Estructura y análisis del ADN La historia conocida del DNA puede dividirse en tres periodos: 1869 -1943. Esta era se abrió con el descubrimiento de un nuevo compuesto fosfórico orgánico, en las células ricas en materia nuclear. Llamado primeramente nucleina y luego cromatina, se demostró luego que este compuesto constaba de ácido desoxirribonuc1éico (DNA) y de proteína 1944 - 1960. Este periodo se inicia con la primera evidencia importante de que el DNA es la sustancia genética, donde se realizaron dos experimentos: 1.- La demostración en 1952 de que la infección de E. coli por el bacteriófago T2 implicaba la inyección del DNA del virus dentro de la célula huésped 2.- Fue el descubrimiento en 1956, de la estructura complementaria y bifilar (duplex) del DNA y con ello el reconocimiento de cómo podía replicarse esta molécula 1960 - El tiempo presente. A pesar de que no haya descubrimientos que marquen esta época. La genética y el DNA se han convertido en una rama de la bioquímica. A pesar de su complejidad química, el DNA está siendo modificado, disecado, analizado y sintetizado en el tubo de ensayo. Empieza a vislumbrarse el dinamismo metabólico del DNA que no había sido anticipado Estructura y análisis del DNA y del RNA En 1953 James Watson y Francis Crixk, expusieron sus hipótesis sobre la naturaleza de la doble hélice del DNA. Clarificándose más fácilmente tras determinar su estructura genética PROPORCIONES DE LAS BASES NITROGENADAS: REGLAS DE CHARGAFF Al principio se pensaba que los ácidos nucleicos eran la repetición monótona de un tetranucleótido, de forma que no tenían variabilidad suficiente para ser la molécula biológica que almacenará la información. Sin embargo, Chargaff (1950) demostró que las proporciones de las bases nitrogenadas eran diferentes en los distintos organismos, aunque seguían algunas reglas. Estas reglas de Chargaff se cumplen en los organismos cuyo material hereditario es ADN de doble hélice y son las siguientes: Pruebas a favor del DNA como material genético en bacterias y en bacteriófagos Federick Griffitch Federick Griffitch fue el que proporcionó la base para que Oswald Avery , Colin MacLeod Y Maclyn Mc Carty sobre la naturaleza química de un principio transformante. Realizó varios experimentos con varias cepas diferentes de la bacteria Diplococcus pneumoniae, algunas cepas eran virulentas, es decir causan neumonía en algunos vertebrados, mientras que en otras no la eran, es decir no causan la enfermedad. La diferencia del carácter virulento viene dada por la cápsula de polisacárido de la bacteria. La conclusión de Griffitch fue que las bacterias S muertas por calor eran responsables de alguna manera de convertir las células IIR no virulentas en IIIS virulentas, llamó a este fenómeno transformación Pruebas a favor del DNA como material genético en bacterias y en bacteriófagos El suceso inicial que condujo a la aceptación del DNA como material genético fue la publicación en 1944 de Oswald Avery , Colin MacLeod Y Maclyn Mc Carty, sobre la naturaleza química de un principio transformante. Este experimento permitió demostrar que el principio transformante en Diplococcus pneumoniae era el DNA y no las proteínas. Con ello demostraron que el ADN es la molécula portadora de la información genética. Experimento de Hershey - Chase El segundo experimento que apoyaba al DNA, como material genético la proporcionó el estudio de la infección de la bacteria Escherichia coli por uno de los virus que la utilizaba como huésped, el bacteriófago T2 Se prepararon dos muestras de partículas de bacteriófago T2 marcadas isotópicamente. Una marcada con 32P en los grupos fosfato del DNA y la otra con 35S en los residuos aminoácidos que contienen azufre de las proteínas de la cápside, este fue el punto clave del experimento, si se cultivan las células de E.coli en presencia de P o S, los hijos del fago tendrán marcado radiactivamente el núcleo de DNA, o la cubierta proteica . Cada suspensión de células infectadas fue agitada en un homogeneizador para romper la unión entre las cápsides víricas y las bacterias. Se separaron por centrifugación las cápsides víricas vacías y las bacterias. Demostraron, tras detectar los radioisotopos , que la mayoría del DNA marcado con P, se había transferido al interior de las células bacterianas después de la absorción, por otro lado, la mayoría de las proteínas marcadas con S, permanecía en las cubiertas vacías de los fagos, fuera de la célula bacteriana Bacteriófago Son virus que usan como huéspedes a células bacterianas. El ADN se halla comprimido dentro de la cabeza del fago y es inyectado en la bacteria por medio de una cola que se adhiere a la pared de la célula huésped y actúa como una especie de jeringa. Los fenómenos intercelulares que se suceden son muy rápidos y comienzan con la rotura del nucleoide y la hidrólisis enzimática del ADN de la célula huésped. Los nucleótidos resultantes son utilizados para sintetizar el ADN del fago. Luego son sintetizados el ARN y las proteínas estructurales del virus, y se necesitan unos siete minutos para empaquetar y armar los fagos maduros dentro de la bacteria. CICLO DE UN BACTERIÓFAGO C. lisogénico Características del material Genético El Material genético presenta varias características: Replicación Almacenaje de la información Expresión de esta información Variación por mutación La replicación La replicación del material genético es una de las facetas del ciclo celular , una propiedad fundamental de todos los organismos vivos. Una vez el material genético de las células se ha replicado, se debe repartir equitativamente en las células hijas. En la formación de gametos Tanto la Mitosis como la Meiosis forman parte del fenómeno general de la reproducción celular La característica de Almacenaje debe verse como una información genética en la que están depositadas todas las características hereditarias de un organismo. Sin embargo esta información, puede o no expresarse. Esta claro que aunque la mayoría de las células contienen un juego completo de DNA, en cualquier momento dado expresan solo una parte de su potencial genético. Las bacterias activan muchos genes solamente en respuesta a condiciones ambientales especificas, y los desactivan únicamente cuando estas condiciones cambian La expresión de la información genética almacenada en un proceso complejo y la base para el concepto flujo de información en la célula. El suceso inicial es la transcripción del DNA, cuyo resultado es la síntesis de tres tipos de moléculas de RNA, los RNAm, se traducen en proteínas. Cada tipo de RNAm es el producto de un gen especifico y dirige la síntesis de una proteína diferente El material genético es también el origen de nueva variabilidad para los organismos por el proceso de mutación Una mutación es un cambio en la composición química del DNA. La alteración se reflejara en la transcripción y en la traducción afectando a menudo a la proteína especificada. Si una mutación esta presente en los gametos, esta pasara a la generación futuras y con el tiempo puede extenderse a la población La química de los ácidos nucleicos Los componentes estructurales del DNA y RNA son muy parecidos, esta similitud química es importante para coordinar las funciones que desempeñan las moléculas durante la expresión génica Expresión genética Es el proceso por medio del cual todos los organismos procariotas y eucariotas transforman la información codificada en los ácidos nucleídos en las proteínas necesarias para su desarrollo y funcionamiento Cromatina Es un complejo de ADN, ARN y histonas. Puede constituirse como heterocromatina y eucromatina. Función: es la síntesis de ARN, conservar y transmitir la información genética del ADN. Para este último caso la cromatina sufre durante la división celular unos procesos en los que se realiza la duplicación del ADN y se inicia la formación de los cromosomas Heterocromatina Es la forma más o menos condensada de la cromatina, se encuentra generalmente ubicada en la periferia interna de la membrana nuclear. la cual contiene secuencias de DNA que nunca se transcriben como lo son secuencias satélites que se encuentran en los centrómeros La Eucromatina Es la forma activa de la cromatina, en la que se está transcribiendo (genes) el material genético de moléculas de ADN en ARN, siendo sus unidades los nucleosomas. Optimizar los procesos de replicación, transcripción y reparación del ADN, juega un rol regulatorio fundamental en la expresión genética. Cromosomas En los organismos llamados eucariotas, el ADN se encuentra dentro de un área compartimentalizada dentro de la célula llamada núcleo. Debido a que la célula es muy pequeña, y porque los organismos tienen muchas moléculas de ADN por célula, cada molécula de ADN debe estar empaquetada de forma muy compacta y precisa. Esta forma superempaquetada del ADN se denomina cromosoma Los cromosomas en realidad están formados por dos cadenas de ADN repetidas que se espiralizan y se mantienen unidas, de forma que en un cromosoma se distinguen dos partes que son idénticas y reciben el nombre de CROMÁTIDAS, que se unen por un punto llamado CENTRÓMERO. El centrómero divide a las cromátidas en dos partes que se denominan BRAZOS. Concepto de gen Es una secuencia ordenada de nucleótidos en la molécula de ADN(o ARN, en el caso de algunos virus) que contiene la información necesaria para la síntesis de proteínas pero también ARNm, ARNr y ARNt. regiones no codificantes regiones codificantes Ácidos Nucleicos Los ácidos nucleicos son biomoléculas orgánicas formadas por C, H, O, N y P. Son macromoléculas de elevado peso molecular constituidas por unas unidades básicas llamadas nucleótidos unidos mediante enlaces fosfodiéster. Por tanto son polímeros de nucleótidos. Clasificación Función ADN: Almacena y transmite la información genética. Dirige el proceso de síntesis de proteínas. Constituye el material genético y forma los genes, que son las unidades funcionales de los cromosomas. ARN: Ejecuta las órdenes contenidas en el ADN, se encarga de sintetizar proteínas. Bases nitrogenadas Componentes de los ácidos nucleicos Son compuestos orgánicos cíclicos, son parte fundamental de los nucleósidos, nucleótidos, nucleótidos cíclicos (mensajeros intracelulares), Y ácidos nucleicos. Existen seis bases nitrogenadas principales (en realidad hay muchas más), que se clasifican en tres grupos, bases isoaloxazínicas (derivadas de la estructura de la isoaloxazina) bases púricas o purinas (derivadas de la estructura de la purina) bases pirimidinas (derivadas de la estructura de la pirimidina). Nucleósidos La unión de una pentosa y una base nitrogenada constituyen un NUCLEÓSIDO. Se establece un enlace Nglucosídico entre el carbono 1 de la pentosa y el nitrógeno 9 si la base es púrica o 1 se es pirimidínica. Se nombran con el nombre de la base terminado en –osina si es púrica y en –idina si es pirimidínica. Si la pentosa es desoxirribosa se añade el prefijo desoxi-. Adenosina, guanosina, timidita, histidina, uridina. Desoxiadenosina, desoxiguanosina Componentes de los ácidos nucleicos Son las piezas que forman todas las moléculas de ácidos nucleicos: Constan de tres componentes esenciales: una base nitrogenada, un azúcar pentosidico y un grupo fosfato Componente neutro: Azúcares a) Pentosas: Son dos aldopentosas: Ribosa en el ARN Desoxirribosa en el ADN b) Ácido fosfórico c) Bases nitrogenadas: Son compuestos heterocíclicos de C y N. Son de dos tipos: • Bases púricas: Derivan de la purina • Bases pirimidínicas: Derivan de la pirimidina Los nucleótidos Se nombra con el nombre de la base terminado en –ílico y se antepone la palabra ácido. Ácido adenílico. Si la pentosa es desoxirribosa, se antepone la palabra desoxi. Ácido desoxiadenílico. Los nucleótidos ADN: Estructura En Mayo de 1952, Rosalind Franklin obtuvo la foto 51, una imagen de las fibras de ADN producida por difracción de rayos X. 10 años más tarde, Watson, Crick y Wilkins recibieron el premio Nobel por su interpretación de esta imagen: la doble hebra antiparalela de ADN. La validación de este modelo ha llevado al avance más importante de la biología molecular en toda la historia de la humanidad. Estructura del DNA 1.- Dos largas cadenas polinucleotidas están enrolladas alrededor de un eje central 2.- las dos cadenas son antiparalelas, es decir C-5 C-3 van en sentidos contrarios 3.- las bases de las dos cadenas están separadas 3.4 A, 4.- Las bases nitrogenadas están apareadas como resultado de la formación de puentes de hidrógeno 5.- cada vuelta de la hélice tiene una longitud de 34 A 6.- en cualquier segmento de la molécula, se observa un surco mayor y un surco menor alternados a lo largo del eje 7.- la doble hélice mide 20ª de diámetro Estructura del DNA ADN: Estructura Estructura terciaria En eucariotas forma el collar de perlas de 10nm al unirse con el octámero de histonas H2A, H2B, H3 y H4 para formar los nucleosomas. Estructura cuaternaria Nucleosomas se condensan en solenoides (30nm). Los solenoides se empaquetan en bucles de 300nm. Los bucles se pliegan hasta formar la heterocromatina (700nm). Los cromosomas metafásicos (1400nm) representan el más alto grado de condensación ADN: Propiedades Biológicas Interacción: Con proteínas de unión al ADN. • Naturaleza informativa. Por presencia de bases nitrogenadas que establecen el código genético. • Autoduplicación: Transmisión hereditaria mediante replicación. • Expresión: Generación de ARNm en la transcripción. Estas propiedades han sentado las bases para el establecimiento del “Dogma Central de la Biología Molecular ARN Es un polinucleótido compuesto por ribonucleótidos de A, G, C y U, nunca T. Es monocatenario, excepto en algunos virus, por lo que presenta estructura primaria, y los nucleótidos se unen siempre en la dirección 5’→ 3’. A veces se enrolla en doble hélice, presentando estructura secundaria y otras veces se asocia a proteínas, por lo que tiene estructura terciaria. • Transcripción: Formación de ARN a partir del ADN. • Traducción: Formación de proteínas según la información del ARN mensajero. Existen varios tipos de ARN. ARN mensajero (ARNm) Es una molécula corta y lineal de hasta 5000 nucleótidos, de vida corta y estructura primaria. Se origina a partir del ARN hetereogéneo nuclear, que es complementario de un fragmento de ADN, por lo que contiene su información genética El ARN hetereogéneo nuclear (ARNhn): Tiene unos segmentos con información llamados exones y otros sin información llamados intrones. Tras un proceso de maduración, elimina los intrones y forma ARNm, que tiene en su inicio una caperuza, que constituye la señal de inicio de la síntesis proteica, y al final una cola de poli A (muchas adeninas), que tiene función estabilizadora. Se forma en el núcleo y viaja hasta el citoplasma. El ARNm es el portador de la información genética del ADN. Se forma con intervención de una ARN polimerasa II y atraviesa los poros nucleares para asociarse a los ribosomas en el citoplasma y dirigir la síntesis de proteínas ARN transferente (ARNt) Está formado por moléculas pequeñas. Tiene forma de hoja de trébol, con 4 brazos con estructura primaria y secundaria. Tres de los brazos tienen un asa o bucle, son los brazos D, T y uno llamado Anticodón. El cuarto es un brazo aceptor de aminoácidos, con un extremo (3’) más largo que otro que termina siempre en el triplete CCA y es por la A por la que se unirá a un aminoácido. Existen unos 50 tipos diferentes que se sintetizan en el nucleoplasma por acción de una ARN polimerasa III y viaja hasta el citoplasma. En el Anticodón hay diferentes tripletes, que son complementarios de los diferentes aminoácidos que capta el codón del ARNm. Su función es captar aminoácidos específicos en el citoplasma y transportarlos hasta los ribosomas, donde, siguiendo la secuencia dictada por el ARNm, se sintetizan las proteínas. ARN ribosómico (ARNr) Es el más abundante y se encuentra asociado a proteínas formando los ribosomas. Está formado por un filamento con estructura primaria, secundaria y terciaria. Su función es formar los ribosomas donde se realizará la síntesis de proteínas. Los ribosomas se diferencian por su velocidad de sedimentación, que se mide en Svedberg (1S = 10-13 s) s = segundos. En células procariotas los ribosomas son 70S, formados por dos subunidades, 30S y 50S REPLICACIÓN DEL ADN Una molécula de ADN puede generar dos moléculas idénticas entre sí. Permite la generación de dos células iguales por mitosis Replicación: proceso mediante el cual se hacen copias fieles del DNA que garanticen la transmisión y conservación de la información genética PROPIEDADES Semiconservativa A partir de la doble hélice de una molécula de DNA se originan dos moléculas de DNA. Cada doble hebra nueva está compuesta por una cadena original (preexistente) y una cadena nueva (recién sintetizada) Bidireccional Se da hacia ambos extremos de la burbuja de replicación. Cada burbuja tiene dos horquillas de replicación que avanzan en direcciones opuestas. La apertura de la cadena continúa hasta que las burbujas se unen. Semidiscontinua y Asimétrica Una hebra crece en el mismo sentido que la horquilla de replicación, siendo sintetizada de forma continua, por lo cual es denominada hebra adelantada. La hebra complementaria se denomina hebra retardada porque debe ser sintetizada en sentido opuesto, lo cual se da mediante una síntesis discontinua mediante la generación de segmentos cortos de ADN denominados fragmentos de Okazaki Requiere de cebadores Para empezar la síntesis de DNA se requiere una cadena de nucleótidos para agregarle un nuevo nucleótido. Cada fragmento de Okazaki se inicia con un RNA cebador “primer” (~10 bases de largo)
