1 Dr. Antonio Barbadilla Tema 6: Estructura y replicación del material genético 1 Estructura y replicación del material genético

2 Dr. Antonio Barbadilla Tema 6: Estructura y replicación del material genético 2 Objetivos tema 6: Estructura y replicación del material genético Objetivos tema 6: Estructura y replicación del material genético Deberán quedar bien claros los siguientes puntos: Cómo se descubrió la naturaleza química del material hereditario La composición química de los ácidos nucleicos La estructura 3D del DNA: naturaleza complementaria y antiparalela de la doble cadena del ácido desoxirribonucleico (DNA) La extraordinaria capacidad explicativa del modelo del DNA de la función biológica fundamental de esta molécula La replicación semiconservativa Enzimología de la replicación Deberán quedar bien claros los siguientes puntos: Cómo se descubrió la naturaleza química del material hereditario La composición química de los ácidos nucleicos La estructura 3D del DNA: naturaleza complementaria y antiparalela de la doble cadena del ácido desoxirribonucleico (DNA) La extraordinaria capacidad explicativa del modelo del DNA de la función biológica fundamental de esta molécula La replicación semiconservativa Enzimología de la replicación

3 Dr. Antonio Barbadilla Tema 6: Estructura y replicación del material genético 3 La transformación bacteriana en Streptococcus pneumoniae (Griffith 1928) No muere Muere Muerte por neumoníaCepa resistente Rugosa Lisa

4 Dr. Antonio Barbadilla Tema 6: Estructura y replicación del material genético 4 ¿Cuál es el Principio transformante? Rugosa Lisa Principio

5 Dr. Antonio Barbadilla Tema 6: Estructura y replicación del material genético 5 El elemento transformante es el DNA (1944) Oswald Avery Colin MacLeod Maclyn McCarty Ver animación experimento Ver animación experimento tranformación bacteriana tranformación bacteriana Sólo DNA produce transformación

6 Dr. Antonio Barbadilla Tema 6: Estructura y replicación del material genético 6 Experimento de Alfred Hershey y Martha Chase con fagos (1952) Bacteriófago T4 El DNA es el material infeccioso

7 Dr. Antonio Barbadilla Tema 6: Estructura y replicación del material genético 7 Componentes de los ácidos nucleicos citosina guanina adenina timina

8 Dr. Antonio Barbadilla Tema 6: Estructura y replicación del material genético 8 Reglas de Chargaff 1. Proporción de purinas = Proporción de pirimidinas A + G = C + T 2. A = T 3. G = C

9 Dr. Antonio Barbadilla Tema 6: Estructura y replicación del material genético Año culminante: J. Watson y F. Crick resuelven la estructura tridimensional del DNA (Nature 171: ) Watson y yo hemos encontrado el secreto de la vida

10 Dr. Antonio Barbadilla Tema 6: Estructura y replicación del material genético 10 Dos líneas de evidencia: Reglas de Chargaff Fotografías de difracción de rayos X Año culminante:

11 Dr. Antonio Barbadilla Tema 6: Estructura y replicación del material genético 11 Significado reglas de Chargaff Complementariedad de las bases

12 Dr. Antonio Barbadilla Tema 6: Estructura y replicación del material genético 12 Difracción de rayos X Linus Pauling Hemoglobina

13 Dr. Antonio Barbadilla Tema 6: Estructura y replicación del material genético 13 Crick Rosalind E. Franklin Interpretación del patrón difracción de rayos X del DNA

14 Dr. Antonio Barbadilla Tema 6: Estructura y replicación del material genético 14 Modelo en metal del DNA Concluyen Concluyen : La estructura del DNA es una doble hélice, formada por cadenas orientadas en direcciones opuestas (antiparalelas). La estructura se mantiene gracias a enlaces de hidrógeno entre las bases nitrogenadas que se encuentran orientadas hacia el interior de las cadenas J. Watson y F. Crick

15 Dr. Antonio Barbadilla Tema 6: Estructura y replicación del material genético 15 Doble hélice, formada por cadenas orientadas en direcciones opuestas (antiparalelas). La estructura se mantiene gracias a enlaces de hidrógeno entre las bases nitrogenadas que se encuentran orientadas hacia el interior de las cadenas

16 Dr. Antonio Barbadilla Tema 6: Estructura y replicación del material genético Porcentaje G + C Temperatura de fusión (desnaturalización) Desnaturalización del DNA Separación de las dos hebras por calor Una mayor proporción G-C tiene una mayor temperatura de desnaturalización (‘fusión’)

17 Dr. Antonio Barbadilla Tema 6: Estructura y replicación del material genético 17 Hélices levógiras y dextrógiras

18 Dr. Antonio Barbadilla Tema 6: Estructura y replicación del material genético 18 DNA-B dextrógira

19 Dr. Antonio Barbadilla Tema 6: Estructura y replicación del material genético 19 Ver artículo Ver artículo Nature 1953 Ver artículo Ver artículo Nature 1953

20 Dr. Antonio Barbadilla Tema 6: Estructura y replicación del material genético 20

21 Dr. Antonio Barbadilla Tema 6: Estructura y replicación del material genético 21 La estructura explica: La naturaleza de la secuencia lineal de los genes (información digital cuaternaria en secuencias unidimensionales de monómeros A,T,G,C) El mecanismo de replicación exacta de los genes La naturaleza química de las mutaciones Por qué la mutación, la recombinación y la expresión génica son fenómenos separables a nivel molecular La estructura del DNA suministra una explicación asombrosamente simple del fenómeno de la herencia

22 Dr. Antonio Barbadilla Tema 6: Estructura y replicación del material genético 22 La complementariedad de las bases nitrogenadas permite que la secuencia de una cadena sencilla de DNA actúe como un molde para la formación de una copia complementaria de DNA (replicación) o de mRNA (transcripción) Esencial a la relación íntima entre estructura molecular y función genética del DNA es el concepto de molde

23 Dr. Antonio Barbadilla Tema 6: Estructura y replicación del material genético 23 Y ahora las declaraciones de Watson y Crick sobre el ADN. Esto es para mí la prueba verdadera de la existencia de Dios Salvador Dalí Antes pensábamos que nuestro futuro estaba en las estrellas. Ahora sabemos que está en nuestros genes. James Watson

24 Dr. Antonio Barbadilla Tema 6: Estructura y replicación del material genético 24 Una estructura tan bonita tenía, por fuerza, que existir J. Watson Una estructura tan bonita tenía, por fuerza, que existir J. Watson

25 Dr. Antonio Barbadilla Tema 6: Estructura y replicación del material genético 25 Una estructura tan bonita tenía, por fuerza, que existir J. Watson Una estructura tan bonita tenía, por fuerza, que existir J. Watson

26 Dr. Antonio Barbadilla Tema 6: Estructura y replicación del material genético 26 El DNA contiene información digital cuaternaria en secuencias unidimensionales de monómeros A,T,G,C (cristal aperiódico) El DNA contiene información digital cuaternaria en secuencias unidimensionales de monómeros A,T,G,C (cristal aperiódico)

27 Dr. Antonio Barbadilla Tema 6: Estructura y replicación del material genético 27 Hay grandeza en esta concepción de la vida,... que mientras este planeta ha ido girando según la constante ley de la gravitación, se han desarrollado y se están desarrollando, a partir de un comienzo tan sencillo, infinidad de formas cada vez más bellas y maravillosas Charles Darwin Hay grandeza en esta concepción de la vida,... que mientras este planeta ha ido girando según la constante ley de la gravitación, se han desarrollado y se están desarrollando, a partir de una molécula helicoidal asombrosa, infinidad de formas cada vez más bellas y maravillosas Charles Darwin

28 Dr. Antonio Barbadilla Tema 6: Estructura y replicación del material genético 28

29 Dr. Antonio Barbadilla Tema 6: Estructura y replicación del material genético 29 Replicación del DNA

30 Dr. Antonio Barbadilla Tema 6: Estructura y replicación del material genético de Abril 1953 It has not escaped our notice that the specific pairing we have postulated immediately suggests a possible copying mechanism for the genetic material.

31 Dr. Antonio Barbadilla Tema 6: Estructura y replicación del material genético 31 Posibles modelos de replicación

32 Dr. Antonio Barbadilla Tema 6: Estructura y replicación del material genético 32 Replicación del DNA Semiconservativa: una cadena sirve de molde para una nueva cadena El experimento de M. Meselson y F. Stahl (1958) demuestra que la replicación es semiconservativa Mathew Meselson Frank Stahl

33 Dr. Antonio Barbadilla Tema 6: Estructura y replicación del material genético 33

34 Dr. Antonio Barbadilla Tema 6: Estructura y replicación del material genético 34 Replicación del DNA Enzimas que sintetizan (replican) el DNA E. coli DNA polimerasa I (rellena huecos y repara) DNA polimerasa II y III (función principal en la síntesis) Añade bases en ambas cadenas en la dirección 5’  3’ Requiere un 3’ OH final Eucariotas 5 polimerasas  y  principal en replicación ,  y  exonucleasas Corrección de pruebas: actividad 3’  5’ exonucleotídica. Sustituye bases mal emparejadas (10 -5 ) por correctas (10 -7 ); mecanismos de reparación adicionales la reducen hasta

35 Dr. Antonio Barbadilla Tema 6: Estructura y replicación del material genético 35 Las polimerasas conocidas añaden nucleótidos solamente en la dirección 5’  3’ 5’3’

36 Dr. Antonio Barbadilla Tema 6: Estructura y replicación del material genético 36

37 Dr. Antonio Barbadilla Tema 6: Estructura y replicación del material genético 37 No funcionaría la corrección de errores por falta de un trifosfato que suministre la energía de enlace covalente azúcar-fosfato ¿Por qué no hay una enzima que polimerice en la dirección 3´-> 5?

38 Dr. Antonio Barbadilla Tema 6: Estructura y replicación del material genético 38 Adición 5’  3’

39 Dr. Antonio Barbadilla Tema 6: Estructura y replicación del material genético 39 PPP P P P P PP P OH PP P PP P PP P P P P P P + H 2 O P P OH P P PP P P PP P P PP P PP P PP P P PP 5’ 3’

40 Dr. Antonio Barbadilla Tema 6: Estructura y replicación del material genético 40 Adición 3’  5’ (hipotética)

41 Dr. Antonio Barbadilla Tema 6: Estructura y replicación del material genético 41 P P + H 2 O P PP P P OH PP P PP P P P PPP P P P P P P P P P P P P PP P P PPPPPP PP PP P P PP P P 3’ 5’ Adición 3’  5’ (hipotética)

42 Dr. Antonio Barbadilla Tema 6: Estructura y replicación del material genético 42 Corrección de errores

43 Dr. Antonio Barbadilla Tema 6: Estructura y replicación del material genético 43 PP P P OH PP P PP P PP P P PP P P P P P P P P + H 2 O PP P P OH PP P PP P PP P PP P P P PP 5’ 3’ P Adición 5’  3’

44 Dr. Antonio Barbadilla Tema 6: Estructura y replicación del material genético 44 PP P P OH PP P PP P PP P PPP P P P P P 3’ 5’ P Adición 3’  5’ (hipotètica)

45 Dr. Antonio Barbadilla Tema 6: Estructura y replicación del material genético 45 Replicación del DNA (2) Replicación: continua (cadena adelantada, cebador sólo inicio) y discontinua (cadena retrasada) Discontinua Cebador (pequeño RNA 2-60 nucleótidos añadido por enzima primasa o RNA pol que provee 3’ OH. Fragmento de Okazaki por DNA pol III (1500 bp en procariotas y 150 en eucariotas) Pol I elimina cebador 3’ -> 5’ y llena huecos (gap) Ligación (DNA ligasa, enlace fosfodiéster)

46 Dr. Antonio Barbadilla Tema 6: Estructura y replicación del material genético 46

47 Dr. Antonio Barbadilla Tema 6: Estructura y replicación del material genético 47

48 Dr. Antonio Barbadilla Tema 6: Estructura y replicación del material genético 48 Polimerasa III Polimerasa I

49 Dr. Antonio Barbadilla Tema 6: Estructura y replicación del material genético 49 El cebador es más proclive al error, por lo que debería eliminarse y el RNA puede detectarse y eliminarse fácilmente por la DNApol I ¿Por qué el cebador es RNA?

50 Dr. Antonio Barbadilla Tema 6: Estructura y replicación del material genético 50 El replisoma: complejo enzimático de la replicación que coordina la síntesis de las dos cadenas, maquinaria molecular Dímero de la DNA pol III (núcleos catalíticos) Primosoma: formado por dos enzimas Primasa Helicasa (desenrolla el DNA) Proteína de unión a cadena sencilla, ssb (Unión Y, estabiliza el DNA de cadena sencilla) Topoisomerasas tipo I (rotura una cadena) y II (rotura de dos cadenas) junto a DNA ligasa -> Relajación del superenrollamiento Replicación del DNA (3)

51 Dr. Antonio Barbadilla Tema 6: Estructura y replicación del material genético 51 El replisoma: una maquinaria de replicación extraordinaria

52 Dr. Antonio Barbadilla Tema 6: Estructura y replicación del material genético 52 El replisoma: una maquinaria de replicación extraordinaria

53 Dr. Antonio Barbadilla Tema 6: Estructura y replicación del material genético 53 DNA pol III + abrazadera beta -> Enzima procesiva El replisoma: una maquinaria de replicación extraordinaria

54 Dr. Antonio Barbadilla Tema 6: Estructura y replicación del material genético 54 El replisoma: una maquinaria de replicación extraordinaria

55 Dr. Antonio Barbadilla Tema 6: Estructura y replicación del material genético 55 Topoisomerasas

56 Dr. Antonio Barbadilla Tema 6: Estructura y replicación del material genético 56 Origen de replicación: Secuencia reconocida (Ori C en E. coli) por proteínas iniciadoras. Varios orígenes en eucariotas La replicación es bidireccional Replicación del DNA (4) Horquilla replicación

57 Dr. Antonio Barbadilla Tema 6: Estructura y replicación del material genético 57 En el DNA nuclear de eucariotas hay muchos orígenes de replicación (~500 en levaduras y en mamíferos). Cada unidad de replicación es un replicón. La replicación es bidireccional

58 Dr. Antonio Barbadilla Tema 6: Estructura y replicación del material genético 58 En el DNA nuclear de eucariotas hay muchos orígenes de replicación (~500 en levaduras y en mamíferos). Cada unidad de replicación es un replicón. La replicación es bidireccional

59 Dr. Antonio Barbadilla Tema 6: Estructura y replicación del material genético 59  Watson-Crick original paper (1953 Nature) Watson-Crick original paper (1953 Nature)  Trabajos estelares del descubrimiento de la doble hélice Trabajos estelares del descubrimiento de la doble hélice  DNA: el secreto de la vida (Animación) DNA: el secreto de la vida (Animación)  Celebración 50 aniversario descubrimiento de la doble hélice en la UAB Celebración 50 aniversario descubrimiento de la doble hélice en la UAB  DNA Structure DNA Structure  The Search for DNA - The Birth of Molecular Biology The Search for DNA - The Birth of Molecular Biology  Image Library of Biological Macromolecules - DNA DNA berkeley Image Library of Biological Macromolecules - DNA DNA berkeley  DNA Learning Center DNA Learning Center  Beginner's guide to Molecular Biology Beginner's guide to Molecular Biology  Glosario de Genética molecular Glosario de Genética molecular  DNA Replication DNA Replication  Animación de la replicación Animación de la replicación Links de interés