Ácidos Nucleicos (ADN y ARN) Salvador Resino García

Ácidos Nucleicos -Ácido fosfórico Pentosa (ribosa o desoxirribosa) DNA (ácido desoxirribonucleico) RNA (ácido ribonucleico) -Ácido fosfórico Pentosa (ribosa o desoxirribosa) -Bases nitrogenadas Cada monómero de ácido nucleico es un nucleótido formado por la unión del ácido fosfórico + azucar (ribosa, desoxiribosa) + base nitrogenada

Enlace fosfodiester Ácido fosfórico - Une los nucleótidos entre sí asociando las pentosas de dos nucleótidos consecutivos - La unión se produce con el carbono 3’ de un nucleósido con el carbono 5’ del siguiente - Enlace de alta energía muy estable.

Azúcar y base nitrogenada DNA Y RNA (Diferencias)

e.g., AMP is a ribonucleotide, dAMP is a deoxyribonucleotide

DNA: ESTRUCTURA DE LA DOBEL HELICE

Composición en bases del DNA en algunas especies A G C T Hombre, H.sapiens 0.29 0.18 0.18 0.31 Bovino, Bos taurus 0.26 0.24 0.23 0.27 Levadura, S.cerevisiae 0.30 0.18 0.15 0.29 Mycobacterium sp. 0.12 0.28 0.26 0.11 Reglas de Chargaff 1. La relación purinas/pirimidinas es igual a 1 Es decir, A+G = C+T 2. En todos los DNA estudiados, la proporción molar de A es igual a la de T, y la de G igual a la de C. Es decir, A = T y G = C

Modelo de Watson-Crick

Modelo de Watson-Crick 3. El eje ribosa-fosfato se sitúa hacia el exterior de la doble hélice, en contacto con el solvente 4. Mientras que las bases nitrogenadas (anillos planares) se sitúan, apiladas, hacia el interior de la estructura, en un entorno hidrofóbico

Modelo de Watson-Crick 0.34 nm 5. Las bases están situadas en planos aproximadamente perpendiculares al eje mayor de la doble hélice. La distancia entre planos es de 0.34 nm

Modelo de Watson-Crick 6. Cada base interacciona con su opuesta a través de enlaces de hidrógeno, y de manera que: Adenina (A) sólo puede nteraccionar con timina (T) (y viceversa), a través de dos puentes de hidrógeno. Guanina (G) sólo puede nteraccionar con citosina (C) (y viceversa), a través de tres puentes de hidrógeno

Modelo de Watson-Crick 10. El eje de la doble hélice no pasa por el centro geométrico del par de bases. Esto determina que la hélice presente un surco ancho y un surco estrecho

Modelo De WATSON-CRICK Cada molécula de DNA está formada por dos largas cadenas de polinucleótidos que corren en direcciones opuestas formando una hélice doble alrededor de un eje imaginario central. De esta forma la polaridad de cada cadena es opuesta Cada nucleótido está en un plano perpendicular al de la cadena polinucleótida Las dos cadenas se encuentran apareadas por uniones de hidrógeno establecidas entre los pares de bases El apareamiento es altamente específico. Existe una distancia física de 11 A entre dos moléculas de desoxirribosa en las cadenas opuestas (sólo se pueden aparear una base púrica con una pirimídica. A-T G-C entre A y T hay dos puentes de hidrógeno y entre G-C hay tres. Son imposibles otras uniones) La secuencia axail de bases a lo largo de una cadena de polinucleótidos puede variar considerablemente, pero en la otra cadena la frecuencia debe ser complementaria

Modelo De WATSON-CRICK

Interacciones débiles que mantienen la estructura del DNA 5’ 3’ 1. Enlaces de hidrógeno entre bases complementarias 2. Interacciones hidrofóbicas entre planos de bases contiguos (int. de apilamiento, stacking) 3. Interacciones iónicas del fosfato con moléculas electropositivas (histonas, poliaminas, etc.) 5’ 3’

Curvas de fusión: Estudio de estabilidad del DNA Tm= temperatura a la cual el 50% del DNA es fusionado Base de muchas técnicas de biología molecular.

G-C content determines melting temperature: varies among organisms La desnaturalización térmica del DNA sigue una curva sigmoide. El punto medio, Tm, está relacionado con el contenido en G+C. Así, la muestra B tiene un mayor contenido en G+C que A. La Tm es característica de cada especie

Implicaciones genéticas del modelo 1. El material genético ha de ser lineal y aperiódico; el DNA cumple esa condición. 2. El apareamiento de bases sugiere un modelo para la replicación del mismo de forma que las dos moléculas hijas son idénticas a la parental: 5’-CGTTGCAATTGCGAT-3’ 3’-GCAACGTTAACGCTA-5’ 5’-CGTTGCAATTGCGAT-3’ 3’-GCAACGTTAACGCTA-5’ 5’-CGTTGCAATTGCGAT-3’ 3’-GCAACGTTAACGCTA-5’

Implicaciones genéticas del modelo 3. La reactividad de las bases y la estructura general del DNA explican perfectamente la acción de los mutágenos químicos 4. La tautomería de las bases explica en parte las tasas de mutación espontánea: Par Timina (ceto) - Adenina Par Timina (enol) - Guanina

DNA-A DNA-Z 1. Doble hélice plectonémica y levógira 1. Doble hélice plectonémica y dextrógira 2. Planos de bases oblicuos respecto al eje de la doble hélica 3. Propio de RNAs en doble hélice, o de híbridos DNA-RNA 4. Más ancha y corta que DNA-B 1. Doble hélice plectonémica y levógira 2. Zonas de secuencia alternante -GCGC- 3. Conformación de G es syn- en lugar de anti- 4. Más estrecha y larga que DNA-B

Superhélices de DNA El DNA se presenta habitualmente en forma de superhélices, cuando la doble hélice, a su vez, se enrolla sobre sí misma. Esto permite el empaquetamiento de la molécula en el interior de la célula o del núcleo celular.

DNA circular: plasmidos,genoma bacteriano

Nucleosomas DNA mide aproximadamente 2 metros de largo. Estructura repetitiva de cromatina. Estructura “beads-on-string”. Forma dada por la H1: Zig-Zag Lineal Modelo del Solenoide. Histonas: 2H2a, 2H2b, 2H3, 2H4 DNA: aprox. 196 pares de bases

Histonas Hay 5 tipos diferentes: H1, H2A, H2B, H3 y H4. Poseen un alto grado de conservación entre organismos. La histona H3 es la mejor conservada, también lo son la H2A y H2B, no así la H1. Hay dos fuentes de variabilidad: Reiteración génica Modificación post-traslacional La principal modificación en las histonas es la acetilación, importante rol en la actividad génica. Entre otras modificaciones se encuentra la metilación y la fosforilación de residuos como Ser, Treonina, Lys, His.

ESTRUCTURA DEL RNA 5’ 2’-OH en la pentosa Uracilo en lugar de timina -Constituido por ribonucleótidos (nucleótidos de ribosa) -Los ribonucleótidos se unen entre sí, igual que en el DNA, a través de un ácido fosfórico en sentido 5’3’ -El RNA es casi siempre monocatenario 3’

RNA Los distintos tipos de RNA permiten la expresión fenotípica del DNA: Como mensaje genético que determina la secuencia de aminoácidos en la síntesis de proteína: RNA mensajero o mRNA Como molécula que activa a los aminoácidos para poder ser incorporados en una nueva proteína: RNA de transferencia o tRNA Como elemento estructural básico de las partículas encargadas de llevar a cabo la síntesis proteica, los ribosomas: RNA ribosómico o rRNA

Características Reactividad química: El RNA, al tener el grupo 2’-OH, es mucho más reactivo químicamente que el DNA. En concreto, puede ser completamente hidrolizado por álcali a una mezcla de 2’- y 3’-nucleótidos. Estructura tridimensional: Las formas en doble hélice del RNA adoptan la configuración A (en lugar de la B, propia del DNA), así como los híbridos DNA-RNA. La pentosa aparece en forma endo-3’ (y no endo-2’) En el RNA son frecuentes las bases y nucleósidos anómalos Bases anómalas Nucleósidos anómalos

Características Tamaño molecular: aun con ser grande, es de bastante menor tamaño que el DNA. Está presente en todas las células, sean del tipo que sean. RNA como material genético: Algunos virus tienen como material genético el RNA. Entre éstos, los hay que a partir de su RNA sintetizan un DNA complementario mediante una enzima conocida como transcriptasa inversa. Son los retrovirus. RNA como enzima: Algunos RNA son capaces de catalizar reacciones químicas del mismo modo que las enzimas (ribozimas). Participa en el procesado del transcrito primario para dar lugar al RNA mensajero o mRNA, Participa en la formación de enlace peptídico en la síntesis de proteínas.

Unión del aminoácido al extremo 3’ del tRNA RNAt

Secondary structure diagram Tertiary structure diagram Tetrahymena rRNA intron Cr.LSU rRNA intron

Replicación del DNA

Características El DNA es el portador del mensaje genético La cantidad de DNA en las células de individuos de la misma especie es constante Cuanto más compleja es la especie mayor cantidad de DNA contiene La luz ultravioleta de 360 nm es la más absorbida por el DNA y la qué provoca más mutaciones (reconocidas por una descendencia anormal) Debido a la temporalidad de los seres vivos para que una especie no se extinga ha de haber al menos un momento en el que la información biológica (características morfológicas y fisiológicas) se replique y a partir de esas copias aparezcan los descendientes.

El proceso de duplicación del DNA es controlado enzimáticamente, asegurando así una alta fidelidad en la información que contiene la copia. Entre las enzimas que participan en el proceso de replicación o duplicación del DNA tenemos: DNA polimerasa, participa en la replicacion y reparación del DNA. Topoisomerasas, desenrollan al DNA. Helicasas, separan las dos hebras del DNA para que cada una actúe como molde. Primasas, sintetizan al RNA cebador usando como molde una hebra del DNA. Nucleasas, rompen una de las hélices, dando lugar a un origen de replicación, reparan lesiones del DNA. Ligasas, unen fragmentos de DNA adyacentes a través de enlaces fosfodiester.

Características de la Replicación del DNA La duplicación consiste en la disociación de las dos cadenas de forma que cada una sirve como molde para la síntesis de dos hebras complementarias, produciéndose dos moléculas de DNA con igual constitución molecular Es semiconservativa ya que al final de la duplicación, cada molécula de DNA presenta una hebra original y una hebra nueva. Es bidireccional, ya que a partir de un punto dado, la duplicación progresa en dos direcciones. La replicación avanza adicionando mononucleótidos en dirección 5' → 3' Es semidiscontinua, ya que en una de las hebras (hebra conductora) sesintetizan filamentos bastante grandes y de forma continua, mientras que en la otra (hebra retardada) la síntesis es discontinua, ya que se van sintetizando fragmentos pequeños que se disponen de manera separada.

Gen Un gen es un fragmento de ácido nucleico que tiene información para un determinado carácter y ocupa una posición fija en el hilo de DNA (LOCUS). Para un mismo locus puede haber más de un tipo de información. Cada información que hay en un mismo locus se le llama ALELO

Alteración en la Secuencia de Nucleótidos: mutaciones Las mutaciones posibilitan la aparición de individuos distintos Existe la posibilidad de que alguno de los nuevos individuos se adapte a las posibles variaciones ambientales Las mutaciones aparecen por acción de agentes externos (radiaciones, agentes químicos, virus, etc.) o causa interna (error de copia, entrecruzamientos, recombinación genética).

La Expresión del Mensaje Genético Las instrucciones para construir las proteínas están codificadas en el DNA y las células tienen que traducir dicha información a las proteínas. El proceso consta de dos etapas: 1.- En el núcleo se pasa de una secuencia de bases nitrogenadas de un gen DNA a una secuencia de bases nitrogenadas complementarias que pertenecen a un mRNA (TRANSCRIPCIÓN) 2.- En los ribosomoas se pasa de una secuencia de ribonucleótidos de mRNA a una secuencia de aminoácidos (TRADUCCIÓN)

El Código Genético Existen 20 aminoácidos diferentes y sólo 4 nucleótidos en el mRNA. Se pueden construir 64 tripletes mediante combinaciones con repetición de los 4 nucleótidos tomados de tres en tres. A cada triplete se le llama CODÓN Es universal, pues lo utilizan casi todos los seres vivos conocidos. Solo existen algunas excepciones en unos pocos tripletes en bacterias. No es ambiguo, pues cada triplete tiene su propio significado Todos los tripletes tienen sentido, bien codifican un aminoácido o bien indican terminación de lectura. Está degenerado, pues hay varios tripletes para un mismo aminoácido, es decir hay codones sinónimos. Carece de solapamiento,es decir los tripletes no comparten bases nitrogenadas. Es unidireccional, pues los tripletes se leen en el sentido 5´-3´.

  El Código Genético    

Organización básica del material genético en bacterias Las bacterias contienen una sola molécula de DNA circular en su citoplasma, que posee todos los genes necesarios para la vida de la bacteria. No está contenido en un núcleo. Plásmido o DNA extracromosómico, que es opcional según especie y cepa, y confiere nuevas propiedades a la bacteria Genoma bacteriano o DNA cromosómico, que es una sola molécula bicatenaria circular De forma opcional, puede poseer elementos genéticos extracromosómicos, adquiridos por procesos de intercambio genético entre bacterias. Se trata de los plásmidos. Estos elementos poseen la propiedad de conferir nuevas capacidades a la bacteria, y pueden replicarse de forma autónoma respecto al DNA cromosómico.

Organización básica del Genoma Bacteriano El DNA cromosómico se organiza para constituir genes, con escaso material intergénico La mayor parte de estos genes se presentan de forma única en el genoma. Es el caso de los factores de virulencia proteicos o exotoxinas

Organización básica del Genoma Bacteriano La mayor parte del genoma bacteriano está constituido por genes que codifican proteínas estructurales, enzimas metabólicas o factores de virulencia. Se encuentran habitualmente en una sola copia, lo que hace que una mutación en los mismos condicione una función bacteriana. El genoma contiene, a su vez, múltiples copias de los genes que codifican el RNA ribosómico 16S, que forma parte de la subunidad menor del ribosoma. Estos genes tienen secuencias muy conservadas entre las distintas familias bacterianas, así como regiones muy divergentes, incluso dentro de la misma especie bacteriana. Por ello, su estudio permite establecer relaciones filogenéticas entre bacterias, y determinar la variabilidad genética de las distintas poblaciones de una especie.

Organización básica del Genoma Humano Los genes eucariotas contienen secuencias codificantes denominadas exones, separadas entre sí por otras no codificantes llamadas intrones. Durante el procesamiento del mRNA, se eliminan las secuencias de los intrones, fenómeno conocido como corte-empalme o splicing promotor E1 E2 E3 E4 E7 E5 E6 I1 I3 I2 I6 I4 I5 Cada exón suele corresponderse con un dominio de la cadena polipeptídica. El dominio es una región del polipéptido con una localización y función definida dentro de la proteína final y la célula. Una proteína tiende a estar constituida por varias cadenas, por lo que entran en juego varios genes

Organización básica del Genoma Humano

Organización básica del Genoma Humano

Organización básica del Genoma Humano

¿Qué aplicaciones tiene el análisis de ácidos nucleicos en Microbiología? DNA RNA Se emplea para confirmar la presencia de patógenos en muestras clínicas y, en ocasiones, para cuantificarlos Se emplea para cuantificar la expresión de factores de virulencia microbianos, o para cuantificar RNA-virus

No suele utilizarse en el diagnóstico de rutina ¿Qué aplicaciones tiene el análisis de ácidos nucleicos en enfermedades genéticas de herencia mendeliana? DNA RNA Se emplea para confirmar la presencia de mutaciones causantes de la enfermedad, ya sea prenatal o de forma posterior al nacimiento No suele utilizarse en el diagnóstico de rutina

¿Qué aplicaciones tiene el análisis de ácidos nucleicos en la susceptibilidad a enfermedades multifactoriales? DNA RNA Se emplea para confirmar la presencia de polimorfismos favorecedores de la enfermedad (asma, infarto, ...), para la detección de mutaciones en genes asociados a cáncer familiar, y para mutaciones del DNA en tejidos tumorales Se utiliza, aún de forma experimental, para estudiar las diferencias en la expresión de genes entre tejidos sanos y tumorales, empleando los microarrays o microchips