Acidos nucleicos(ebn)

Replicación Biología Molecular. Programa
Transcripción Traducción

DNA RNA Proteínas

Retrotranscripción

-Composición y Estructura de los Ácidos Nucleícos
-Replicación
-Transcripción
-Código Genético y Traducción
-Regulación
-Tecnología del DNA Recombinante: Medicina Forense
Diagnostico Molecular
Bibliografía: Stryer 5 edición
Voet 3 edición
Lehninger 3 edición

Tema 12

Introducción a la biología molecular
Estructura de los ácidos nucleicos

Tema 11

Introducción a la biología molecular
Estructura de los ácidos nucleicos

1.- Introducción.

2.- Bases nitrogenadas.

3.- Nucleósidos y nucleótidos.

4.- Estructura del ADN.

5.- ADN como material genético.

6.- ARNs.

7.- Secuenciación

Tema 11: Introducción a la biología molecular

Introducción

Genética: investigación científica de la herencia
Genoma: conjunto de información genética de un
organismo.
Biología molecular: ciencia que estudia la estructura y
función de los genomas.
Estudia como la información genética se
transmite de una generación a otra y como los genes
gobiernan la actividad celular

Actualmente se sabe que el ácido desoxirribonucleico
es el depositario y transmisor de esta información
tanto en procariotas como en eucariotas

Ácidos Nucleicos. Reseña Cronológica
Estudia la composición química del pus: encuentra una
F. Miescher
fracción precipitable por ácido diluído que denomina
1865
nucleína
Encuentra un material parecido a la nucleína en el
esperma de salmón, y lo fracciona en una componente
Phoebus Levene
proteico (protamina) y un componente que contiene
1930-1940 fósforo, de carácter ácido, que Altmann denomina
ácido nucleico
La hidrólisis química completa de un ácido nucleico da
lugar a una mezcla equimolar de:

A. Una base nitrogenada heterocíclica, purina o pirimidina
B. Una pentosa, ribosa o desoxirribosa
C. Ortofosfato

Determinó que el ADN estaba formado por
4 tipos distintos de nucleótidos.
Adenina, Timina, Guanina y Citosina


Introducción
Los ácidos nucléicos son polímeros de muy alto peso molecular que están
compuestos por nucleótidos

NH2
N
O N
-
O P O CH2 N
O N
-
O H H
H
OH OH

Pentosa Base

Fosfato Nucleósido

Nucleótido


Introducción

Las unidades estructurales de los ácidos nucleicos se denominan nucleótidos

Base
Nitrogenada

Fosfato

Pentosa Enlace N-glucosídico

Entre el C1´de la pentosa y la
posición 1 ó 9 de la base pirimidínica
Enlace fosfodiester con el o púrica, respectivamente
grupo OH del C5´ del azúcar


Composición de los ácidos nucleicos

Azúcar


Azúcar

5’ 1’
4’

3’ 2’



Azúcar

DESOXIRRIBOSA RIBOSA
(β-2-D-desoxirribosa) (β-D-ribosa)

5’CH20H 5’CH20H
o H o H
4’C C 1’ 4’C C 1’
ADN H
H H OH H
H H OH ARN
3’C C 2’ 3’C C 2’
OH H OH OH

La diferencia con la
desoxiribosa
es un grupo hidroxilo
en el carbono 2


Introducción

Bases nitrogenadas

ADN: A,T G y C

ARN: A,U,G y C


Bases nitrogenadas

PIRIMIDINA PURINA

Anillo aromático heterocíclico Anillo de pirimidina más un anillo
con 2 átomos de N imidazol que forman una estructura
con 4 átomos de N

NH2 O
N N
N HN

N NH H2N N NH
Adenina: 6-amino purina Guanina: 2-amino 6-oxo purina

NH2 O O
CH3
N HN HN

O N O N O N
Citosina: Uracilo: Timina:
2-oxo 4-amino 2,4-dioxo 2,4-dioxo
pirimidina pirimidina 5-metil pirimidina


Bases nitrogenadas

PIRIMIDÍNICAS

Posición 1


Bases nitrogenadas

PÚRICAS

Posición 9


Propiedades de las bases

1. Carácter levemente básico.

2. Solubilidad escasa en agua.

3. Espectro de absorción con máximo a 260 nm.

4. Posibilidad de formas tautoméricas.

Tipo de isomería que hace que una sustancia pueda existir en
varias formas con diferente disposición estructural de sus átomos


Bases nitrogenadas

Los nucleótidos existen en diferentes formas tautoméricas o tautómeros

Formas Tautoméricas
de las bases


Las formas tautoméricas repercuten en el apareamiento de las bases
Las formas tautoméricas repercuten en el apareamiento de las bases


Formas tautoméricas

pH neutro

Guanina


Nucleótido
Los nucleótidos pueden presentarse en configuración
syn o anti en función del enlace glicosídico Pirimidinas sólo
configuración anti

Purinas

Introducción

Nucleósido: Base nitrogeneda + azúcar

Nomenclatura

Base Nucleósido

Adenina Adenosina
Guanina Guanosina
Citosina Citidina
Uracilo Uridina
Timina Timidina

Propiedades químicas de los nucleósidos

1. Incremento marcado en solubilidad con respecto a la de la base

2. Reacciones propias de la pentosa: Reacción del orcinol (ribo-)
y de la difenilamina (desoxirribo-)

3. Absorción a 260 nm como las bases aisladas



Fosfato

Ión estable formado a partir del ácido fosfórico H3PO4

O

-O P O-

OH

Confiere la carga negativa al nucleótido

Normalmente se unen al grupo hidroxilo del carbono 5 (C5´) de la pentosa


Introducción

Nucleósido: Base nitrogeneda + azúcar

Nucleótido: Base nitrogeneda + azúcar + fosfato


Introducción

Otras funciones de los nucleótidos
Otras funciones de los nucleótidos

ATP: Importante en el metabolismo energético

GTP: Síntesis de proteínas

CTP: Síntesis de lípidos

UTP: Metabolismo de carbohidratos

Propiedades de los nucleótidos

1. Carácter ácido debido al fosfato

2. Solubilidad incrementada respecto al nucleósido

3. Máximo de absorbancia UV a 260 nm

4. Misma reactividad que bases y nucleósidos


¿ Cómo están organizados los nucleótidos
¿ Cómo están organizados los nucleótidos
en la molécula de ADN ?
en la molécula de ADN ?


ESTRUCTURA PRIMARIA DEL ADN
La constituye la secuencia de desoxirribonucleótidos de una de las
cadenas.

Los nucleótidos se unen para formar la cadena de ADN mediante un enlace fosfodiester
entre el C3’de la pentosa con el grupo fosfato del siguiente nucleótido.

La cadena de DNA está polarizada, presentando un grupo fosfato libre en el C5´del
nucleótido de un extremo y un grupo OH libre en el C3´del nucleótido del otro extremo.

Por convenio se establece la dirección 5´- 3´.

El orden exacto de los nucleótidos es fundamental para la información genética que
contiene el ADN.


ESTRUCTURA PRIMARIA DEL ARN

5´

3´


1949

Erwin Chargaff

Analizó el contenido molar de las bases de ADN procedente de diversos
organismos y descubrió que en todos los casos [A]=[T] y que [G]=[C],
o lo que es lo mismo, [A+G]=[T+C] ([purinas]=[pirimidinas]).

Esta es la llamada ley de Chargaff.


Ley de Chargaff

El DNA es el material genético

Experimento de Avery (1944)

Experimento de Hersey y Chase
Experimento de Hersey y Chase
(1950)
(1950)

Estructura Secundaria Desconocida


ADN como material genético


Rough Smooth

El neumococo tipo R puede ser transformado en neumococo tipo S por
el ADN del neumococo S. Esta transformación se transmite a la
descendencia.


Rosalind Franklin Maurice Wilkins

Al principio de los años 50 realizaron los primeros estudios físicos con ADN cristalizado mediante la
técnica de difracción de rayos X

(1) la molécula de ADN es una cadena extendida con una estructura altamente ordenada.

(2) la molécula de ADN es helicoidal y tiene 20 Å de diámetro.

(3) la hélice del ADN está compuesta por dos hebras helicoidales.

(4) las bases de los nucleótidos están apiladas con los planos separados por una distancia de 3,4 Å.

En 1953, James Watson y Francis Crick combinaron los datos químicos y físicos del ADN, y
propusieron un modelo estructural del ADN.


En 1953, James Watson y Francis Crick combinaron los datos químicos y físicos del ADN, y
propusieron un modelo estructural del ADN.

* Las dos hebras están enrolladas una alrededor de la otra formando una doble hebra helicoidal

* Las dos cadenas de polinucleótidos se mantienen equidistantes, al tiempo que se enrollan en torno
a un eje imaginario.

* El esqueleto azúcar-fosfato (formado por una secuencia alternante de desoxirribosa y fosfato,
unidos por enlaces fosfodiéster 5'-3') sigue una trayectoria helicoidal en la parte exterior de la
molécula.
* Las bases se dirigen hacia el interior. Las bases de una hebra están enfrentadas con las de la otra,
formando los llamados pares de bases (pb). Las bases interaccionan entre sí mediante puentes de
hidrógeno. Las dos bases que forman un pb están en el mismo plano y dicho plano es perpendicular
al eje de la hélice.


MODELO WATSON Y CRICK DEL ADN

El apareamiento siempre es entre una purina y una pirimidina.

Factores estéricos y formación de puentes de Hidrógeno

Configuración ceto y amino de las bases


APAREAMIENTOS WATSON Y CRICK DEL ADN


ESTRUCTURA SECUNDARIA DEL ADN

Hace referencia a la distribución en el espacio de la molécula de DNA
El primer modelo estructural fue propuesto por Watson y Crick, basándose en los estudios
de difracción de rayos X realizados por Rosalind Franklin


Diámetro 20 A
H O
N
-
O O H O
N
P O N CH2
- H
O N O
O N O
H O-
N P
H2C N N
O H O O-

N
-
O O N O
Distancia entre dos
O
H H CH2
P N
-
O
O
N N O nucleótidos 3,4 A.
H O-
N
N P Girados 36 grados
H2C H H
N O O O-
O
H N
N O
-
O O N
H CH2
P O
- N N
O H3C H O
O N O-
P
H2C N O H3C O O-
O

- O
O
O
Hay 10 nucleótidos por vuelta y la
H
distancia del paso de rosca es de 34 A
O N
H N CH2
P N
- H
O N O O
O N O-
P
H2C N
O
N H O O-
N
-
O O H O
N
O N CH2
P
- H
O N O
O N O
H O-
N P
H2C N N
O H O O-

O


Cadenas antiparalelas

Surco Mayor

Surco Menor

Paso de
rosca de
la hélice



Los surcos mayor y menor aparecen debido a que los enlaces glicosídicos de cada
par de base no están dispuestos de forma diametralmente opuesta.

Surcos mayor y menor del ADN

4
6 6
2 2
3 3


Fuerzas que estabilizan la doble helice

* Puentes de Hidrógeno entre las bases

* Interacciones Hidrofóbicas

* Interacciones electrostáticas del fosfato



Más abundante en
Regiones ricas en G-C
condiciones fisiológicas Baja hidratación Alta fuerza iónica
92% de humedad y
baja fuerza iónica



DNA B DNA vs aDNA http://info.bio.cmu.edu/Courses/BiochemMols/DNA/DNA.html


B-ADN



A-ADN

Doble hélice de RNA
Híbridos RNA-DNA



Características estructurales de las formas A-, B- y Z- del DNA.

A B Z

Sentido de la hélice Dextrógira Dextrógira Levógira

Diámetro Aprox. 26Å Aprox. 20Å Aprox. 18Å

Giro de la hélice por par de bases 33º 36º 60º

Pares de bases por vuelta de hélice 11 10 12

Paso de rosca de la hélice 25,3Å 34Å 45,6Å

Elevación de la hélice por par de bases 2,3Å 3,4Å 3,8Å

Inclinación de las bases 19º 1,2º 9º



Características estructurales de las formas A-, B- y Z del DNA.

A B Z

Surco Mayor Estrecho y profundo Ancho y profundo Plano

Surco Menor Ancho y poco profundo Estrecho y profundo Estrecho y profundo

Átomo desplazado en el azúcar C(3’)-endo C(2’)-endo C(2’)-endo pirimid.
C(3’)-endo purinas
Enlace glucosídico Anti Anti Anti para pirimid.
Sin para purinas


ESTRUCTURA TERCIARIA DEL ADN

Representa la forma superenrollada de la estructura secundaria.

Es la forma en la que se encuentra generalmente el DNA en el interior de la célula



En procariotas el DNA se encuentra en forma circular

En eucariotas se encuentra en forma lineal pero
altamente empaquetado

Repercusiones sobre los procesos donde se tienen que separar las
hebras de DNA (replicación y transcripción)


TOPOLOGÍA DEL ADN


TOPOLOGÍA DEL ADN

L = T + W


TOPOLOGÍA DEL ADN

Super enrrollado
Relajado

Topoisomerasas: Enzimas encargadas de modificar la topología del ADN

Topoisomerasa I: L = +1

Topoisomerasa II (GIRASA): L= -2

Inhibidores de la GIRASA (Adriamicina) utilizados en quimioterapia


Todo el DNA de un organismo procariota característico como
E. Coli está contenido en una única molécula grande de DNA
circular . Este “cromosoma procariota “ está superenrollado
formando complejos con las proteínas .

En eucariotas , el material genético está subdividido en
cromosomas cuyo número depende de la especie, puede variar
entre uno y 190.

La mayor parte de los procariotas son haploides, una sola copia
se su cromosoma, la mayor parte de las células eucariotas son
diploides, es decir dos copias de cada cromosoma, aunque hay
especies que pueden tener varias copias, poliploides.

Sólo son visibles durante el proceso de
división celular en la mitosis

Cuando el material cromosómico es amorfo y
formando una masa enmarañada de fibras, y
que se encuentra disperso por todo el nucleo
se llama cromatina

La cromatina está formada por proteínas y
DNA .



Organizado en cromosomas

Localización eminentemente nuclear
(mitocondrias y cloroplastos)

Células eucariotas


ESTRUCTURA DEL CROMOSOAMA EUCARIÓTICO
Niveles de Organización
ADN

Fibra de 10 nm: Nucleosoma

Fibra de 30 nm: Solenoide

Lazos

Minibanda

Cromosoma



Nucleosoma

Proteínas ricas en Arg o Lys por lo que
interaccionan electrostáticamente con los
grupos fosfato del DNA.



Histonas. Proteínas relativamente pequeñas, ricas en Arg y Lys.
Cargadas positivamente a pH fisiológico

Tipos

H1, H2a, H2b, H3 y H4

Nucleosoma formado por un octámero de Histonas: (H2a,H2b)2; (H3,H4)2

H4 H3
H2b H2a

Animación


Fibra de 30 nm: Solenoide


ESTRUCTURA DEL ADN PROCARIÓTICO

Células procariotas
Cromosoma bacteriano
Plásmidos

DNA de E. Coli
Circunferencia de 1mm

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