer

Variabilidad de los genes Gen Tamaño N° exones ARNt 100 pb 2 b-globina 1.600 pb 3 colágenoVII 31.000 pb 118 Distrofina 2.400.000 pb 79 Genes dentro de genes: Ej: el intrón 27 del gen NF1 contiene 3 genes Genes que se sobreponen: Ej: algunos genes mitocondriales

Proteoma Es el set de genes que codifican para proteínas Distribución por su función en el GH: Procesos ADN (replic, trans, trad.) 22% Metabolismo 17% División celular 12% Defensa 12% Regulación y señales 12% Estructura 8% Función desconocida 17%