Descubrimiento de los ácidos nucleicos como material genético

DNA: molécula de la herencia Las características que debe poseer una molécula para ser considerada como portadora de la herencia son:

Almacenar información: código genético Transferir esa información de manera fidedigna: replicación La naturaleza hereditaria de cada organismo está definida por su genoma, el cual consiste de largas secuencias de ácidos nucleicos que proporcionan la información necesaria para construir al organismo.

La transformación Frederick Griffith, 1928

Streptococcus pneumoniae Cepa S letal

S:lisa Posee cubierta de polisacáridos

Cepa R inocua

R:rugosa No posee cubierta de polisacáridos

El DNA como principio transformante

Avery, MacLeod y McCarty, 1944.

La actividad transformante no es destruida por calor, proteasas o RNasas, pero sí por DNasas

DNA

Experimento de Hershey y Chase, 1952

Bacteriofago T-2

Experimento de Hershey y Chase, 1952

Infección de E. coli con el fago T2 Crecer E. coli en medio con: 32P

35S

Lisis de las bacterias y obtención de los fagos marcados diferencialmente

32P

Se usan los fagos marcados para infectar E. coli

Desprendimiento de los fagos por agitación

Replicación del bacteriofago

La progenie contiene DNA marcado

35S

Composición y estructura de los ácidos nucleicos DNA: desoxirribonucleótidos

Las bases nucleotídicas

Nucleósido

Nucleótido

Nomenclatura de los nucleótidos Base

Nucleósido

Nucleótido

Ácido Nucléico

Adenosina

Adenilato

RNA

Desoxiadenosina

Desoxiadenilato

DNA

Guanosina

Guanilato

RNA

Desoxiguanosina

Desoxiguanilato

DNA

Citidina

Citidilato

RNA

Desoxicitidina

Desoxicitidilato

DNA

Purinas

Adenina

A

Guanina G

Pirimidinas Citosina

C

Timina

T

Desoxitimidina

Desoxitimidilato

DNA

Uracilo

U

Uridina

Uridilato

RNA

Patrón de difracción de rayos X del DNA

Rosalind Franklin y Maurice Wilkins

James Watson y Francis Crick, 1953. Modelo de la doble hélice del DNA

Datos experimentales en los que se basaron Watson y Crick para proponer el modelo de la doble hélice: Difracción de Rayos X El diámetro de la molécula es el mismo a todo lo largo Estructura cíclica repetitiva

Reglas de Chargaff •La cantidad de adenina es la misma que la de timina: A=T •La cantidad de guanina equivale a la de citosina: G=C •La cantidad de bases púricas es la misma que las bases pirimídicas: A+G=T+C Pero la cantidad de A+T

G+C

5’ GATC... 3’

5’ fosfato

Enlace fosfodiester

Diámetro constante 20 Å Escalera de caracol: los azúcares y fosfatos a los lados y las bases planas al centro, perpendiculares al eje Doble cadena antiparalela Giro a la derecha Los nucleótidos se unen por enlaces fosfodiéster Las cadenas se unen por puentes de hidrógeno

DNA

3’ hidroxilo Las cadenas presentan polaridad

La doble cadena de DNA es antiparalela y presenta…

...complementariedad entre bases A

T

G

C

Bases nitrogenadas: interior Fosfatos: exterior Cadenas anti-paralelas

Extremo 5’: PO4 Extremo 3’: OH

Surco menor

Surco menor

Surco mayor

Surco mayor

Diferentes tipos de DNA

Estructuras inusuales de la doble hélice

Apareamientos intra-cadena

Tallo-asa

Apareamientos inter-cadena

Propiedades de los ácidos nucleicos: absorbancia a 260 nm

Propiedades del DNA: desnaturalización y renaturalización

El contenido de GC influye en las propiedades del DNA, especialmente sobre la temperatura de desnaturalización y alineamiento

% GC

Tm

A mayor contenido de G-C, mayor es la temperatura de desnaturalización

Molécula de DNA mostrando zonas desnaturalizadas (flechas)

La renaturalización de los ácidos nucleicos está en función de su secuencia. Dos DNAs provenientes de especies diferentes hibridarán si tienen regiones con homología.

Técnicas de estudio del DNA basadas en la hibridación Southern blot: hibridación DNA-DNA Northern blot: hibridación RNA-DNA

Visualización del DNA en un gel

Bromuro de etidio: Agente intercalante entre las bases nitrogenadas que fluoresce a la luz UV

DNA lineal y circular En procariotes el DNA es solo una molécula, es circular y presenta superenrrollamiento Doble hélice

En cromosomas de eucariotes el DNA es….

Secuencias únicas (genes); secuencias repetidas (no codificantes)

Circular

Superenrollado

…..lineal y se encuentra empacado en nucleosomas, los que a su vez constituyen los cromosomas

RNA

La estructura primaria es similar a la del DNA pero desoxirribosa ribosa timina (T) uracilo (U) monocatenario (casi siempre)

Ribosomal:

forma parte del ribosoma participa en la síntesis de proteínas

Tipos de RNA

Mensajero:

es una copia del gen que se debe traducir en proteína, la cual se va a sintetizar en el ribosoma

Transferencia:molécula adaptadora

cuya función es acoplar el código del RNA que se presenta en nucleótidos al código de la proteína que está en aminoácidos.

ORGANIZACIÓN DE LOS GENOMAS 1.

Un gene es un segmento de DNA que al expresarse da un producto funcional que puede ser una proteína o un RNA.

2.

Un genoma es el conjunto de genes que contiene la información necesaria para que una célula pueda existir y reproducirse.

3.

Los genomas de eucariontes son muy grandes y mucha de su estructura corresponde a regiones que no codifican para ningún producto funcional (secuencias no-codificantes)

4.

Algunas de estas secuencias no codificantes son secuencias espaciadoras entre los genes

5.

Otras secuencias no codificantes (intrones) interrumpen a genes

6.

Algunos genes se repiten muchas veces en el genoma, formando familias de genes (eucariontes).

Organización y estructura de los genomas

Comparación de Genomas

103

106

Tamaño relativo de los genomas de distintos organismos

Pares de Bases

¿Por qué los genomas son tan grandes?

Tipos de DNA en los genomas Secuencias:

• No repetidas • Moderadamente repetidas • Altamente repetidas

No hay correspondencia entre tamaño del genoma y la complejidad del mismo

¿Cuántos genes se necesitan para formar un organismo ?

¿Qué tan similares somos a otros organismos ?

Organización de unidades transcripcionales en procariotes y eucariotes

Un gene eucariote contiene intrones El gene se transcribe completo produciendo un preRNA El preRNA debe procesarse para quitar los intrones (splicing) El mRNA maduro no contiene intrones

El tamaño de los genes varía mucho entre eucariotes y procariotes

El genoma en procariotes es más compacto que el de los eucariontes

Relación entre el tamaño del gen y del mRNA en varias especies Especie

Haemophilus influenzae Methanococcus jannaschii

Saccharomyces cerevisiae Aspergillus nidulans Caenorhabditis elegans

Drosophila melanogaster Aves Mamíferos

# exones

Long. Long. media media del del gen RNAm (kb) (kb)

1 1

1.0 1.0

1.0 1.0

1 3 4 4 9 7

1.6 1.5 4.0 11.3 13.9 16.6

1.0 1.6 3.0 2.7 2.4 2.2

Bacteriófago lambda

Genoma viral: • DNA o RNA • Cadena sencilla ó doble Virus del mosaico de tabaco

DNA de bacteria (4.2 x 106 pb)

• 1 cromosoma (nucleoide) • DNA circular doble cadena • sin envoltura de membrana

Los cromosomas procariontes son circulares cerrados covalentemente

DNA cromosomal (nucleoide)

Plásmidos

Formas topológicas del DNA circular cerrado (topoisómeros)

Topoisomerasas Enzimas que regulan la tensión en la molécula de DNA

Tipo I: Tipo II: Girasa

Cortan una de las cadenas de DNA No requieren ATP Introducen incrementos de 1 en Lk Cortan ambas cadenas de DNA Requieren ATP Introducen incrementos de 2 en Lk (superenrollamiento negativo en procariontes)

Superenrrollamiento del DNA bacteriano

Organización del cromosoma bacteriano

DNA superenrrollado Proteínas que unen al DNA

Bacteria en división

En bacteria la transcripción del DNA a RNA y su posterior traducción ocurre de forma acoplada

El genoma bacteriano NO tiene secuencias repetitivas Los genes por lo regular NO están interrumpidos Tiene solo UN origen de replicación

En eucariontes los organelos mitocondria y cloroplasto tienen su propio material genético

Teoría endosimbióntica Los cloroplastos y las mitocondrias provienen de bacterias de vida libre que fueron “secuestradas” por células eucarióticas

Algunos genes de estos organelos han sido pasados al núcleo por lo cual requieren de la actividad transcripcional del núcleo para tener algunas proteínas que requieren para funcionar correctamente

DNA mitocondrial

El DNA mitocondrial no tiene regiones intergénicas

Complejidad del genoma eucarionte

PROCARIONTE

EUCARIONTE

Tipos de Cromatina

Eucromatina Heterocromatina

La Eucromatina es transcripcionalmente activa La Heterocromatina es electrodensa y es transcripcionalmente inactiva

Constitutiva: NO se expresa. Incluye secuencias cortas repetidas (DNA satélite). Papel estructural en el cromosoma: centrómeros y telómeros.

Heterocromatina Facultativa: Puede ocupar cromosomas enteros inactivos en un tipo celular, y expresados en otro. P. ej. Compensación de dosis del cromosoma X

Unidad básica del DNA eucarionte La estructura que forma la fibra de 10 nm es el

nucleosoma

DNA enrollado en histonas: 147 pb El nucleosoma incluye al DNA enrollado a histonas + DNA unidor: 200 pb

Estructura del nucleosoma

Composición de los nucleosomas

•

El DNA que rodea a la médula de histonas (147 pb) + DNA unidor: en total 200pb

• El núcleo es de 8 histonas: 2 H2A, 2 H2B, 2 H3, y 2 H4

•

Una histona H1 se encuentra uniendo entre si los nucleosomas

•

Las histonas son proteínas básicas (ricas en Lys y Arg que se unen al DNA)

• Empaquetamiento de 6 X por nucleosoma

CONTENIDO DE LYS Y ARG DE LAS HISTONAS

HISTONA H1 H2A H2B H3 H4

%LYS 24.8 10.9 16.0 9.6 10.8

Esquema de una sección de la cromatina

%ARG 2.6 9.3 6.4 13.3 13.7

INTERACCIONES ENTRE LAS HISTONAS Y EL DNA EN LOS EUCARIOTES

El octámero de histonas se asocia por interacciones hidrofóbicas

Un nucleosoma consiste en 147 pb de DNA enrrollados en el octámero de histonas.

El DNA se encuentra “empacado” en los cromosomas eucariontes Segmento de doble hélice DNA + Histonas = Nucleosomas

Empaquetamiento de nucleosomas. Cromatina de 30 nm

El DNA extendido de una célula de mamífero mediría aproximadamente 1 mt delongitud

Octámero de Histonas: H2A; H2B; H3;H4

Sección de cromosoma en forma extendida

Sección de cromosoma en forma condensada

Cromosoma en metafase

Grado de compactación del DNA

Heterocromatina y Eucromatina Heterocromatina: Segmentos del cromosoma que se tiñen fuertemente y permanecen visibles, prácticamente, durante todo el ciclo celular. Hay pocos genes en estas regiones y por lo tanto, baja actividad transcripcional. Regiones supercondensadas. Secuencias repetitivas de DNA, regiones no transcribibles en el genoma.

Eucromatina: Segmentos del cromosoma que no son visibles durante la telofase e interfase, sólo en metafase. Regiones que se condensan y se descondensan.

Corresponde a regiones menos compactas y en las que hay una mayor densidad génica. Hay mayor actividad transcripcional.

¿Qué se necesita para tener un cromosoma estable?

Secuencias únicas (genes) Repetidas dispersas y múltiples orígenes de replicación

• centrómero • telómeros • varios origenes de replicación

Importancia del centrómero

Centrómeros. Son regiones repetitivas de DNA (150-171 pb)n Constituyen el sitio de unión de las fibras del huso mitótico. Componen del 1% al 3% de la secuencia de un genoma. Su posición varía en los distintos cromosomas.

Secuencia centromerica en S. cerevisiae

Telómeros Se encuentran en los extremos de los cromosomas. Se requieren para la replicación y estabilidad de los cromosomas. Son secuencias repetidas de DNA, en humanos: -TTAGGG- que se repite entre 250 a 1,500 veces.

Características del telómero Hay hexanucleótidos repetidos entre 1000 y 1700 veces en los extremos 3’ del DNA de cada cromosoma

El número de cromosomas de cada especie es característico de ésta Organismo

Humano Gato Bovino Perro Caballo Mosca fruta Chícharo Arroz Frijol Maíz

Especie

Homos sapiens Felis catus Bos taurus Canis familiaris Eqqus caballus Drosophila melanogaster Pisum sativum Oryza sativa Phaseolus vulgaris Zea mays

# diploide

46 38 60 78 64 8 14 24 22 20