Bioquímica de los Acidos Nucleicos

Bioquímica de los Acidos Nucleicos
CA García Sepúlveda MD PhD Laboratorio de Genómica Viral y Humana Facultad de Medicina, Universidad Autónoma de San Luis Potosí

Sesión #2 Principios Generales y Bioquímica del DNA Dogma Central de la BioMol
Propuesto inicialmente por Francis Crick en 1958 y replanteado en 1970. Como en el dogma de fe, corresponde a un conjunto de normas o creencias indispensables para comprender el concepto de flujo de la información genética a través de biopolímeros y en organismos vivos (de acuerdo a nuestros conocimientos actuales)... 3x3 Propone 3 clases de biopolímeros: DNA, RNA y polipéptidos. Propone 3 modalidades de transferencia de información entre estos biopolímeros: modalidad general, especial y modalidad improbable desconocida. Cada modalidad posee 3 direcciones de transferencia

Sesión #2 Principios Generales y Bioquímica del DNA Dogma Central de la BioMol
Las tres direcciones generales son: de DNA a DNA (Replicación). de DNA a RNA (Transcripción). de RNA a AA (Traducción). * Ocurren de manera normal en la mayoría de las células. Las tres direcciones especiales son: de RNA a RNA (Replicación de RNA). de RNA a DNA (Retro-transcripción). de DNA a AA (Solo in vitro). *Ocurren de manera extraordinaria, pero ocurren. Las tres direcciones desconocidas son: de AA a DNA (Evolución inteligente). de AA a RNA (Otra forma de evolución inteligente). de AA a AA (NOTA: priones). * Actualmente se piensa que no ocurren nunca.

Sesión #2 Principios Generales y Bioquímica del DNA Principios Bioquímicos
¿Qué es el DNA? El DNA es una molécula bicatenaria (duplex), antiparalela y complementaria.

¿Qué es el DNA? El DNA es una molécula BICATENARIA (duplex), antiparalela y complementaria. Cadena #1 Cadena #2

¿Qué es el DNA? El DNA es una molécula bicatenaria (duplex), ANTIPARALELA y complementaria. 5' 3' Cada cadena de DNA posee un extremo 5' y otro 3' (según la orientacion de la desoxirribosa). 3' 5'

¿Qué es el DNA? El DNA es una molécula bicatenaria (duplex), antiparalela y COMPLEMENTARIA. A T T A Cuando no se encuentran formando parte de un duplex las cadenas aisladas de DNA se denominan ssDNA. G C C G A T T A G C C G A T T A G C C G

¿Qué es el DNA? 3.4 nm (34 Å) 0.34 nm (3.4 Å) Hendidura mayor y menor (ambientes topológicos distintivos que permiten interacciones proteicas diferentes). Mayor Bases expuestas (TF) Minor Bases menos expuestas. 2 nm (20 Å)

¿Qué es el DNA? Hendidura mayor y menor (ambientes topológicos distintivos que permiten interacciones proteicas diferentes). Mayor Bases expuestas (TF) Minor Bases menos expuestas. 3.4 nm (34 Å) 0.34 nm (3.4 Å) 2 nm (20 Å)

¿Qué es el DNA? El DNA (al igual que el RNA) es un polímero biológico.

Sesión #2 Principios Generales y Bioquímica del DNA Nucleótidos
Constituyen la unidad estructural del DNA y RNA Participan en el metabolismo formando parte de varios cofactores (CoA, flavina, nicotinamida). Participan en la señalización intracelular Formados por tres subunidades químicas Una base nitrogenada

Constituyen la unidad estructural del DNA y RNA Participan en el metabolismo formando parte de varios cofactores (CoA, flavina, nicotinamida). Participan en la señalización intracelular Formados por tres subunidades químicas Una azúcar de cinco carbonos (Pentosa)

Constituyen la unidad estructural del DNA y RNA Participan en el metabolismo formando parte de varios cofactores (CoA, flavina, nicotinamida). Participan en la señalización intracelular Formados por tres subunidades químicas Un grupo fosfato

Sesión #2 Principios Generales y Bioquímica del DNA Bases nitrogenadas
Purinas Pirimidinas Enlace glucosídico

Numeración de átomos de las purinas 6 7 5 1 8 2 4 3 9 Anillo bencénico tiene tres C en fila Uno de ellos tendrá cadena lateral (rama NH2 u O2) = #6 El nitrógeno que se encuentre a lado de C6 = #1 Unidos a pentosa por N9

Numeración de átomos de las purinas La Guanina a diferencia de la Adenina se encuentra OXIDADA

Numeración de átomos de las pirimidinas Unidos a pentosa por N1 El carbono aledaño a N1 que esté unido a O2 será #2 4 5 3 6 2 1

Numeración de átomos de las pirimidinas La Timina y el Uracilo se distinguen de la Citosina por estar doblemente oxidados.

Numeración de átomos de las pirimidinas La Timina se encuentra Metilada mientras que el urcailo no.

Sesión #2 Principios Generales y Bioquímica del DNA Pentosas
Las bases nitrogenadas se unen al C1 de la pentosa a través de N9 (purinas) o N1 (pirimidinas).

La numeración de los átomos de la pentosa toma en cuenta que el carbono #5 siempre se encuentra fuera de la estructura cíclica.

Para distinguir la numeración de los átomos de las bases de aquella de los átomos de las pentosas se usa el símbolo prima (') para las PENTOSAS. Su orientación indica la polaridad de una cadena de ácido nucleíco 5´ vs 3´.

C2' puede estar oxidado o reducido (desoxidado). El tipo de pentosa distingue al DNA (Acido Desoxyrribonucleico) del RNA (Acido Ribonucleico)

Sesión #2 Principios Generales y Bioquímica del DNA Fosfato
Se une al carbono 5' de la pentosa También es responsable de una dicotomía en la nomenclatura. Un grupo fosfato

Sesión #2 Principios Generales y Bioquímica del DNA Fosfato
Se une al carbono 5' de la pentosa También es responsable de una dicotomía en la nomenclatura. Nucleósido Nucleótido

Adenina (A) Adenosina (A) Adenosimonofosfato (AMP)
Sesión #2 Principios Generales y Bioquímica del DNA Nomenclatura correcta Base nitrogenada Nucleósidos Nucleótidos Adenina (A) Adenosina (A) Adenosimonofosfato (AMP) Guanina (G) Guanosina (G) Adenosindifosfato (ADP) Citosina (C) Citidina (C) Adenosintrifosfato (ATP) Timina (T) Timidina (T) Los nucleósidos y nucleótidos mencionados corresponden a los del RNA, la nomenclatura en DNA es: Desoxiadenosina = dA Desoxiadenosinmonofosfato = dAMP

Sesión #2 Principios Generales y Bioquímica del DNA Fosfatos
Fosfatos y enlaces fosfodiester = Polimerización de ácidos nucléicos El fosfato del extremo 5' de un nucleótido forma enlaces fosfodiester con el carbón 3' de un nucleótido aledaño a través de un proceso de condensación

Fosfatos y enlaces fosfodiester = Polimerización de ácidos nucléicos El fosfato del extremo 5' de un nucleótido forma enlaces fosfodiester con el carbón 3' de un nucleótido aledaño a través de un proceso de condensación Esto explica la orientación o polaridad 5' y 3’ de los ácidos nucleicos.

Fosfatos y enlaces fosfodiester = Polimerización de ácidos nucléicos Cada enlace fosfodiester conlleva una carga electroestática de -1 por lo cual la carga neta del polímero de nucleótidos (DNA) es negativa.

Fosfatos y carga negativa del DNA responsable de migración electroforética. (-) (-) (-) (-) (-) (-) (-) (-)

Fosfatos y enlaces fosfodiester = Polimerización de ácidos nucléicos Debido a que las pentosas y los fosfatos realmente solo cumplen con funciones estructurales (no son el sustrato informativo de una secuencia de DNA), se les considera como el armazon del DNA (Backbone).

Fosfatos y enlaces fosfodiester = Polimerización de ácidos nucléicos Al igual que todos los polímeros, los ácidos nucleicos se encuentran polarizados. Un andamiaje hidrofílico por fuera y un coro hidrofóbico por dentro. Inevitablemente esta distribución topológica de características provoca interacciones interesantes....APAREAMIENTO DE BASES.

Sesión #2 Principios Generales y Bioquímica del DNA Apareamiento de bases
Puentes de hidrógeno, Complementariedad, Desnaturalización e Hibridización. Los nucleótidos polimerizados del ssDNA tendrán expuestos átomos de H y O... Termodinamicamente muy inestable. Estos átomos dan lugar a puentes de hidrógenos (NO COVALENTES) entre algunas bases. Solamente algunas bases son compatibles: COMPLEMENTARIEDAD.

Puentes de hidrógeno, Complementariedad, Desnaturalización e Hibridización. Al combinar los hallazgos de Chargaff que nos decían que A = T y que G=C con las mediciones cristalográficas de Franklin y Wilkins y el modelo de Watson y Crick sabiamos que solo algunas combinaciones de bases eran posibles.

Puentes de hidrógeno, Complementariedad, Desnaturalización e Hibridización. ...y así es como sabemos que la A se aparea con la T y que la G con la C... Que entre la A y la T se dan dos puentes de hidrógeno. Que entre la G y la C se dan tres puentes de hidrógeno. Apareamiento clásico de bases Watson-Crick. Por ello la G y la C se consideran interacciones S (strong), mientras que la A y la T se consideran interacciones W (weak).

Puentes de hidrógeno, Complementariedad, Desnaturalización e Hibridización. Los puentes de hidrógeno individuales son muy debiles pero su poder acumulado hacen del DNA la molécula ideal para almacenar información y perpetuarla.

Sesión #2 Principios Generales y Bioquímica del DNA Enlaces no-covalentes: Puentes de hidrógeno
Breviario cultural Four Main Types of Noncovalent Interactions in Cells: Hydrogen Bond (H-Bonds): Specialized polar interaction where the positive hydrogen (H) atom is partially shared by two negative atoms. Hydrogen (H) is a proton that is partially dissociated from the donor atom so it can be shared with a second acceptor atom: H bonds: Properties and Characteristics: individual H-bonds are very weak ~ 1/20th the strength of covalent bond multiple H-bonds together are strong highly directional; strongest when atoms are arranged in a straight-line. Water weakens H-bonds by forming competing H-bonds.

Sesión #2 Principios Generales y Bioquímica del DNA Enlaces no-covalentes: Iónicos
Breviario cultural Four Main Types of Noncovalent Interactions in Cells: Ionic bonds: Electrostatic interactions between atoms of opposite charge (+) and (- ); Ionic bonds are formed by atoms that can fill outer shell by transferring electrons from another atom, instead of sharing electrons. Water molecules “cluster” to orient around fully charged ions and polar groups that contain permanent dipoles, this reduces the attraction between oppositely charged ions or polar groups: Water significantly decreases ionic interactions.

Sesión #2 Principios Generales y Bioquímica del DNA Enlaces no-covalentes: Atracciones VdW
Breviario cultural Four Main Types of Noncovalent Interactions in Cells: (3) Van der Waals attractions: Fluctuation of the electron cloud around any nonpolar atom forms a transient dipole that induces an opposite transient dipole in a nearby atom, causing a very weak attraction between the atoms. Two macromolecules with complementary molecular surfaces can bind together very tightly as a result of multiple, weak noncovalent interactions, which together have a very large effect(s). (Van der Waals forces are not weakened by water). Fig 2-16 Macromolecules bind together very tightly if they have matching complementary surfaces that interact through multiple noncovalent bonds. This is critical for biological interactions between proteins! In the figure, the plus (+) and minus (-) signs mark chemical groups that can attract each other if opposite charges are aligned in pairs (+) (- ) in close proximity.

Sesión #2 Principios Generales y Bioquímica del DNA Enlaces no-covalentes: Attracción Hidrófoba
Breviario cultural Four Main Types of Noncovalent Interactions in Cells: (4) Hydrophobic forces: Water lattice: Water molecules join together transiently via H-bonds; even at 37C (98F) ~15% of water molecules are joined to four other water molecules in an H-bonded water network (lattice). This causes water molecules to have a cohesive property resulting in high surface tension, etc. Water forces hydrophobic groups together because clustering the hydrophobic groups reduces the disruptive effects on H-bonded water network (lattice). Repulsion from water results in attraction between hydrophobic groups called hydrophobic bonds.

Why is this biologically important?
Sesión #2 Principios Generales y Bioquímica del DNA Enlaces covalentes: Fosfodiester Enlace covalente: se forma cuando dos átomos se aproximan lo suficiente como para compartir electrones. Single bond: one electron from each of the two atoms is shared Double bond: four electrons are shared Hydrogen bonds are NOT COVALENT Why is this biologically important? Fig 2-8 Covalent bonds have a defined spatial arrangement of atoms. Fig 2-9 Covalent double bonds restrict rotation around bonds between atoms.

Sesión #2 Principios Generales y Bioquímica del DNA Enlaces covalentes: Polares
Breviario cultural Polar bond: A covalent bond, where one of the atoms has a higher attraction for the electrons in the bond than the other atom. The bond is polar: one end slightly negatively charged and the other end slightly positively charged. Example Water: Overall charge on water molecule is neutral (#electrons = #protons) but the electrons are asymmetrically distributed, so the water molecule is polar. Oxygen pulls electrons away from the hydrogen nuclei leaving a small net positive charge. Excess of electrons on the oxygen atom creates a small net negative charge at opposite side. small net (-) negative charge Small net (+) positive charge Fig 2-12 Water molecules: (A) line drawing, (B) ball and stick model, (C) spacefill shows geometry of molecule and the van der Waals radii Fig 2-10 Water is polar; Oxygen is nonpolar

Geometria de las bases Watson-Crick apareadas Helical twist (Ω) Coplanar Propeller twist (w) Buckle (k) Roll (twist coplanar) Buckle

Geometria de las bases Watson-Crick apareadas Coplanar

Geometria de las bases Watson-Crick apareadas Propeller twist (w)

Geometria de las bases Watson-Crick apareadas Buckle (k)

Geometria de las bases Watson-Crick apareadas Helical twist (Ω)

Geometria de las bases Watson-Crick apareadas Roll (propeller coplanar)

Geometria de las bases Watson-Crick apareadas

Sesión #2 Principios Generales y Bioquímica del DNA Conformaciones
La conformación del enlace entre las bases nitrogenadas y la pentosa es responsable de estas diferencias (enlace glucosídico). Dos conformaciones de la pentosa (C2' endo o C3' endo) dictan angulos del enlace glucosídico diferentes (anti y syn, respectivamente) y con ello el acercamiento (0.5 nm) o distanciamiento (0.7 nm) del armazón (grupos fosfato unidos a la pentosa). Anti – Avion Syn - Soldado

La conformación del enlace entre las bases nitrogenadas y la pentosa es responsable de estas diferencias (enlace glucosídico). Dos conformaciones de la pentosa (C2' endo o C3' endo) dictan angulos del enlace glucosídico diferentes (anti y syn) y con ello el acercamiento (0.5 nm) o distanciamiento (0.7 nm) del armazón (grupos fosfato unidos a la pentosa). Anti – Avion Syn - Soldado

A DNA, B DNA & Z DNA La estructura tridimensional del DNA fue propuesta por Watson & Crick en base a los hallazgos cristalográficos de Franklin y Wilkins en 1953. La conformación clásica del DNA propuesta por Watson & Crick consiste en dos cadenas polinucleotídicas antiparalelas y complementarias en forma de helice alfa (sentido antihorario de 5' a 3').

A DNA, B DNA & Z DNA No obstante, cambios conformacionales de la pentosa modifican el marco estructural del DNA y con ello la orientación de las bases nitrogenadas. Tres conformaciones para el DNA: A, B y Z Conformación B es la típica de Watson & Crick y la más común in vivo. Conformación A ocurre cuando el DNA está deshidratado. La Conformación Z ocurre como consecuencia de ciertas secuencias de bases, ricas en AT y secuencias repetitivas de telomeros y centromeros.

Propeller twist (w)

Anti Syn

Sesión #2 Principios Generales y Bioquímica del DNA DNA-A
Conformación de pentosa en C3’-endo lleva a syn y a que los dos grupos fosfato se aproximen (a 0.59 nm). Las bases nitrogenadas se encuentran bajo torsión y a 0.5 nm del eje de la hélice. Los escalones separados por nm en vez de 0.34 nm. Hélice es más ancha y posee 11 bases por cada vuelta de 360°. Hendidura mayor (M) es profunda pero angosta. Hendidura menor (m) es ancha y superficial. Conformación usual para cadenas de RNA e hibridos DNA-RNA. Conformación usual en fragmentos de DNA cortos. Coro axial m M A B

Sesión #2 Principios Generales y Bioquímica del DNA DNA-B
Estructura cristalográfica de Franklin & Wilkins. Conformación de pentosa en C2'-endo lleva a que las bases nitrogenadas se encuentren más relajadas y pucker en anti. Grupos fosfato lejos uno del otro (0.7 nm). 10.4 o 10.5 bases por giro de 360°. Rotación hacia la derecha en sentido 5’ - 3'. Escalones de bases separados por 0.34 nm. Hendiduras M y m más accesibles a proteinas. Bases no torsionadas y perpendiculares al eje molecular. Permite libertad de flexión de 15° (muy util si uno quiere compactar el DNA). Conformación fisiologica de DNA A B m M

Sesión #2 Principios Generales y Bioquímica del DNA DNA-Z
Helice con giro a la izquierda en sentido 5' - 3'. Presente in vivo cuando existe la secuencia apropiada y una tensión superhelicoidal correspondiente. Hélice más delgada y elongada que A o B (12 bases por giro 360°). M imperceptible. M angosta. Conformación favorecida ante altas concentraciones de sales, con algunas substituciones de bases y cuando la secuencia posee alternaciones purina- pirimidina. Bases casi perpendiculares al eje molecular. Distancias entre grupos fosfato variables. Eje central de molécula inaccesible.

Apareamiento alternativo
Sesión #2 Principios Generales y Bioquímica del DNA Apareamiento no-clasico de bases Apareamiento alternativo A.T Watson-Crick A.A N1-amino symmetric G.C Watson-Crick A.C Reverse Wobble A.U Watson-Crick A.A N7-amino symmetric G.U Wobble G.G N1-carbonyl symmetric A.U Reverse Hoogsteen G.G N3-amino symmetric A.C Reverse Hoogsteen G.G N1-carbonyl,N7-amino Sheared G.A G.A N7-N1 amino-carbonyl G.A imino A.G N3-amino,amino-N1 A.A.N7-amino C.C N3-amino symmetric G.G.N7-imino U.U 4-carbonyl-imino symmetric U.U imino-carbonyl U.U 2-carbonyl-imino symmetric U.C 4-carbonyl-amino U.C 2-carbonyl-amino A.U Reverse Watson-Crick G.C Reverse Watson-Crick G.U Reverse Wobble G.C N3-amino,amino-N3 A.U Hoogsteen

Apareamiento alternativo
Sesión #2 Principios Generales y Bioquímica del DNA Apareamiento no-clasico de bases A:U 1 y 6 en WC versus 6 y 7 en Hg 6 Apareamiento alternativo 1 A.T Watson-Crick A.A N1-amino symmetric G.C Watson-Crick A.C Reverse Wobble A.U Watson-Crick A.A N7-amino symmetric G.U Wobble G.G N1-carbonyl symmetric A.U Reverse Hoogsteen G.G N3-amino symmetric A.C Reverse HoogsteenG.G N1-carbonyl,N7-amino Sheared G.A G.A N7-N1 amino-carbonyl G.A imino A.G N3-amino,amino-N1 A.A.N7-amino C.C N3-amino symmetric G.G.N7-imino U.U 4-carbonyl-imino symmetric U.U imino-carbonyl U.U 2-carbonyl-imino symmetric U.C 4-carbonyl-amino U.C 2-carbonyl-amino A.U Reverse Watson-Crick G.C Reverse Watson-Crick G.U Reverse Wobble G.C N3-amino,amino-N3 A.U Hoogsteen 6 7

Sesión #2 Principios Generales y Bioquímica del DNA Tetradas y Quadraplex
Otras conformaciones del DNA (Tetra/Quadruplex) DNA del 5to Elemento.

Sesión #2 Principios Generales y Bioquímica del DNA Tetradas y Quadraplex
A.- Tetradas de Guanina en arreglo planar unidos por puentes de hidrógeno tipo Hoogsten. B.- Quadraplex de Guanina (cuadraplex-G) en arreglo paralelo de 4 cadenas distintas de DNA. C.- Quadraplex-G intermolecular formado entre 2 cadenas de DNA ricas en repeticiones de Guanina formando una asa (hairpin). D.- Quadraplex-G intramolecular entre regiones ricas en Guanina de la misma molécula formando dos asas antiparalelas.

Sesión #2 Principios Generales y Bioquímica del DNA Implicaciones prácticas
La conformación del DNA afecta a las propiedades fisico-químicas de la molécula y por ende el tipo de interacciones que pueden ocurrir. Ejemplo: Proteína (tonos de azul) unida al promotor de Interferón Beta (rojo) con especificidad por la hendidura menor (TIP: Esto solo ocurre con el DNA-B nunca en el DNA-A ni a DNA-Z). Inferencia....la modulación de la conformación del DNA definitivamente tiene repercusiones funcionales.

Sesión #2 Principios Generales y Bioquímica del DNA Implicaciones prácticas
Otro ejemplo... Unión dependiente de conformación de una proteína CRO 434 (Helix Turn Helix Motif en verde) a una secuencia de DNA (operador OR1 del bacteriófago 434 en rojo). Reconocimiento específico de hendidura mayor.

Sesión #2 Principios Generales y Bioquímica del DNA Resúmen
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