BIOTECNOLOGÍA

1. EEssttrruuccttuurraa yy rreepplliiccaacciióónn
ddeell mmaatteerriiaall ggeennééttiiccoo
Dr. Antonio Barbadilla
Tema 6: Estructura y replicación 1 1

2. EEssttrruuccttuurraa yy rreepplliiccaacciióónn ddeell mmaatteerriiaall
Dr. Antonio Barbadilla
OObbjjeettiivvooss tteemmaa 66::
ggeennééttiiccoo
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
Tema 6: Estructura y replicación 2 2

3. SSttrreeppttooccooccccuuss ppnneeuummoonniiaaee (GGrriiffffiitthh 11992288)
Dr. Antonio Barbadilla
LLaa ttrraannssffoorrmmaacciióónn bbaacctteerriiaannaa eenn
Muerte por neumonía Cepa resistente
Rugosa
No muere Muere
Tema 6: Estructura y replicación 3 3
Lisa

4. ¿CCuuááll eess eell PPrriinncciippiioo ttrraannssffoorrmmaannttee??
Dr. Antonio Barbadilla
Principio
Rugosa Lisa
Tema 6: Estructura y replicación 4 4

5. EEll eelleemmeennttoo ttrraannssffoorrmmaannttee
eess eell DDNNAA (11994444)
Dr. Antonio Barbadilla
Oswald
Avery
Colin MacLeod
Maclyn McCarty
VVeerr aanniimmaacciióónn
eexxppeerriimmeennttoo
ttrraannffoorrmmaacciióónn
bbaacctteerriiaannaa
Sólo DNA produce transformación
Tema 6: Estructura y replicación 5 5

6. EExxppeerriimmeennttoo ddee AAllffrreedd HHeerrsshheeyy yy MMaarrtthhaa
Dr. Antonio Barbadilla
CChhaassee ccoonn ffaaggooss (11995522)
Bacteriófago T4
El DNA es el
material
infeccioso
Tema 6: Estructura y replicación 6 6

7. Dr. Antonio Barbadilla
CCoommppoonneenntteess ddee llooss áácciiddooss nnuucclleeiiccooss
adenina
citosina
guanina
timina
Tema 6: Estructura y replicación 7 7

8. 1. Proporción de purinas = Proporción de pirimidinas
2. A = T
3. G = C
Dr. Antonio Barbadilla
RReeggllaass ddee CChhaarrggaaffff
A + G = C + T
Tema 6: Estructura y replicación 8 8

9. Dr. Antonio Barbadilla
11995533.. AAññoo ccuullmmiinnaannttee::
JJ.. WWaattssoonn yy FF.. CCrriicckk rreessuueellvveenn llaa
eessttrruuccttuurraa ttrriiddiimmeennssiioonnaall ddeell DDNNAA
(NNaattuurree 117711:: 773377--773388)
Watson y yo hemos
encontrado el
secreto de la vida
Tema 6: Estructura y replicación 9 9

10. 11995533.. AAññoo ccuullmmiinnaannttee::
Dos líneas de evidencia:
•Reglas de Chargaff
•Fotografías de difracción de rayos X
Dr. Antonio Barbadilla
Tema 6: Estructura y replicación 10 10

11. Dr. Antonio Barbadilla
Significado reglas de Chargaff
Complementariedad de las bases
Tema 6: Estructura y replicación 11 11

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

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

14. JJ.. WWaattssoonn yy FF.. CCrriicckk
CCoonncclluuyyeenn: 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 hacia el interior de las
cadenas
Dr. Antonio Barbadilla
MMooddeelloo eenn mmeettaall
ddeell DDNNAA
Tema 6: Estructura y replicación 14 14

15. Dr. Antonio Barbadilla
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 hacia el
interior de las cadenas
Tema 6: Estructura y replicación 15 15

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

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

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

19. Dr. Antonio Barbadilla
VVeerr aarrttííccuulloo
NNaattuurree
11995533
Tema 6: Estructura y replicación 19 19

20. Dr. Antonio Barbadilla
Tema 6: Estructura y replicación 20 20

21. LLaa eessttrruuccttuurraa ddeell DDNNAA ssuummiinniissttrraa uunnaa
eexxpplliiccaacciióónn aassoommbbrroossaammeennttee
ssiimmppllee ddeell ffeennóómmeennoo ddee llaa hheerreenncciiaa
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 21 21

22. EEsseenncciiaall aa llaa rreellaacciióónn
íínnttiimmaa eennttrree eessttrruuccttuurraa
mmoolleeccuullaarr yy ffuunncciióónn
ggeennééttiiccaa ddeell DDNNAA eess eell
ccoonncceeppttoo ddee mmoollddee
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 22 22

23. Dr. Antonio Barbadilla
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
Tema 6: Estructura y replicación 23 23

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

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

26. El DNA
contiene información
digital cuaternaria en
secuencias unidimensionales
de monómeros A,T,G,C
Dr. Antonio Barbadilla
(cristal aperiódico)
Tema 6: Estructura y replicación 26 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 un comienzo tan
helicoidal sencillo, infinidad asombrosa, de formas infinidad cada de vez formas
más
cada bellas vez y maravillosas
más bellas y maravillosas
Dr. Antonio Barbadilla
una molécula
Charles Darwin
Tema 6: Estructura y replicación 27 27

28. Dr. Antonio Barbadilla
Tema 6: Estructura y replicación 28 28

29. Dr. Antonio Barbadilla
RReepplliiccaacciióónn ddeell DDNNAA
Tema 6: Estructura y replicación 29 29

30. Dr. Antonio Barbadilla
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.
Tema 6: Estructura y replicación 30 30

31. Dr. Antonio Barbadilla
PPoossiibblleess mmooddeellooss ddee rreepplliiccaacciióónn
Tema 6: Estructura y replicación 31 31

32. •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
RReepplliiccaacciióónn ddeell DDNNAA
Tema 6: Estructura y replicación 32 32

33. Dr. Antonio Barbadilla
Tema 6: Estructura y replicación 33 33

34. •Enzimas que sintetizan (replican) el DNA
•E. coli
•Eucariotas
•Corrección de pruebas: actividad 3’ ® 5’
exonucleotídica. Sustituye bases mal emparejadas
(10-5) por correctas (10-7); mecanismos de reparación
adicionales la reducen hasta 10-10
Dr. Antonio Barbadilla
RReepplliiccaacciióónn ddeell DDNNAA
•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
•5 polimerasas
"a y b principal en replicación
"d, e y g exonucleasas
Tema 6: Estructura y replicación 34 34

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

36. Dr. Antonio Barbadilla
Tema 6: Estructura y replicación 36 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 37 37

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

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

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

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

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

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

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

45. •Replicación: continua (cadena adelantada, cebador
sólo inicio) y discontinua (cadena retrasada)
•Discontinua
Dr. Antonio Barbadilla
RReepplliiccaacciióónn ddeell DDNNAA ((22))
•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)
Tema 6: Estructura y replicación 45 45

46. Dr. Antonio Barbadilla
Tema 6: Estructura y replicación 46 46

47. Dr. Antonio Barbadilla
Tema 6: Estructura y replicación 47 47

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

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

50. RReepplliiccaacciióónn ddeell DDNNAA ((33))
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
•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 superenrollamiento
Dr. Antonio Barbadilla
•Primasa
•Helicasa (desenrolla el DNA)
Tema 6: Estructura y replicación 50 50

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

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

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

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

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

56. RReepplliiccaacciióónn ddeell DDNNAA ((44))
•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 56 56

57. Dr. Antonio Barbadilla
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
Tema 6: Estructura y replicación 57 57

58. Dr. Antonio Barbadilla
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
Tema 6: Estructura y replicación 58 58

59. Links de interés
Dr. Antonio Barbadilla
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
Tema 6: Estructura y replicación 59 59