clase 1 adn historia, estructura y replicación
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Estructura y función del ADN
Historia del descubrimiento de la molécula
Experimentos clásicos en torno a mitosis
Acetabularias de Hämmerling y Brachet (1930 - 1940)
1869 Friedrich Miescher descubre lo que hoy conocemos como ADN
Fleming Beneden y Strasburger describen en 1890 la destribución cromosómica durante la división celular.
Walther Flemming
1910 Thomas Hunt Morgan demuestra que los genes residen en los cromosomas
1933 Jean Brachet demuestra que el ADN se encuentra en los cromosomas y que el ARN está presente en el citoplasma de todas las células
1941 Edward Lawrie Tatum y George Wells Beadle muestran que los genes codifican las proteínas
¿El material genético es ADN o una proteína?
Experimento de Griffith (1920)Trató de obtener una vacuna para proteger a la gente
contra la bacteria Streptococcus pneumoniae, que produce la neumonía. No tuvo éxito, pero descubrió el fenómeno de la transformación.
Griffith descubrió dos variedades de Streptococcus, una con cápsula y otra desnuda. Propuso la hipótesis que la cápsula afecta la capacidad de las bacterias para causar la enfermedad y experimentó con ratones de la siguiente manera:
1. Inyectó bacterias encapsuladas vivas.Resultado: Los ratones contrajeron neumonía y murieron. La sangre contenía bacterias encapsuladas.
2. Inyectó bacterias desnudas vivas.Resultado: Permanecieron saludables. No se encontraron Streptococcus en la sangre.
3. Inyectó bacterias encapsuladas muertas.Resultado: Los ratones no tuvieron neumonía y carecían de bacterias vivas.
4. Inyectó una mezcla de bacterias encapsuladas muertas y bacterias desnudas vivas.Resultado: Tuvieron neumonía y estaban infestados de bacterias encapsuladas vivas que crecieron
¿Qué significaban los experimentos?Una hipótesis era que las bacterias vivas
habían adquirido moléculas de información genética provenientes de las bacterias muertas. Las moléculas codificaban las instrucciones
para formar cápsulas; por lo tanto, transformaban a las bacterias desnudas en bacterias encapsuladas.
¿La molécula de la transformación era el ADN?
Avery, MacLeod y McCarty de la Universidad Rockefeller en 1944 aislaron ADN de bacterias encapsuladas, las mezclaron con bacterias desnudas vivas y produjeron bacterias encapsuladas vivas.
Para demostrar que la transformación la ocasionaba el ADN, y no pequeñas cantidades de proteínas que contaminan al ADN, trataron diferentes muestras con enzimas que destruyen proteínas.
Dichas enzimas no afectaron la capacidad de transformación de las muestras de ADN; por otro lado, al tratar muestras con enzimas que destruyen el ADN, se impidió la transformación.
1944 Oswald Theodore Avery, Colin McLeod y Maclyn McCarty aíslan ADN como material genético
Colin MacLeod, Maclyn McCarty, Detlev Wulf Bronk, Theodosius Dobzhansky, and Wendell M. Stanley at the Avery Memorial Gateway dedication ceremony
1944 Oswald Theodore Avery, Colin McLeod y Maclyn McCarty aíslan ADN como material genético
Oswald T. Avery (1940s)
Historia de la genética
1950 Erwin Chargaff muestra que los cuatro nucleótidos no están presentes en los ácidos nucleicos en proporciones estables, pero que parecen existir algunas leyes generales. La cantidad de adenina, A, por ejemplo, tiende a ser igual a la de timina,
ATGCTTATTCTACGAATAAG
A = TC = G
1905 - 2002)
El ADN es la molécula que contiene la información genética
Hershey & Chase
Lab rats ... James Watson, above left, and Francis Crick weren't going to let Rosalind Franklin get in the way of scientific glory. Photo-illustration: Harry Afentoglou
Durante 50 años, la historia de la ciencia ha sostenido que los descubridores de la doble hélice del ADN fueron Crick y Watson. En los últimos años, las investigaciones han sacado a la luz la labor de Rosalind Franklin, sin cuyas radiografías sus colegas no hubieran llegado tan rápido a la meta. Hoy se puede decir que si éstos son los «padres» del hallazgo de la estructura helicoidal de la molécula, Franklin merece ser considerada la «madre».
Rosalind Franklin
El ADN de los cromosomas se compone de dos cadenas enrolladas una a la otra en una doble hélice.
Los azúcares y fosfatos que unen un nucleótido al siguiente forman el esqueleto en cada lado de la doble hélice.
En tanto que las bases de cada cadena se aparean en el centro de la hélice.
Solo pares específicos de bases, llamados pares de bases complementarias, se pueden unir en la hélice mediante enlaces de hidrógeno: adenina con timina y guanina con citosina.
COMPOSICIÓN DEL ADN La molécula de ADN está
compuesta de subunidades, llamadas nucleótidos, unidos en cadenas largas.
Cada nucleótido consta de un grupo fosfato, un azúcar de cinco carbonos, la desoxirribosa y, una base nitrogenada.
Bases Nitrogenadas
En el ADN se presentan cuatro bases diferentes:
Adenina Guanina Timina Citosina
MOLÉCULA DE ADN
DIMENSIONES DEL ADN
REPLICACIÓN DEL ADN
La clave de la constancia
PROCESO
La replicación del ADN
Es el proceso mediante el cual la molécula de ADN hace copias de sí misma (y, por tanto del cromosoma).
En el núcleo hay muchos nucleótidos libres que son los bloques de construcción del nuevo ADN .
Pasos de la replicación del ADN La doble hélice se desdobla de modo que las dos cadenas de nucleótidos quedan
paralelas y se rompen los enlaces entre las bases. Las dos cadenas de nucleótidos se separan, empezando en un extremo y abriéndose hasta el otro.
Cada mitad de la molécula sirve como un molde para la formación de una nueva mitad del ADN. Las bases de los nucleótidos libres se unen con las bases correspondientes en las dos cadenas de nucleótidos expuestas. La unión específica de A con T y de C con G, asegura que las copias nuevas de ADN sean copias exactas del original.
Pasos de la replicación del ADN Se forman enlaces entre los fosfatos y los azúcares de los
nucleótidos que se han apareado con las cadenas de ADN. El resultado es que se forman dos copias idénticas de la molécula original de ADN.
Las dos nuevas moléculas de ADN se enroscan y de nuevo toman la forma de una doble hélice.
1958 El experimento Meselson-Stahl demuestra que el ADN se replica de modo semiconservador.
Historia de la genética
1956 Joe Hin Tjio y Albert Levan establecen en 46 el número de cromosomas en humanos
Joe Hin Tjio. Albert Levan
Estructura de un cromosoma
¿Qué es un gen?Es una secuencia de nucleótidos en la
molécula de ADN, equivalente a una unidad de transcripción.
Contiene la información, a partir de la cual se sintetiza un polipéptido, una enzima, un ácido ribonucleico: mensajero, de transferencia o ribosomal.
En el genoma humano la mayoría de los genes son únicos y se expresan en forma independiente. Los genes segregan cuando ocurre la meiosis.
DOGMA CENTRAL DE LA BIOLOGÌA MOLECULARDOGMA CENTRAL DE LA BIOLOGÌA MOLECULAR
Hebra moldeHebra molde
TranscripciónTranscripción
TraducciónTraducción
Naturaleza del material hereditario.
Los ácidos nucleicos y sus componentes
Naturaleza del material hereditario.
Los ácidos nucleicos y sus componentes
Los ácidos nucleicos son macromoléculas con estructura de polímero lineal, donde los monómeros son nucleótidos. Cada nucleótido está formado por un azúcar pentosa, un fosfato y una base nitrogenada. Las bases pueden ser purinas (de doble anillo), como la Adenina y la Guanina...
Los ácidos nucleicos son macromoléculas con estructura de polímero lineal, donde los monómeros son nucleótidos. Cada nucleótido está formado por un azúcar pentosa, un fosfato y una base nitrogenada. Las bases pueden ser purinas (de doble anillo), como la Adenina y la Guanina...
ADENINA (A)ADENINA (A)GUANINA (G)GUANINA (G)
También pueden ser pirimidinas, de anillo sencillo, como la timina y la citosina, en el ADN; y la citosina y el uracilo en el ARN
También pueden ser pirimidinas, de anillo sencillo, como la timina y la citosina, en el ADN; y la citosina y el uracilo en el ARN
TIMINA (T)TIMINA (T) URACILO (U)URACILO (U) CITOSINA (C)CITOSINA (C)
12
3 4
5
6
Pentosa del ADN: DesoxirribosaPentosa del ADN: Desoxirribosa
ATENCIÒN: Un hidrógeno en la posición 2’
ATENCIÒN: Un hidrógeno en la posición 2’
3’
5’
DesoxirribunucleótidoDesoxirribunucleótido
La molécula de ADN es una doble hélice antiparalela (Watson y Crick 1953)
La molécula de ADN es una doble hélice antiparalela (Watson y Crick 1953)
Fosfatos van unidos al azúcar en el C-5’ y el C-3’
Fosfatos van unidos al azúcar en el C-5’ y el C-3’
Hebras antiparalelas
Hebras antiparalelas
Punta 3’ librePunta 3’ libre
Punta 5’ librePunta 5’ libre
ACIDOS NUCLEICOSACIDOS NUCLEICOS
La función codificante del ADN está determinada por la secuencia de sus
nucleótidos (bases)
La función codificante del ADN está determinada por la secuencia de sus
nucleótidos (bases)
Hebra moldeHebra molde
Hebra líderHebra líder
Hebra retardadaHebra retardada
EL ADN es la molécula que permite perpetuar la vida: REPLICACIÓN DEL ADN
EL ADN es la molécula que permite perpetuar la vida: REPLICACIÓN DEL ADN
Replicación
Las ADN polimerasas requieren como sustrato la punta 3’ hidroxilo libre de una base apareada para catalizar la unión de otro nucleótido.
El OH libre se une al 5’-fosfórico del deoxinucleósido 5’ trifosfato, liberándose un pirofosfato inorgánico
ADN polimerasas, ligasas….
ADN polimerasas de alta fidelidad dirigidas por ADN: dos de ellas replican los cromosomas, () específica para la hebra retardada porque tiene una subunidad primasa, () líder y elongación de la hebra retardada, otras dos reparan el ADN ( y ), y una de ellas replica y repara el ADN mitocondrial ().
tienen actividad 3’ - 5’ exonucleasa y tienen actividad de reparación del ADN
de tipo excisión de nucleótidos y de bases.
ADN-polimerasas…..ADN polimerasas propensas a errores dirigidas
por ADN: un grupo grande que replica con muy baja fidelidad. La tasa de error de la polimerasa (iota) es 20.000 veces mayor que la de . Se expresan en cantidades altas en el sistema inmune, implicadas en la hipermutabilidad en linfocitos B y T.
ADN polimerasas dirigidas por ARN: usan como molde una hebra de ARN: transcriptasas reversas.
Ej: Actividad polimerasa en la enzima telomerasa (Tert) que replica la parte final de los extremos lineales de los cromosomas.
Transcriptasa reversa endógena, que ocasionalmente puede convertir ARN en ADNc e integrarlo al genoma.
Proteinas principales replicaciónTopoisomerasas: rompen una hebra y la tensión del
enrrollamiento de la hélice se relajaHelicasas: completan el desenrrollamientoADN polimerasas: complejos agregados de
diferentes proteínas.Primasas: sintetizan los iniciadores de ARN que se
necesitan para iniciar la replicaciónLigasas: sellan las lagunas dejadas por las
ribonucleasas cuando remueven los primers, catalizan la unión fosfodiester entre nucleótidos adyacentes.
Proteinas de unión a la hebra sencilla del ADN: estabilizan la horquilla de replicación.
Estructura tridimensional de una helicasa: un hexámero con seis sitios de enlace al ATP. La hidrólisis secuencial de estos ATPs permite el desenrrollamiento de la doble hélice.
La ADN polimerasa
Síntesis del primer de ARN por una primasa
En eucariontes los fragmentos de Okasaki tienen 200 nucleótidos, los primers unos 10.Los iniciadores de ARN se eliminan mediante una ARNasaespecífica que reconoce dobles hélices híbridas ARN-ADNLa laguna es llenada por una polimerasa y la unión finalmente es realizada por una ligasa
La ligasa acopla la hidrólisis de un ATP para hacer más favorable la reacción de unión entre el fosfato y elhidroxilo libre, liberando al final un AMP.
Efecto de las proteínas de enlace con la hebra sencilla del ADN
Estructura de las proteinas de enlace a la hebra sencillaModelo de la proteína humana
Horquilla de replicación en los mamíferos: Dos polimerasas diferentes en la hebra retardada, primero empieza la pol sintetizando el primer de ARN algo del ADN porque tiene una subunidad primasa, luego sigue trabajando la pol en la elongación del fragmento
Reparación del ADN
Tipos de daño al ADN
Mecanismos endógenos:1. Pérdida de bases tipo purinas por ruptura
espontánea del enlace con el azúcar 5000/día/célula humana
2. Deaminación espontánea de citosinas y adeninas produce uracilo e hipoxantina
3. Moléculas con oxígenos reactivos atacan los anillos de las bases nitrogenadas
4. La ADN polimerasa puede incorporar bases equivocadas en la replicación
5. Errores en la replicación o recombinación provocan fracturas en el ADN
Agentes extracelulares
1. Radiaciones ionizantes: rayos gamma y rayos X causan rupturas en la doble hélice
2. Luz UV causa la formación de los dímeros de timina
3. Químicos ambientales como agentes alquilantes y otras sust químicas forman aductos con las bases del ADN: hidrocarburos, productos naturales como las aflatoxinas.
11_21.jpg
11_21_2.jpg
Mecanismos de detección y reparación de daños al ADN
• Sistemas enzimáticos para reconocer, eliminar y reparar daños inducidos al ADN se han descrito y estudiado bien en bacterias
• El estudio de los síndromes hereditarios de predisposición al cáncer ha permitido ampliar el conocimiento en el ser humano
Capitulo 14: del ADN a las proteínas
Transmisión de la información
La transmisión se lleva a cabo principalmente gracias a la existencia de los ácidos ribonucleicos o ARNs
ARN mensajero (lineal de hebra simple) ARN de transferenciaARN ribosomalY a las ARNs polimerasas
RibonucleótidoRibonucleótido
ATENCION:
Grupo hidroxilo en la posición 2’
ATENCION:
Grupo hidroxilo en la posición 2’
URACILO sustituye a la TIMINAURACILO sustituye a la TIMINA
La secuencia correspondiente a una unidad de transcripción en el ADN se transcribe en una hebra complementaria de ARN, llamada transcrito primario, a partir del cual, por modificaciones post-transcripcionales , se origina el ARN mensajero
La secuencia correspondiente a una unidad de transcripción en el ADN se transcribe en una hebra complementaria de ARN, llamada transcrito primario, a partir del cual, por modificaciones post-transcripcionales , se origina el ARN mensajero
TRANSCRIPCIÒNTRANSCRIPCIÒN
La ARN polimerasa se activa cuando forma un complejo con los factores de transcripción o elementostrans. La interacción de estos entre sí, y con las secuencias reguladoras del ADN(los factores cis) es la que determina donde, cuando y con qué rapidez ocurre la transcripción
Región reguladora EXON 1 EXON 2 EXON 3 EXON 4 EXON n Región reguladora
PROMOTOR
5` 3`
Intrón 1 Intrón 2 Intrón 3
Unidad de transcripción
Secuencia que no se traduce Secuencia que no se traduce
Modelo simplificado de un gen humano
Dra. Patricia Cuenca BergerINISA
Después del procesamiento postranscripcional del ARN transcrito primario, la secuencia de ARNm corresponde a las
secuencias de los exones y las no codificantes (UTRs).
Después del procesamiento postranscripcional del ARN transcrito primario, la secuencia de ARNm corresponde a las
secuencias de los exones y las no codificantes (UTRs).
Procesamiento postranscripcional del ARN
Corte en 5’ y unión de un “cap”(5-metilguanosina), para proteger del ataque de las exonucleasas, facilitar el transporte núcleo-citoplasma, y el anclaje del ARNm al ribosoma
Corte en 3’ y unión de una cola de poli-A (200 AMP), confiere estabilidad y ayuda en la traducción
Eliminación de los intrones, por formación de un complejo snARNs-proteinas: “spliceosoma”, el cual es específico. La especificidad de la reacción está dada por la complementaridad de las bases entre los pequeños ARNs nucleares y el ARN transcrito primario
ARN de transferencia activado: cargado con el aminoácido correspondiente
ARN de transferencia activado: cargado con el aminoácido correspondiente
CODIGO GENETICO
ARNm
CODIGO GENETICO
ARNm
DOGMA CENTRAL DE LA BIOLOGÌA MOLECULARDOGMA CENTRAL DE LA BIOLOGÌA MOLECULAR
Hebra moldeHebra molde
TranscripciónTranscripción
TraducciónTraducción
TRADUCCIÓN
ARN --- Proteína
TRADUCCIÓN
ARN --- Proteína
Cuatro monómeros de aminoácidos
Reacción de condensación
Polipéptido
Enlace peptídico catalizado por el complejo enzimático localizado en el ribosoma
01_03.jpgEstructura general de un aminoácido
POLARES Cargados
Sus moléculas están parcialmente cargadas
01_03_2.jpgPolares neutros
En sus residuos tienen grupos aminos, hidroxilos o sulfidrilos
01_03_3.jpgNo polares o hidrofóbicos
Estructura primaria(Secuencia lineal)
Residuos de los distintos aminoácidos
Estructura secundaria(forma adoptada espontáneamente)
Estructura terciaria(Forma tridimensional: globular,tubular, como una rueda, etc.)
Las proteínas sufren transformaciones post-traduccionales
Estructura cuaternaria: combinación de monómeros
Anemia falciforme:
Hemoglobina
HbA se transformaen HbS
La mutación es un cambio del segundonucleótido en el codón 6 en la subunidad beta
Adenina por timina
Ácido glutámico por valina
HbS Selección NaturalVentaja heterocigotoMalaria
Variaciones en la secuencia de bases del ADN que no causan alteraciones funcionales patológicas, son alelos o
polimorfismos del gen existentes en la población (>1%)
Variaciones en la secuencia de bases del ADN que no causan alteraciones funcionales patológicas, son alelos o
polimorfismos del gen existentes en la población (>1%)
Alteraciones en la secuencia de bases del ADN que alteran la función normal (produciendo patología)
del producto génico son mutaciones
Alteraciones en la secuencia de bases del ADN que alteran la función normal (produciendo patología)
del producto génico son mutaciones
Mutaciones Germinales o constitucionales:
El individuo las adquiere por herencia de sus padres, puede ocurrir de novo en una célula germinal de alguno de los padres.
Todas las células del cuerpo llevan la misma mutación Ejemplo: enfermedades hereditarias
Somáticas:
Se adquiere en el transcurso de la vida Es portada únicamente por la célula afectada y sus células
hijas. El individuo es un mosaico. Ejemplo: cáncer
•Clases de mutaciones:
Sustitución de bases:
1- Sustituciones sinónimas (otro codón : mismo aa)2- Mutaciones sin sentido (cambio a codón STOP)3- Mutaciones de sentido equivocado: sustitución del aa en la proteina4- Mutaciones en el sitio de corte y empalme del ARN.
•Otros tipos de mutaciones:
a- Mutaciones de cambio en el marco de lectura - deleciones - duplicaciones o insersionesb- Mutaciones dinámicas
•La patología molecular intenta explicar porque un cambio genético dado podría resultar en un fenotipo clínico particular.
16_01.jpg
Pérdida de función del gen PAX3: Síndrome de Waardenburg tipo I, sordera y anormalidades pigmentarias
Diferentes tipos de mutaciones afectan al gen, todas causan pérdida de función y el mismo resultado clínico
Cambio fenotípico por dos mecanismos:
1- pérdida o reducción de la función normal.2- el producto podría adquirir una nueva función.
•¿Por qué las mutaciones tienen diferentes tipos de herencia, dominantes, recesivas, etc?
Las leyes de Mendel se cumplen en la herencia de algunos rasgos y enfermedades humanas, las que son codificadas por un solo gen.
Leyes de Mendel: redescubiertas 1900Modelo de la doble hélice del ADN: 1953
Mutaciones hereditarias:¿Dominante o recesiva?
Mutaciones recesivas llevan a un producto génico con función reducida o con pérdida de función.
- Para la mayoría de los genes, es suficiente el producto de uno de los alelos (la mitad) para que se lleve a cabo la función normal. Por eso es que la mayoría de los errores innatos del metabolismo son recesivos.
Mutaciones dominantes llevan a un producto génico con ganancia de función.
- La ganancia de función causa fenotipos dominantes porque la presencia del producto normal no previene que el producto mutado se “comporte” anormalmente.
La adquisición de una nueva función es un evento raro en enfermedades hereditarias, pero muy común en cáncer
•Clases de mutaciones:
Sustitución de bases:
1- Sustituciones sinónimas (otro codón : mismo aa)2- Mutaciones sin sentido (cambio a codón STOP)3- Mutaciones de sentido equivocado: sustitución del aa en la proteina4- Mutaciones en el sitio de corte y empalme del ARN.
•Otros tipos de mutaciones:
a- Mutaciones de cambio en el marco de lectura - deleciones - duplicaciones o insersionesb- Mutaciones dinámicas
•La patología molecular intenta explicar porque un cambio genético dado podría resultar en un fenotipo clínico particular.
16_01.jpg
Pérdida de función del gen PAX3: Síndrome de Waardenburg tipo I, sordera y anormalidades pigmentarias
Diferentes tipos de mutaciones afectan al gen, todas causan pérdida de función y el mismo resultado clínico
Cambio fenotípico por dos mecanismos:
1- pérdida o reducción de la función normal.2- el producto podría adquirir una nueva función.
•¿Por qué las mutaciones tienen diferentes tipos de herencia, dominantes, recesivas, etc?
Las leyes de Mendel se cumplen en la herencia de algunos rasgos y enfermedades humanas, las que son codificadas por un solo gen.
Leyes de Mendel: redescubiertas 1900Modelo de la doble hélice del ADN: 1953
Mutaciones hereditarias:¿Dominante o recesiva?
Mutaciones recesivas llevan a un producto génico con función reducida o con pérdida de función.
- Para la mayoría de los genes, es suficiente el producto de uno de los alelos (la mitad) para que se lleve a cabo la función normal. Por eso es que la mayoría de los errores innatos del metabolismo son recesivos.
Mutaciones dominantes llevan a un producto génico con ganancia de función.
- La ganancia de función causa fenotipos dominantes porque la presencia del producto normal no previene que el producto mutado se “comporte” anormalmente.
La adquisición de una nueva función es un evento raro en enfermedades hereditarias, pero muy común en cáncer
Variabilidad de los genesGen Tamaño N° exones
ARNt 100 pb 2
-globina 1.600 pb 3
colágenoVII 31.000 pb 118
Distrofina 2.400.000 pb 79
Genes dentro de genes:
Ej: el intrón 27 del gen NF1 contiene 3 genes
Genes que se sobreponen:
Ej: algunos genes mitocondriales
Proteoma
Es el set de genes que codifican para proteínas Distribución por su función en el GH: Procesos ADN (replic, trans, trad.) 22% Metabolismo 17% División celular 12% Defensa 12% Regulación y señales 12% Estructura 8% Función desconocida 17%