Sesion 10, Estructura y función ADN

Sesión 10
Estructura y Función del ADN
Cromosomas Eucarióticos
•  Todos los organismos transmiten su ADN
a la descendencia cuando se reproducen
•  En las células, cada doble hélice de ADN
está organizada como un cromosoma
•  Estructura que consiste de ADN y sus
proteínas asociadas (histonas).
Duplicación de un Cromosoma
Cuando la célula se prepara para la división,
duplica sus cromosomas para que ambas
células hijas tengan una copia de cada
cromosoma
Luego de que un cromosoma se duplica, cada
uno consiste de dos moléculas de ADN
(cromátidas hermanas) unidas entre ellas por
un centrómero
Duplicación de un Cromosoma
centrómero
una cromátida
cromosoma
(sin duplicar)
cromosoma
(duplicado)
su cromátida
hermana
Conceptos Clave
•  Histona
•  Tipo de proteína que organiza estructuralmente los
cromosomas de una célula eucarionte
•  Nucleosoma
Largo del ADN enrollado alrededor de un conjunto (paquete)
de proteínas histona
•  Cromosoma
Estructura compuesta por ADN y proteínas asociadas, lleva
una parte o toda la información genética de una célula
1
El ADN dentro del núcleo de una
célula eucarionte
2
Puesto que está condensado,
un cromosoma duplicado está
empacado compactamente en
forma de X .
Estructura del Cromosoma
3 Al desenredar un
cromosoma se obtiene un
cilindro hueco formado por
el superenrrollamiento de la
doble hebra de ADN
4 El enrollamiento consiste de
una molécula larga de ADN (azúl)
y sus proteínas histonas
(púrpura).
5 En intervalos regulares, la
molécula de ADN se enrolla dos
veces alrededor de un núcleo de
proteínas histonas. En esa
estructura de “collar de perlas”, la
“cuerda” es el ADN y cada “perla”
se conoce como nucleosoma
6 La molécula de ADN está
formada por dos hebras que se
estructuran en una doble hélice
Si se extendiera el ADN
de 1 célula humana
en una hebra, mediría
entre 1-2 m
La información la da la
secuencia de las
bases nitrogenadas.
En humanos se estiman
20500-22000 genes
Según el Proyecto
Genoma Humano
Empaquetamiento del ADN
Estructura: desde ADN →cromosoma
El ADN se encuentra empaquetado en los cromosomas que son
estructuras compuestas por ADN y proteínas.
Las histonas, permiten el enrollamiento del ADN para estructurar los
cromosomas.
1
1.  ADN (2nm)
+ Histonas
2.  Nucleosoma (10nm)
3.  Solenoide (30nm)
4.  Fibra de cromatina
5.  Cromosoma (700nm
2
3
4
de diámetro)
Otras proteínas
cohesinas y
condensinas
5
Un Cariotipo Humano
22 pares de autosomales y 2 cromosomas X
Cariotipo: Imagen del conjunto de cromosomas de un individuo, que
se acomodan por tamaño, longitud, forma y localización del
centrómero
Otro Cariotipo Humano
Descubrimiento de la Función del ADN
Unos 100 años de experimentos con bacterias y
bacteriófagos han proporcionado una sólida
evidencia de que el ácido desoxirribonucléico (ADN)
es el material hereditario de la vida, no las proteínas
En 1869 Johannes Miescher encontró que el núcleo contenía una
sustancia ácida compuesta en su mayor parte por nitrógeno y
fósforo. Tiempo después esa sustancia fue llamada ácido
desoxirribonucleico o ADN.
Sesenta años más tarde, Frederick Griffith usó
dos cepas de Streptococcus pneumoniae en
una serie de experimentos que dieron pistas
sobre la herencia
Experimentos de Griffith
Ratones
inyectados con
células vivas de cepa
R, no murieron.
1
Ratones
inyectados con
células vivas de
cepa S, murieron.
2
Ratones
inyectados con
células destruidas
con calor, no
murieron.
3
4
Ratones
inyectados con
células vivas R
adicionadas con
células muertas
de cepa S,
murieron.
Griffith aisló dos cepas de Streptococcus pneumoniae, bacteria que causa
neumonía: no dañina, rugosa (R) y dañina, lisa (S)
La transformación fue permanente y heredable
Más pistas….
En 1940, Oswald Avery y Maclyn McCarty trataron de identificar
el “principio transformante” de Griffith
Separaron los componentes de lípidos, proteínas y ácidos
nucleícos de las células de la cepa S.
Encontraron que:
•  Extractos de células S aún transformaban a las células de
la cepa R, aún después del tratamiento con enzimas que
destruían los lípidos y las proteínas. El principio
transformante debían ser los ácidos nucléicos (ARN o
ADN).
•  Los extractos de células de cepa S aún transformaban a
las células de cepa R luego de tratamiento con enzimas
degradadoras de ARN, entonces el principio transformante
debía ser el ADN.
Confirmación de la función del ADN
•  Alfred Hershey y Martha Chase examinaron si el
material genético inyectado por bacteriofagos a las
bacterias era ADN, proteína o ambos, con base en el
hecho de que las proteínas contienen más azufre
que fósforo y que el ADN tiene más fósforo que
azúfre
•  bacteriófago
•  Virus que infecta a las bacterias
Bacteriófago
ADN
dentro
de la
cubierta
protéica
Fibra
de la
cola
lámina
hueca
Bacteriófagos
•  micrografía de tres virus
inyectando ADN en una célula
de E. coli
Experimento 1 de Hershey–Chase
Cubierta protéica
del Virus marcada
con 35S
35S
permaneció
fuera de la
célula
ADN siendo
inyectado en
la bacteria
Los virus no inyectaron proteínas a las bacterias.
Experimento 2 de Hershey–Chase
ADN viral
marcado con
radioisótopo 32P
32P
permaneció
dentro de la
célula
ADN marcado
siendo
inyectado a la
bacteria
Los virus inyectaron ADN en las células, es una evidencia
de que el ADN es el material genético del virus
Descubrimiento de la Estructura del ADN
James Watson y Francis Crick descubrieron la estructura del
ADN con base en muchos años de investigación de otros
científicos
Un nucleótido de ADN tiene un azúcar de cinco carbonos, tres
grupos fosfato y una de las cuatro bases nitrogenadas
Cómo los cuatro nucléotidos – adenina (A), guanina (G), timina
(T) y citosina (C) — se organizan en el ADN fue un
rompecabezas que tomó unos 50 años solucionar
A principios de la década de 1900, el bioquímico Phoebus
Levene identificó la estructura de las bases nitrogenadas y
cómo ellas están conectadas al ADN
Cuatro Nucleótidos
del ADN
adenina (A)
desoxiadenosina trifosfato
guanina (G)
desoxiguanosina trifosfato
mm
Cuatro Nucleótidos
del ADN
timina (T)
desoxitimidina trifosfato
citosina (C)
desoxicitidina trifosfato
Mmm
Reglas de Chargaff
En los años 50, Erwin Chargaff hizo dos
descubrimientos:
1a regla de Chargaff:
A = T y G = C (las cantidades de timina y adenina en
todos los ADN son iguales, así como las cantidades
de citosina y guanina).
2a regla de Chargaff:
Las proporciones de adenina y de guanina difieren
entre el ADN de especies diferentes
Watson y Crick
El biólogo norteamericano James Watson y el
biofísico británico Francis Crik sospechaban
que la molecula de ADN era una hélice
Ellos argumentaban eso con base en el tamaño,
forma y requerimiento de enlaces de los
cuatro nucleótidos del ADN
Rosalind Franklin y la primera imágen del ADN
La bioquímica Rosalind Franklin
había estado trabajando sobre la
estructura del ADN, usando
cristalografía de rayos X para
calcular el tamaño, forma y el
espacio entre los elementos
repetidos de la molécula
•  Rosalind Franklin y su imagen de
difracción por rayos x- del ADN
El primer modelo del ADN
•  Watson y Crick
usaron la
información de
Franklin para
construir un
modelo de la
hélice de ADN
Estructura del ADN
•  Dentro están
las bases
apareadas:
•  A a T, y
•  G a C
2-nanómetro
diámetro
0.34 nanómetro
entre cada par
de bases
3.4-nanómetro
largo de cada
giro completo
de la doble
helice
H
H
H
P
H
H
H
H
H
H
H
P
5P
H 2C O
5 P3
H 2C O
3
5 P
H
H 2C O
H
4
1
3 2
HO
d
H
P
5
3
H
H
H
H
H
H
H
d
d
3
d5
3
O 5
CH2
d
3
O 5
CH2
2 d
34
5
1 O
d CH2
A,G,U
T,C
Nucleótidos
NH2
N C C N
HC
CH
C
N
N
O
OH
HO
P
O
CH2
O
Grupo
fosfato
H
Desoxirribosa
H o H
Ribosa
OH
H
Pentosa
H
Base
nitrogenada
En un nucleó)do: }  base nitrogenada se une al carbono 1' del azúcar, }  grupo fosfato se une al carbono 5' Secuencia de bases del ADN
•  El órden en el cual se aparean las bases varía
tremendamente entre las especies (segunda
regla de Chargaff)
•  Variaciones en la secuencia de bases son la
fuente de la diversidad de la vida
Watson y Crick 1953
Doble hélice del ADN
Doble hélice enrollada
hacia la derecha
Cadenas antiparalelas
y complementarias
entre sí
La secuencia de una
cadena, dicta la
secuencia de la otra
Replicación y Reparación del ADN
El órden de las bases nitrogenadas – secuencia del
ADN - en una cadena del ADN es la información
genética
Las células hijas deben tener una copia exacta del
ADN parental
Cuando la célula se reproduce, debe contener dos
conjuntos de cromosomas: uno para cada una de sus
células hijas
•  El ADN se duplica a sí mismo por replicación del
ADN
Pasos de la Replicación del ADN
1.  Las dos cadenas de una molécula de ADN
son complementarias: los nucleotidos se
aparean de acuerdo con la regla: G con C y
T con A
2. La ADN helicasa rompe los puentes de
hidrógeno que mantienen la doble hélice
unida, y las dos cadenas de ADN se separan
Pasos de la Replicación del ADN (cont.)
3. Cada cadena parental sirve como templado
(molde) para el ensamblaje de los nucleótidos
de una nueva cadena de ADN, de acuerdo con
las reglas de apareamiento de las bases. La
ADN polimerasa ensambla una cadena
complementaria de ADN en cada una de las
cadenas parentales.
4. La ADN ligasa llena cualquier vacío que
quede entre las bases de la “nueva” cadena de
ADN. Se forma una cadena continua.
Replicación
del ADN
Replicación
Semiconservativa
del ADN
Replicación Semiconservativa del ADN
vieja
nueva
nueva
vieja
Síntesis de ADN
•  Cada cadena de ADN tiene un carbono libre 5’ al final de un
extremo, y un carbono 3’ al final del otro extremo:
•  La síntesis del ADN se dá en la dirección 5’ a 3’
Síntesis del ADN
La doble hélice del
ADN parental se
separa en esta
dirección
Sólo una de las dos
nuevas cadenas
puede ser ensamblada
de manera contínua.
La otra cadena forma
pequeños fragmentos
Llamados fragmentos
de Okazaki
ADN ligasa
sella los
huecos
Síntesis de ADNR
Duplicación del ADN •  La duplicación de la cadena líder es con6nua, pero la de la cadena rezagada es discon6nua. •  En la cadena rezagada, se sinte)zan fragmentos de Okazaki en la dirección 5' a 3'. •  La enzima ADN ligasa une fragmentos de Okazaki con)guos. •  El cebador de ARN se sus)tuye por nucleó)dos de ADN •  Una ADN polimerasa corrige los errores “Teorema Central de la Biología molecular” Crick
Temin
1953-2003
Watson y Crick
Craig Venter y Francis Collins
Se termina la secuencia
completa del Genoma
Humano
Mecanismos de Reparación del ADN
Una molécula de ADN no siempre se replica
correctamente, pero las ADN polimerasas
“revisan”su propio trabajo
•  Mecanismos de reparación del ADN
corrigen errores, remueven los nucleótidos
que no se aparearon correctamente
•  Cuando los mecanismos de “revisión” y de
reparación no corrigen, el error se convierte
en una mutación
Conceptos Clave
•  Mecanismo de reparación del ADN
•  Cualquiera de los varios procesos por los
cuales las enzimas reparan el ADN dañado
•  Ejemplo: Eliminación enzimática y
reemplazo de bases incorrectamente
apareadas antes del inicio de la replicación.
•  Mutación
•  Cambio permanente en la secuencia del
ADN.
Revisar hasta acá los conceptos estudiados
con animaciones del curso y:
https://www.youtube.com/watch?v=WtRA-NsERKY
http://es.wikipedia.org/wiki/Fragmento_de_Okazaki