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Ácidos Nucleicos (ADN y ARN). Salvador Resino García. Ácidos Nucleicos. DNA (ácido desoxirribonucleico) RNA (ácido ribonucleico). -Ácido fosfórico Pentosa (ribosa o desoxirribosa) -Bases nitrogenadas. - PowerPoint PPT Presentation
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Ácidos Nucleicos(ADN y ARN)
Salvador Resino García
Ácidos Nucleicos DNA (ácido desoxirribonucleico) RNA (ácido ribonucleico)
-Ácido fosfórico-Pentosa (ribosa o desoxirribosa)-Bases nitrogenadas
Cada monómero de ácido nucleico es un nucleótido formado por la unión del ácido fosfórico + azucar (ribosa, desoxiribosa) + base nitrogenada
O N
NN
N
NH2
OHOH
CH2OP-O
O
O-
H
H H
Pentosa Base
NucleósidoFosfato
Nucleótido
Enlace fosfodiesterÁcido fosfórico
- Une los nucleótidos entre sí asociando las pentosas de dos nucleótidos consecutivos- La unión se produce con el carbono 3’ de un nucleósido con el carbono 5’ del siguiente- Enlace de alta energía muy estable.
O N
NN
N
NH2
OH
CH2OP
O-
O N
NN
N
NH2
OH
CH2OP
O-
O N
NN
N
NH2
OH
CH2OP
O-
O
O
O
O
O
O
Polinucleótido
Enlacefosfodiéster
Enlace-glicosídico
Azúcar y base nitrogenada
.RIBOSE
1
OHOCH2
H
H
OH
H
OH
H
OH23
4
5OHOCH2
H
H
OH
H
OH
H
H
1
23
4
5
2-DEOXY-RIBOSE
O N
H N
O
H
CH3
THYMINE
O N
H N
O
H
URACIL
RNA DNA
Molecular Differences between Ribonucleic Acid (RNA)& 2-deoxy-ribonucleic acid (DNA).
DNA Y RNA (Diferencias)
Before we continue some terminologyNucleotide Name Table
Purines PyrimidinesAdenine (A) Guanine (G) Cytosine (C) Thymine (T) Uracil (U)
Nucleotides in DNA deoxyadenylate deoxyguanylate deoxycytidylate deoxythymidylateor thymidylate
Nucleotides in RNA adenylate guanylate cytidylate uridylateAbbreviations
Nucleosidemonophosphates
AMP GMP CMP TMP UMP
Nucleosidediphosphates
ADP GDP CDP TDP UDP
Nucleosidetriphosphates
ATP GTP CTP TTP UTP
For deoxynucleotides add 'd' in front of the above three.
e.g., AMP is a ribonucleotide, dAMP is a deoxyribonucleotide
DNA: ESTRUCTURA DE LA DOBEL HELICE
34 Å
3.4 Å
20 Å
MinorGroove
MajorGroove
GC
CG
AT
TA
CG
GCAT
TA
TA
AT
GCCG
GC
Strands areantiparallel
A G C THombre, H.sapiens 0.29 0.18 0.18 0.31Bovino, Bos taurus 0.26 0.24 0.23 0.27Levadura, S.cerevisiae 0.30 0.18 0.15 0.29Mycobacterium sp. 0.12 0.28 0.26 0.11
Composición en bases del DNA en algunas especies
1. La relación purinas/pirimidinas es igual a 1 Es decir, A+G = C+T2. En todos los DNA estudiados, la proporción molar de A es igual a la de T, y la de G igual a la de C. Es decir, A = T y G = C
Reglas de Chargaff
1. El DNA es una doble héliceplectonémica y dextrógira, con un paso de rosca de 3.4 nm
3.4 nm
2. Cada una de las dos hélices es un polinucleótido entrelazado conel otro de manera que su polaridad es opuesta (es decir, corren ensentido antiparalelo)
5’
3’ 5’
3’
Modelo de Watson-Crick
3. El eje ribosa-fosfato se sitúa hacia el exterior de la doble hélice, en contacto con el solvente
4. Mientras que las bases nitrogenadas (anillos planares) se sitúan, apiladas, hacia el interior de la estructura, en un entorno hidrofóbico
Modelo de Watson-Crick
5. Las bases están situadas en planos aproximadamente perpendiculares al eje mayor de la doble hélice. La distancia entre planos es de 0.34 nm
0.34 nm
Modelo de Watson-Crick
Modelo de Watson-Crick
N
N
N
N
NHH
N N
O
O
CH3
HA
T6. Cada base interacciona con su opuesta a través de enlaces de hidrógeno, y de manera que:• Adenina (A) sólo puede nteraccionar con timina (T) (y viceversa), a través de dos puentes de hidrógeno.
•Guanina (G) sólo puede nteraccionar con citosina (C) (y viceversa), a través de tres puentes de hidrógenoN
N
N
N
O
H
NH
H
N N
O
NH
H
G
C
10. El eje de la doble hélice no pasa por el centro geométrico del par de bases. Esto determina que la hélice presente un surco ancho y un surco estrecho
Modelo de Watson-Crick
Surco ancho
Surco estrecho
0.34
3.4
2.4
Modelo De WATSON-CRICK Cada molécula de DNA está formada por dos largas cadenas de
polinucleótidos que corren en direcciones opuestas formando una hélice doble alrededor de un eje imaginario central. De esta forma la polaridad de cada cadena es opuesta
Cada nucleótido está en un plano perpendicular al de la cadena polinucleótida
Las dos cadenas se encuentran apareadas por uniones de hidrógeno establecidas entre los pares de bases
El apareamiento es altamente específico. Existe una distancia física de 11 A entre dos moléculas de desoxirribosa en las cadenas opuestas (sólo se pueden aparear una base púrica con una pirimídica. A-T G-C entre A y T hay dos puentes de hidrógeno y entre G-C hay tres. Son imposibles otras uniones)
La secuencia axail de bases a lo largo de una cadena de polinucleótidos puede variar considerablemente, pero en la otra cadena la frecuencia debe ser complementaria
Modelo De WATSON-CRICK
5’
3’
3’
5’
O
-O
H2C
O
P
-O
O
O-
CH2
O
PO-
O
ON
NH3C
O
H
O
NN
NNN
H
O
ON
N
O
NHH
NN
NN
NH H
O
H
O
ON
N
N
N
OH
NH
H
N N
O
NH
H
O
O-
CH2
O
PO-
O
O-
CH2
O
PO-
O
O
N
N
N
N
NH
H NN
O
O
H3C
H
O
-O
H2C
O
P
-O
O
-O
H2C
O
P
-O
O
O
-O
H2C
O
P
-O O
ON
N
N
N
OH
NH
H
N N
O
NH
H O
O-
CH2
O
PO-
H
O
-O
H2C
O
P
-O
O
O-
CH2
O
PO-
O
Interacciones débiles que mantienen la estructura del DNA
1. Enlaces de hidrógeno entre bases complementarias
2. Interacciones hidrofóbicas entre planos de bases contiguos (int. de apilamiento, stacking)
3. Interacciones iónicas del fosfato con moléculas electropositivas (histonas, poliaminas, etc.)
Curvas de fusión: Estudio de estabilidad del DNA
Tm= temperatura a la cual el 50% del DNA es fusionado
Base de muchas técnicas de biología molecular.
G-C content determines melting temperature: varies among organisms
La desnaturalización térmica del DNA sigue una curva sigmoide. El punto medio, Tm, está relacionado con el contenido en G+C. Así, la muestra B tiene un mayor contenido en G+C que A.
La Tm es característica de cada especie
1. El material genético ha de ser lineal y aperiódico; el DNA cumple esa condición.
2. El apareamiento de bases sugiere un modelo para la replicación del mismo de forma que las dos moléculas hijas son idénticas a la parental:
5’-CGTTGCAATTGCGAT-3’3’-GCAACGTTAACGCTA-5’
5’-CGTTGCAATTGCGAT-3’3’-GCAACGTTAACGCTA-5’
5’-CGTTGCAATTGCGAT-3’3’-GCAACGTTAACGCTA-5’
Implicaciones genéticas del modelo
3. La reactividad de las bases y la estructura general del DNA explican perfectamente la acción de los mutágenos químicos
4. La tautomería de las bases explica en parte las tasas de mutación espontánea:
NN
O
O
H3C
H NN
NHH
N
NN
N
O
H3C O H
NN
N
N
NHH
O
H
Par Timina (ceto) - Adenina Par Timina (enol) - Guanina
Implicaciones genéticas del modelo
DNA-A
1. Doble hélice plectonémica y dextrógira2. Planos de bases oblicuos respecto al eje de la doble hélica3. Propio de RNAs en doble hélice, o de híbridos DNA-RNA4. Más ancha y corta que DNA-B
DNA-Z
1. Doble hélice plectonémica y levógira2. Zonas de secuencia alternante -GCGC-3. Conformación de G es syn- en lugar de anti-4. Más estrecha y larga que DNA-B
Superhélices de DNA
El DNA se presenta habitualmente en forma de superhélices, cuando la doble hélice, a su vez, se enrolla sobre sí misma. Esto permite el empaquetamiento de la molécula en el interior de la célula o del núcleo celular.
DNA circular, relajado DNA circular, consuperhélice negativa
Se produce superhelicidad negativa cuando desenrollamosunas cuantas vueltas de doble hélice en un DNA circular.
DNA circular: plasmidos,genoma bacteriano
Nucleosomas DNA mide aproximadamente 2
metros de largo. Estructura repetitiva de
cromatina. Estructura “beads-on-string”. Forma dada por la H1:
Zig-Zag Lineal Modelo del Solenoide.
Histonas: 2H2a, 2H2b, 2H3, 2H4 DNA: aprox. 196 pares de bases
Histonas Hay 5 tipos diferentes: H1, H2A,
H2B, H3 y H4. Poseen un alto grado de
conservación entre organismos. La histona H3 es la mejor
conservada, también lo son la H2A y H2B, no así la H1.
Hay dos fuentes de variabilidad: Reiteración génica Modificación post-traslacional
La principal modificación en las histonas es la acetilación, importante rol en la actividad génica.
Entre otras modificaciones se encuentra la metilación y la fosforilación de residuos como Ser, Treonina, Lys, His.
O
-O
H2C
O
P
-O
ON
N
O
H
O
ON
N
O
NHH
ON
N
N
N
OH
NH
H
ON
N
N
N
NH
H
O
-O
H2C
O
P
-O
O
-O
H2C
O
P
-O
O
-O
H2C
O
P
-O
ON
N
N
N
OH
NH
H
O
-O
H2C
O
P
-O
O
OH
OH
OH
OH
OH
Uracilo en lugar de timina
2’-OH en la pentosa
5’
3’
ESTRUCTURA DEL RNA
-Constituido por ribonucleótidos (nucleótidos de ribosa)
-Los ribonucleótidos se unen entre sí, igual que en el DNA, a través de un ácido fosfórico en sentido 5’3’
-El RNA es casi siempre monocatenario
RNA
Los distintos tipos de RNA permiten la expresión fenotípica del DNA:
Como mensaje genético que determina la secuencia de aminoácidos en la síntesis de proteína: RNA mensajero o mRNA
Como molécula que activa a los aminoácidos para poder ser incorporados en una nueva proteína: RNA de transferencia o tRNA
Como elemento estructural básico de las partículas encargadas de llevar a cabo la síntesis proteica, los ribosomas: RNA ribosómico o rRNA
Características Reactividad química: El RNA, al tener el grupo 2’-OH, es mucho
más reactivo químicamente que el DNA. En concreto, puede ser completamente hidrolizado por álcali a una mezcla de 2’- y 3’-nucleótidos.
Estructura tridimensional: Las formas en doble hélice del RNA adoptan la configuración A (en lugar de la B, propia del DNA), así como los híbridos DNA-RNA. La pentosa aparece en forma endo-3’ (y no endo-2’)
En el RNA son frecuentes las bases y nucleósidos anómalos
N
HN
O
NC CH3
O
H
N
HN
O
O
N
N
O
NH2
CH3
N-Acetil citosina Dihidrouracilo 5-Metil citosina
Bases anómalas
ON
N
N
N
OH
NH
H
OCH3
HO
HOCH2O
HO
HOCH2
OH
N
N
O O
Pseudouridina 2'-O-Metil guanosina
Nucleósidos anómalos
Características Tamaño molecular: aun con ser grande, es de
bastante menor tamaño que el DNA. Está presente en todas las células, sean del tipo que sean.
RNA como material genético: Algunos virus tienen como material genético el RNA. Entre éstos, los hay que a partir de su RNA sintetizan un DNA complementario mediante una enzima conocida como transcriptasa inversa. Son los retrovirus.
RNA como enzima: Algunos RNA son capaces de catalizar reacciones químicas del mismo modo que las enzimas (ribozimas). Participa en el procesado del transcrito primario para dar
lugar al RNA mensajero o mRNA, Participa en la formación de enlace peptídico en la síntesis
de proteínas.
3’
5’
Extremo aceptor
Lazo DHU
Lazo anticodon
Lazo T--C
Lazo variable
tRNA
O
-O
H2C
O
P
-O
ON
N
ON
N
O
NHH
ON
N
N
N
OH
NH
H
ON
N
N
N
NH
H
O
-O
H2C
O
P
-O
O
-O
H2C
O
P
-O
O
-O
H2C
O
P
-O
OH
OH
OH
OH
O
NHH
OC
OCH
RH3N
C
C
A
Unión del aminoácido alextremo 3’ del tRNA
RNAt
3’
Extremo aceptor
5’
Lazoanticodon
Lazo TYC
Lazovariable
Estructura tridimensional del tRNA
3’
Extremo aceptor
5’
Lazoanticodon
Lazo TYC
Lazovariable
Estructura tridimensional del tRNA
Secondary structure diagram Tertiary structure diagram
Cr.LSU rRNA intron Tetrahymena rRNA intron
Replicación del DNA
Características El DNA es el portador del mensaje genético La cantidad de DNA en las células de individuos de la
misma especie es constante Cuanto más compleja es la especie mayor cantidad de
DNA contiene La luz ultravioleta de 360 nm es la más absorbida por
el DNA y la qué provoca más mutaciones (reconocidas por una descendencia anormal)
Debido a la temporalidad de los seres vivos para que una especie no se extinga ha de haber al menos un momento en el que la información biológica (características morfológicas y fisiológicas) se replique y a partir de esas copias aparezcan los descendientes.
El proceso de duplicación del DNA es controlado enzimáticamente, asegurando así una alta fidelidad en la información que contiene la copia. Entre las enzimas que participan en el proceso de replicación o duplicación del DNA tenemos: DNA polimerasa, participa en la replicacion y reparación del DNA.Topoisomerasas, desenrollan al DNA.Helicasas, separan las dos hebras del DNA para que cada una actúe como molde.Primasas, sintetizan al RNA cebador usando como molde una hebra del DNA.Nucleasas, rompen una de las hélices, dando lugar a un origen de replicación, reparan lesiones del DNA.Ligasas, unen fragmentos de DNA adyacentes a través de enlaces fosfodiester.
Características de la Replicación del DNA
La duplicación consiste en la disociación de las dos cadenas de forma que cada una sirve como molde para la síntesis de dos hebras complementarias, produciéndose dos moléculas de DNA con igual constitución molecular
Es semiconservativa ya que al final de la duplicación, cada molécula de DNA presenta una hebra original y una hebra nueva.
Es bidireccional, ya que a partir de un punto dado, la duplicación progresa en dos direcciones.
La replicación avanza adicionando mononucleótidos en dirección 5' → 3'
Es semidiscontinua, ya que en una de las hebras (hebra conductora) sesintetizan filamentos bastante grandes y de forma continua, mientras que en la otra (hebra retardada) la síntesis es discontinua, ya que se van sintetizando fragmentos pequeños que se disponen de manera separada.
Gen Un gen es un fragmento de ácido
nucleico que tiene información para un determinado carácter y ocupa una posición fija en el hilo de DNA (LOCUS).
Para un mismo locus puede haber más de un tipo de información. Cada información que hay en un mismo locus se le llama ALELO
Alteración en la Secuencia de Nucleótidos: mutaciones
Las mutaciones posibilitan la aparición de individuos distintos Existe la posibilidad de que alguno de los nuevos individuos se
adapte a las posibles variaciones ambientales Las mutaciones aparecen por acción de agentes externos
(radiaciones, agentes químicos, virus, etc.) o causa interna (error de copia, entrecruzamientos, recombinación genética).
Mutaciones
Sustitución de Bases
Pérdida de Bases
Inserción de Bases
Inversión
Translocación
La Expresión del Mensaje GenéticoLas instrucciones para construir las proteínas están codificadas en el DNA y las células tienen que traducir dicha información a las proteínas. El proceso consta de dos etapas: 1.- En el núcleo se pasa de una secuencia de bases nitrogenadas de un gen DNA a una secuencia de bases nitrogenadas complementarias que pertenecen a un mRNA (TRANSCRIPCIÓN)
2.- En los ribosomoas se pasa de una secuencia de ribonucleótidos de mRNA a una secuencia de aminoácidos (TRADUCCIÓN)
DNA mRNA proteinasTranscripción Traducción
El Código Genético Existen 20 aminoácidos diferentes y sólo 4 nucleótidos en
el mRNA. Se pueden construir 64 tripletes mediante combinaciones con repetición de los 4 nucleótidos tomados de tres en tres. A cada triplete se le llama CODÓN
Es universal, pues lo utilizan casi todos los seres vivos conocidos. Solo existen algunas excepciones en unos pocos tripletes en bacterias.
No es ambiguo, pues cada triplete tiene su propio significado
Todos los tripletes tienen sentido, bien codifican un aminoácido o bien indican terminación de lectura.
Está degenerado, pues hay varios tripletes para un mismo aminoácido, es decir hay codones sinónimos.
Carece de solapamiento,es decir los tripletes no comparten bases nitrogenadas.
Es unidireccional, pues los tripletes se leen en el sentido 5´-3´.
El Código GenéticoAlanina Ala AArginina Arg R
Asparagina Asn NAspártico Asp DCisteina Cys C
Fenilalanina Phe FGlicina Gly G
Glutámico Glu EGlutamina Gln QHistidina His H
Isoleucina Ile ILeucina Leu LLisina Lys K
Metionina Met MProlina Pro PTirosina Tyr YTreonina Thr T
Triptófano Trp WSerina Ser SValina Val V
Organización básica del material genético en bacterias
Genoma bacteriano oDNA cromosómico, quees una sola molécula bicatenaria circular
Plásmido o DNA extracromosómico,
que es opcional según especie y cepa,
y confiere nuevas propiedades a
la bacteria
De forma opcional, puede poseer elementos genéticos extracromosómicos, adquiridos porprocesos de intercambio genético entre bacterias. Se trata de los plásmidos. Estos elementos
poseen la propiedad de conferir nuevas capacidades a la bacteria, y pueden replicarse deforma autónoma respecto al DNA cromosómico.
Las bacterias contienen una sola molécula de DNA circular en su citoplasma, que posee todos los genes necesarios para la vida de la bacteria. No está
contenido en un núcleo.
El DNA cromosómico se organiza para constituir genes, con escaso material
intergénico
La mayor parte de estos genes se presentan de forma única en el genoma. Es
el caso de los factores de virulencia proteicos o exotoxinas
Organización básica del Genoma Bacteriano
El genoma contiene, a su vez, múltiples copias de los genes que codifican el RNA ribosómico 16S,que forma parte de la subunidad menor del ribosoma. Estos genes tienen secuencias muyconservadas entre las distintas familias bacterianas, así como regiones muy divergentes,incluso dentro de la misma especie bacteriana. Por ello, su estudio permite establecer relacionesfilogenéticas entre bacterias, y determinar la variabilidad genética de las distintas poblacionesde una especie.
La mayor parte del genoma bacteriano está constituido por genes que codifican proteínas estructurales, enzimas metabólicas o factores de virulencia. Se encuentran habitualmente en una sola copia, lo que hace que una mutación en los mismos condicione una función bacteriana.
Genes codificantes delRNA ribosómico 16Sen múltiples copias
Genes codificantes deenzimas o proteínas, con
copia única
Organización básica del Genoma Bacteriano
Organización básica del Genoma Humano
promotor E1 E2 E3 E4 E7E5 E6
I1 I3I2 I6I4 I5
Cada exón suele corresponderse con un dominio de la cadena polipeptídica. El dominio es una región del polipéptido con una localización y función definida dentro de la proteína final y la célula. Una proteína tiende a estar constituida por varias cadenas, por lo que entran en juego varios genes
Los genes eucariotas contienen secuencias codificantes denominadas exones, separadas entre sí por otras no codificantes llamadas intrones. Durante el procesamiento del mRNA, se eliminan las secuencias de los intrones, fenómeno conocido como corte-empalme o splicing
DNA genómico humano
El 25 % de todo el Genoma Humano está constituido por genes, cuyo número se estima que se halla entre 30.000 y 40.000, la mayoría aún sin función conocida
Solo el 1 % de todo el Genoma Humano está constituido por DNA codificante, es decir, exones
Sin embargo,el PROTEOMA HUMANO está constituido
por 50.000-60.000 proteínas
El origen de esta discrepancia es el fenómeno de splicing o corte-empalme alternativo del mRNAque sufren el 60% de los genes. Es decir, un gen da lugar a varios mRNA maduros
Organización básica del Genoma Humano
PROTEOMA HUMANO
Tiene en común con los seres inferiores las proteínasque intervienen en los mecanismos de:
transcripción y traducciónmetabolismo
replicación y modificación del DNA
Sistema inmuney nervioso
... Y la evolución ha permitido que elser humano se diferencie en ...
Organización básica del Genoma Humano
El genoma humano se encuentra repartido en 23
pares de moléculas de ADN, que se repliegan
previamente a la división celular para dar lugar a los
CROMOSOMAS
La organización de genes en cromosomas
homólogos es similar, es decir, cada gen tiene su
lugar exclusivo o LOCUS
De cada par cromosómico, uno
proviene del padre y otro de la madre
Sin embargo, la secuencia de DNA puede
diferir en puntos concretos del gen, lo que da lugar a una variación genética
posible dentro de una población. Cada variante de un gen se denomina
ALELO
Organización básica del Genoma Humano
¿Qué aplicaciones tiene el análisis de ácidos nucleicos en Microbiología?
DNA RNA
Se emplea para confirmar la presencia de
patógenos en muestras clínicas y, en ocasiones,
para cuantificarlos
Se emplea para cuantificar la expresión de factores de virulencia microbianos, o para cuantificar RNA-virus
¿Qué aplicaciones tiene el análisis de ácidos nucleicos en enfermedades genéticas de
herencia mendeliana?
DNA RNA
Se emplea para confirmar la presencia de
mutaciones causantes de la enfermedad, ya sea prenatal o de forma
posterior al nacimiento
No suele utilizarse en el diagnóstico de rutina
¿Qué aplicaciones tiene el análisis de ácidos nucleicos en la susceptibilidad a enfermedades
multifactoriales?
DNA RNA
Se emplea para confirmar la presencia de polimorfismos
favorecedores de la enfermedad (asma, infarto, ...), para la detección de mutaciones en genes asociados a cáncer familiar, y para mutaciones
del DNA en tejidos tumorales
Se utiliza, aún de forma experimental, para estudiar las diferencias en la expresión de
genes entre tejidos sanos y tumorales, empleando los microarrays o microchips
