Estructura del material genético y su relación con la replicación

1. Estructura y replicación
del material genético
Dr. Antonio Barbadilla
Tema 6: Estructura y replicación del
material genético
1
1

2. Estructura y replicación del material
genético
Deberán quedar bien claros los siguientes puntos:
•Cómo se descubrió la naturaleza química del
material hereditario
•La composición química de los ácidos nucleicos
•La estructura 3D del DNA: naturaleza
complementaria y antiparalela de la doble cadena
del ácido desoxirribonucleico (DNA)
•La extraordinaria capacidad explicativa del
modelo del DNA de la función biológica
fundamental de esta molécula
•La replicación semiconservativa
•Enzimología de la replicación
Dr. Antonio Barbadilla
Tema 6: Estructura y replicación del 2
material genético
2

3. La transformación bacteriana en
Streptococcus pneumoniae (Griffith 1928)
Rugosa
Muerte por neumonía Cepa resistente
Lisa
Dr. Antonio Barbadilla
No muere Tema 6: Estructura y replicación del
Muere 3
material genético
3

4. ¿Cuál es el Principio transformante?
Principio
Rugosa Lisa
Dr. Antonio Barbadilla
Tema 6: Estructura y replicación del 4
material genético
4

5. Colin MacLeod
El elemento transformante Maclyn McCarty
es el DNA (1944)
Oswald
Avery
Ver animación
experimento
tranformación
bacteriana
Dr. Antonio Barbadilla
Sólo DNA produce transformación 6: Estructura y replicación del
Tema 5
material genético
5

6. Experimento de Alfred Hershey y Martha
Chase con fagos (1952)
Bacteriófago T4
El DNA es el
material
infeccioso
Dr. Antonio Barbadilla
Tema 6: Estructura y replicación del 6
material genético
6

7. Componentes de los ácidos nucleicos
adenina
timina
guanina
citosina
Dr. Antonio Barbadilla
Tema 6: Estructura y replicación del 7
material genético
7

8. Reglas de Chargaff
1. Proporción de purinas = Proporción de pirimidinas
A+G=C+T
2. A=T
3. G=C
Dr. Antonio Barbadilla
Tema 6: Estructura y replicación del 8
material genético
8

9. 1953. Año culminante:
J. Watson y F. Crick resuelven la
estructura tridimensional del DNA
(Nature 171: 737-738)
Watson y yo hemos
encontrado el
secreto de la vida
Dr. Antonio Barbadilla
Tema 6: Estructura y replicación del 9
material genético
9

10. 1953. Año culminante:
Dos líneas de evidencia:
•Reglas de Chargaff
•Fotografías de difracción de rayos X
Dr. Antonio Barbadilla
Tema 6: Estructura y replicación del 10
material genético
10

11. Significado reglas de Chargaff
Complementariedad de lasEstructura y replicación del
Tema 6: bases
Dr. Antonio Barbadilla
11
material genético
11

12. Difracción de rayos X
Hemoglobina
Linus Pauling
Dr. Antonio Barbadilla
Tema 6: Estructura y replicación del 12
material genético
12

13. Interpretación del patrón difracción de rayos X del DNA
Rosalind E.
Franklin
Dr. Antonio Barbadilla
Crick
Tema 6: Estructura y replicación del 13
material genético
13

14. Modelo en metal
del DNA
J. Watson y F. Crick
Concluyen: La estructura del DNA es una
doble hélice, formada por cadenas orientadas
en direcciones opuestas (antiparalelas). La
estructura se mantiene gracias a enlaces de
hidrógeno entre las bases nitrogenadas que se
encuentran orientadas haciaEstructura y replicación del 14
Dr. Antonio Barbadilla
Tema 6:
el interior de las
14 cadenas material genético

15. Doble hélice, formada La estructura se mantiene gracias
por cadenas orientadas a enlaces de hidrógeno entre las
bases nitrogenadas que se
en direcciones opuestas
encuentran orientadas hacia el
(antiparalelas).
Dr. Antonio Barbadilla
interior de las cadenas15
Tema 6: Estructura y replicación del
material genético
15

16. Desnaturalización del DNA
•Separación de las dos hebras por calor
•Una mayor proporción G-C tiene una mayor
temperatura de desnaturalización (‘fusión’)
100
Porcentaje G + C
80
60
40
20
Dr. Antonio Barbadilla
70 80 90 100 110
Temperatura de fusión (desnaturalización)
Tema 6: Estructura y replicación del 16
material genético
16

17. Dr. Antonio Barbadilla
Hélices levógiras y dextrógiras
Tema 6: Estructura y replicación del 17
material genético
17

18. DNA-B dextrógira
Dr. Antonio Barbadilla
Tema 6: Estructura y replicación del 18
material genético
18

19. Ver artículo
Nature
1953
Dr. Antonio Barbadilla
Tema 6: Estructura y replicación del 19
material genético
19

20. Dr. Antonio Barbadilla
Tema 6: Estructura y replicación del 20
material genético
20

21. La estructura del DNA suministra una
explicación asombrosamente
simple del fenómeno de la herencia
La estructura explica:
•La naturaleza de la secuencia lineal de los genes
(información digital cuaternaria en secuencias
unidimensionales de monómeros A,T,G,C)
•El mecanismo de replicación exacta de los
genes
•La naturaleza química de las mutaciones
•Por qué la mutación, la recombinación y la
expresión génica son fenómenos separables a
nivel molecular
Dr. Antonio Barbadilla
Tema 6: Estructura y replicación del 21
material genético
21

22. Esencial a la relación
íntima entre estructura
molecular y función
genética del DNA es el
concepto de molde
La complementariedad de las
bases nitrogenadas permite que
la secuencia de una cadena
sencilla de DNA actúe como un
molde para la formación de una
copia complementaria de DNA
(replicación) o de mRNA
(transcripción)
Dr. Antonio Barbadilla
Tema 6: Estructura y replicación del 22
material genético
22

23. Y ahora las declaraciones de Watson y
Crick sobre el ADN. Esto es para mí la
prueba verdadera de la existencia de Dios
Salvador Dalí
Antes pensábamos que nuestro futuro
estaba en las estrellas. Ahora sabemos que
está en nuestros genes.
James Watson
Dr. Antonio Barbadilla
Tema 6: Estructura y replicación del 23
material genético
23

24. Una estructura
tan bonita tenía,
por fuerza, que
existir
Dr. Antonio Barbadilla
Tema 6: Estructura y replicación del 24
24 material genético J. Watson

25. Una estructura
tan bonita tenía,
por fuerza, que
existir
Dr. Antonio Barbadilla
Tema 6: Estructura y replicación del J. Watson
25
material genético
25

26. El DNA
contiene información
digital cuaternaria en
secuencias unidimensionales
de monómeros A,T,G,C
Dr. Antonio Barbadilla
(cristal aperiódico)
26
Tema 6: Estructura y replicación del
material genético
26

27. Hay grandeza en esta concepción de la
vida,... que mientras este planeta ha ido
girando según la constante ley de la
gravitación, se han desarrollado y se están
desarrollando, a partir de una molécula tan
un comienzo
helicoidal asombrosa, infinidad de formas
sencillo, infinidad de formas cada vez más
cada vez más bellas
bellas y maravillosasy maravillosas
Charles Darwin
Dr. Antonio Barbadilla
Tema 6: Estructura y replicación del 27
material genético
27

28. Dr. Antonio Barbadilla
Tema 6: Estructura y replicación del 28
material genético
28

29. Replicación del DNA
Dr. Antonio Barbadilla
Tema 6: Estructura y replicación del 29
material genético
29

30. 25 de Abril 1953
It has not escaped our notice that the
specific pairing we have postulated
immediately suggests a possible
copying mechanism for the genetic
material.
Dr. Antonio Barbadilla
Tema 6: Estructura y replicación del 30
material genético
30

31. Posibles modelos de replicación
Dr. Antonio Barbadilla
Tema 6: Estructura y replicación del 31
material genético
31

32. Replicación del DNA
•Semiconservativa: una cadena sirve de molde para una
nueva cadena
•El experimento de M. Meselson y F. Stahl (1958)
demuestra que la replicación es semiconservativa
Mathew Meselson Frank Stahl
Dr. Antonio Barbadilla
Tema 6: Estructura y replicación del 32
material genético
32

33. Dr. Antonio Barbadilla
Tema 6: Estructura y replicación del 33
material genético
33

34. Replicación del DNA
•Enzimas que sintetizan (replican) el DNA
•E. coli
•DNA polimerasa I (rellena huecos y repara)
•DNA polimerasa II y III (función principal en
la síntesis)
•Añade bases en ambas cadenas en la
dirección 5’ → 3’
•Requiere un 3’ OH final
•Eucariotas
•5 polimerasas
∀α y β principal en replicación
∀δ, ε y γ exonucleasas
•Corrección de pruebas: actividad 3’ → 5’
exonucleotídica. Sustituye bases mal emparejadas
(10-5) por correctas (10-7); mecanismos de reparación
Dr. Antonio Barbadilla
adicionales la reducen hasta 10-10 Tema 6: Estructura y replicación del 34
material genético
34

35. 3’ 5’
Las polimerasas
conocidas añaden
nucleótidos
solamente en la
dirección 5’ → 3’
Dr. Antonio Barbadilla
Tema 6: Estructura y replicación del 35
material genético
35

36. Dr. Antonio Barbadilla
Tema 6: Estructura y replicación del 36
material genético
36

37. ¿Por qué no hay una enzima que
polimerice en la dirección 3´-> 5?
No funcionaría la corrección de errores por
falta de un trifosfato que suministre la
energía de enlace covalente azúcar-fosfato
Dr. Antonio Barbadilla
Tema 6: Estructura y replicación del 37
material genético
37

38. Adición 5’3’
Dr. Antonio Barbadilla
Tema 6: Estructura y replicación del 38
material genético
38

39. P
P
P
P
P
P
P
P
P
P
OH
OH
P
P
P
P
PP
P
OH
5’ 3’
P
PP + H2O
P
P
P
P
P
P
P
P
P
P
OH
PP
P
OH
P
OH
Dr. Antonio Barbadilla
Tema 6: Estructura y replicación del 39
P
P
P
P
P
material genético
39

40. Adición 3’5’
(hipotética)
Dr. Antonio Barbadilla
Tema 6: Estructura y replicación del 40
material genético
40

41. P
P
P
P
P
P
P
P
OH
OH
P
P
P
P
P
P
P
PPP
OH
PP
3’ 5’
P
PP + H2O
P
P
P
P
P
P
P
P
P
OH
PPP
OH
Adición 3’5’
OH
(hipotética)
P
P
Dr. Antonio Barbadilla
P
P
P
P
P
P
P
PP
Tema 6: Estructura y replicación del 41
P
material genético
41

42. Corrección de errores
Dr. Antonio Barbadilla
Tema 6: Estructura y replicación del 42
material genético
42

43. P
P
P
P
P
P
P
P
P
P
OH
POH
P
P
P
P
PP
P
OH
5’ 3’
P
PP + H2O
P
P
P
P
P
P
P
P
P
P
OH
Adición 5’3’
OH
Dr. Antonio Barbadilla
Tema 6: Estructura y replicación del 43
P
P
P
P
P
material genético
43

44. P
P
P
P
P
P
P
P
OH
OH
POH
P
P
P
P
P
P
P
P
PP
3’ 5’
P
Adición 3’5’
(hipotètica)
Dr. Antonio Barbadilla
Tema 6: Estructura y replicación del 44
material genético
44

45. Replicación del DNA (2)
•Replicación: continua (cadena adelantada, cebador
sólo inicio) y discontinua (cadena retrasada)
•Discontinua
•Cebador (pequeño RNA 2-60 nucleótidos
añadido por enzima primasa o RNA pol que
provee 3’ OH.
•Fragmento de Okazaki por DNA pol III
(1500 bp en procariotas y 150 en eucariotas)
•Pol I elimina cebador 3’ -> 5’ y llena huecos
(gap)
•Ligación (DNA ligasa, enlace fosfodiéster)
Dr. Antonio Barbadilla
Tema 6: Estructura y replicación del 45
material genético
45

46. Dr. Antonio Barbadilla
Tema 6: Estructura y replicación del 46
material genético
46

47. Dr. Antonio Barbadilla
Tema 6: Estructura y replicación del 47
material genético
47

48. Polimerasa III
Polimerasa I
Dr. Antonio Barbadilla
Tema 6: Estructura y replicación del 48
material genético
48

49. ¿Por qué el cebador es RNA?
El cebador es más proclive al error, por
lo que debería eliminarse y el RNA
puede detectarse y eliminarse
fácilmente por la DNApol I
Dr. Antonio Barbadilla
Tema 6: Estructura y replicación del 49
material genético
49

50. Replicación del DNA (3)
El replisoma: complejo enzimático de la
replicación que coordina la síntesis de las
dos cadenas, maquinaria molecular
•Dímero de la DNA pol III (núcleos
catalíticos)
•Primosoma: formado por dos enzimas
•Primasa
•Helicasa (desenrolla el DNA)
•Proteína de unión a cadena sencilla, ssb
(Unión Y, estabiliza el DNA de cadena
sencilla)
•Topoisomerasas tipo I (rotura una cadena)
y II (rotura de dos cadenas) junto a DNA
ligasa -> Relajación del superenrollamiento50
Dr. Antonio Barbadilla
Tema 6: Estructura y replicación del
material genético
50

51. El replisoma: una maquinaria de replicación extraordinaria
Dr. Antonio Barbadilla
Tema 6: Estructura y replicación del 51
material genético
51

52. El replisoma: una maquinaria de replicación extraordinaria
Dr. Antonio Barbadilla
Tema 6: Estructura y replicación del 52
material genético
52

53. El replisoma: una maquinaria de replicación extraordinaria
DNA pol III + abrazadera beta -> Enzima procesiva
Dr. Antonio Barbadilla
Tema 6: Estructura y replicación del 53
material genético
53

54. El replisoma: una maquinaria de replicación extraordinaria
Dr. Antonio Barbadilla
Tema 6: Estructura y replicación del 54
material genético
54

55. Topoisomerasas
Dr. Antonio Barbadilla
Tema 6: Estructura y replicación del 55
material genético
55

56. Replicación del DNA (4)
•Origen de replicación:
•Secuencia reconocida (Ori C en E. coli) por
proteínas iniciadoras. Varios orígenes en
eucariotas
•La replicación es bidireccional
Horquilla
replicación
Dr. Antonio Barbadilla
Tema 6: Estructura y replicación del 56
material genético
56

57. En el DNA nuclear de eucariotas hay muchos orígenes de
replicación (~500 en levaduras y 60000 en mamíferos). Cada
unidad de replicación es un replicón. La replicación es
bidireccional
Dr. Antonio Barbadilla
Tema 6: Estructura y replicación del 57
material genético
57

58. En el DNA nuclear de eucariotas hay muchos orígenes de
replicación (~500 en levaduras y 60000 en mamíferos). Cada
unidad de replicación es un replicón. La replicación es
bidireccional
Dr. Antonio Barbadilla
Tema 6: Estructura y replicación del 58
material genético
58

59. Links de interés
Watson-Crick original paper (1953 Nature)
Trabajos estelares del descubrimiento de la doble hélice
DNA: el secreto de la vida (Animación)
Celebración 50 aniversario descubrimiento de la doble hélice en
DNA Structure
The Search for DNA - The Birth of Molecular Biology
Image Library of Biological Macromolecules - DNA
DNA berkeley
DNA Learning Center
Beginner's guide to Molecular Biology
Glosario de Genética molecular
DNA Replication
Animación de la replicación
Dr. Antonio Barbadilla
Tema 6: Estructura y replicación del 59
material genético
59