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Estructura de los Estructura de los Ácidos NucleicosÁcidos Nucleicos
James Watson y Francis Crick James Watson y Francis Crick
Phoebus Levene
Erwin Chargaff
Maurice WilkinsRosalind Franklin
Consideraciones Consideraciones GeneralesGenerales
Según su composición química, los ácidos nucleicos se Según su composición química, los ácidos nucleicos se diferencian de las proteínas por su mayor contenido de diferencian de las proteínas por su mayor contenido de fósforo (10%) y por la ausencia de azufre.fósforo (10%) y por la ausencia de azufre.
Dos tipos de ácidos nucleicos: ADN, ARN.Dos tipos de ácidos nucleicos: ADN, ARN. Localización y función.Localización y función.
EucariotasEucariotas ProcariotasProcariotas VirusVirus
ADNADN Núcleo CelularNúcleo CelularMatriz mitocondrialMatriz mitocondrialEstroma de Estroma de cloroplastoscloroplastos
Zona nucleoideZona nucleoide CápsideCápside Depositario y Depositario y transmisor de la transmisor de la información genética información genética organizada en genes organizada en genes que codifican que codifican productos génicosproductos génicos
ARNARN Momentáneamente Momentáneamente en Núcleoen NúcleoMatriz mitocondrialMatriz mitocondrial
CitosolCitosol CápsideCápside Transmisión de Transmisión de información béntica información béntica desde el ADN hasta los desde el ADN hasta los productos génicosproductos génicos
DNA DNA (ácido desoxirribonucleico)(ácido desoxirribonucleico)RNA RNA (ácido ribonucleico)(ácido ribonucleico)
Ácidos NucleicosÁcidos Nucleicos
Cada monómero de ácido nucleico es un nucleótido formado por la unión de
Ácido fosfóricoPentosa (ribosa o desoxirribosa)Bases nitrogenadas
DNA Y RNADNA Y RNA Pentosas - FisherPentosas - Fisher
Ribosas - HaworthRibosas - Haworth
ββ-D-ribofuranosa-D-ribofuranosa ββ-D-2--D-2-desoxirribofuranosadesoxirribofuranosa
RibosasRibosas
DNA Y RNADNA Y RNALas Bases NitrogenadasLas Bases Nitrogenadas
BASES PÚRICASBASES PÚRICASADENINA (A) ADENINA (A) (DNA Y RNA)(DNA Y RNA)
GUANINA (G) GUANINA (G) (DNA Y RNA)(DNA Y RNA)
BASESBASES PIRIMÍDICASPIRIMÍDICASCITOSINA (C) CITOSINA (C) (DNA Y RNA)(DNA Y RNA)
TIMINA (T) TIMINA (T) (DNA)(DNA)
URACILO (U) URACILO (U) (RNA)(RNA)
Bases nitrogenadasBases nitrogenadas
TAREA
Posición de sustituyentesPosición de sustituyentes
- NH- NH22 =O=O -CH-CH33
AA 66
CC 44 22
UU 2 y 42 y 4
GG 22 66
TT 2 y 42 y 4 55
Propiedades fisicoquímicasPropiedades fisicoquímicas
Existencia de DipolosExistencia de DipolosPosibilidad de puentes de hidrogenoPosibilidad de puentes de hidrogeno
HidrofobicidadHidrofobicidadAnillos aromáticosAnillos aromáticosPocos solubles en aguaPocos solubles en agua Interacción hidrofóbica de apilamientoInteracción hidrofóbica de apilamiento
Disposición coplanar de los anillosDisposición coplanar de los anillosTautomería o isemería dinámicaTautomería o isemería dinámica TAREA
Tautomería DinámicaTautomería DinámicaTautomería ceto-enólicaTautomería ceto-enólicaTautomería imina-amina primariaTautomería imina-amina primaria
TautormeríaTautormería
Lactima e imina 100.000 veces menos Lactima e imina 100.000 veces menos abundantes que lactama y aminaabundantes que lactama y amina
Frecuente fuente de error en el ADNFrecuente fuente de error en el ADN
Carácter básicoCarácter básico
+ H+
AbsorciónAbsorción
Nucleótido
Fosfatos
NucleósidoAzúcar
Base Nitrogenada
O N
NN
N
NH2
OHOH
CH2OP-O
O
O-
HH H
Pentosa Base
NucleósidoFosfato
Nucleótido
Enlace N-glicosídico
NucleósidosNucleósidosNucleósidos purínicos Sufijo –osinaNucleósidos purínicos Sufijo –osina
AdenosinaAdenosinaGuanosinaGuanosina
Nucleósidos pimirmidínicos sufijo – idinaNucleósidos pimirmidínicos sufijo – idinaCitidinaCitidinaTimidinaTimidinaUridinaUridina
NucleótidosNucleótidosPropiedades fisicoquímicasPropiedades fisicoquímicas
Marcado carácter ácido debido a los grupos Marcado carácter ácido debido a los grupos fosfato.fosfato.
Gran afinidad por cationes divalentes como Gran afinidad por cationes divalentes como MgMg2+2+ , Mn , Mn2+2+ y Ca y Ca2+2+
Los NTPs y NDPs no existen como aniones Los NTPs y NDPs no existen como aniones libre, sino formando quelatos principalmente libre, sino formando quelatos principalmente con Mgcon Mg2+2+
DNA Y RNADNA Y RNAÁcido fosfóricoÁcido fosfórico
- Une los nucleótidos entre sí asociando - Une los nucleótidos entre sí asociando las pentosas de dos nucleótidos las pentosas de dos nucleótidos consecutivosconsecutivos- La unión se produce con el carbono 3’ de - La unión se produce con el carbono 3’ de un nucleósido con el carbono 5’ del un nucleósido con el carbono 5’ del siguientesiguiente
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
EnlaceN-glicosídico
3’
5’
Niveles estructuralesNiveles estructurales
5’5’ 3’3’
ADN – ARNADN – ARNDiferenciasDiferencias
Niveles estructuralesNiveles estructurales Estructura primariaEstructura primaria
Representación detallada
Representaciones esquemáticas
pApCpG….
pACG….
ACG….
Representaciones abreviadas
Niveles estructuralesNiveles estructurales Estructura secundariaEstructura secundaria
Niveles estructuralesNiveles estructurales Estructura de orden superiorEstructura de orden superior
ADN y ARNADN y ARN
Tipos de A. nucleicosTipos de A. nucleicos ARNARN ADNADN
MonómeroMonómero RibonucleótidosRibonucleótidos DesoxirribonucleótidosDesoxirribonucleótidos
FosfatosFosfatos Enlace fosfodiésterEnlace fosfodiéster
AzúcarAzúcar RibosaRibosa DesoxiribosaDesoxiribosa
PurinasPurinas Adenina, guaninaAdenina, guanina
PirimidinasPirimidinasCitosinaCitosina
UraciloUracilo TiminaTimina
Com
pone
ntes
de
l mon
ómer
o
Propiedades fisicoquímicasPropiedades fisicoquímicasPropiedades en disoluciónPropiedades en disolución
Las cadenas son hidrofílicasLas cadenas son hidrofílicasAcidosAcidosPolianionesPolianionesSe estabilizan por unión a proteínas..Se estabilizan por unión a proteínas..Gran viscosidadGran viscosidad
Propiedades fisicoquímicasPropiedades fisicoquímicasReacitvidadReacitvidad
ADNADN ARNARN
E. fosfodiesterE. fosfodiester E. N-glicosidicoE. N-glicosidico E. fosfodiesterE. fosfodiester E. N-glicosidicoE. N-glicosidico
Medio Acido fuerteMedio Acido fuerte SiSi SiSi SiSi SiSi
Medio Acido debilMedio Acido debil NoNoSi Si
(purinas (purinas especialmente)especialmente)
NoNoSiSi
(purinas (purinas especialmente)especialmente)
Medio alcalinoMedio alcalino NoNo NoNo SiSi NoNo
Propiedades fisicoquímicasPropiedades fisicoquímicasReacitvidadReacitvidad
Propiedades fisicoquímicasPropiedades fisicoquímicasAbsorción UVAbsorción UV
DNADNA
Perth, Australia
Life Science, UC Davis
Chambord, France
MODELO DE WATSON-CRICK
Modelo De WATSON-CRICKModelo De WATSON-CRICK
Cada molécula de DNA está formada por dos Cada molécula de DNA está formada por dos largas cadenas de polinucleótidos que corren largas cadenas de polinucleótidos que corren en direcciones opuestas formando una hélice en direcciones opuestas formando una hélice doble alrededor de un eje imaginario central. doble alrededor de un eje imaginario central. De esta forma la polaridad de cada cadena es De esta forma la polaridad de cada cadena es opuestaopuesta
Cada nucleótido está en un plano Cada nucleótido está en un plano perpendicular al de la cadena polinucleótidaperpendicular al de la cadena polinucleótida
Modelo De WATSON-CRICKModelo De WATSON-CRICK
5’ 3’
3’ 5’
Cada una de las dos hélices es un polinucleótido entrelazado con el otro de manera que su polaridad es opuesta (es decir, corren en sentido antiparalelo)
Modelo De WATSON-CRICKModelo De WATSON-CRICK
Modelo De WATSON-CRICKModelo De WATSON-CRICK Las dos cadenas se encuentran apareadas Las dos cadenas se encuentran apareadas
por uniones de hidrógeno establecidas entre por uniones de hidrógeno establecidas entre los pares de baseslos pares de bases
El apareamiento es altamente específico. El apareamiento es altamente específico. Existe una distancia física de 11 Existe una distancia física de 11 ÅÅ entre dos entre dos moléculas de desoxirribosa en las cadenas moléculas de desoxirribosa en las cadenas opuestasopuestas
Sólo se pueden aparear una base púrica con Sólo se pueden aparear una base púrica con una pirimídica. A-T G-Cuna pirimídica. A-T G-C
Entre A y T hay dos puentes de hidrógeno y Entre A y T hay dos puentes de hidrógeno y entre G-C hay tres.entre G-C hay tres.
Son imposibles otras uniones.Son imposibles otras uniones.
Modelo de Watson y CrickModelo de Watson y Crick Complementariedad de las bases nitrogenadasComplementariedad de las bases nitrogenadas
Modelo De WATSON-CRICKModelo De WATSON-CRICK
La secuencia axail de bases a lo largo La secuencia axail de bases a lo largo de una cadena de polinucleótidos de una cadena de polinucleótidos puede variar considerablemente, pero puede variar considerablemente, pero en la otra cadena la frecuencia debe ser en la otra cadena la frecuencia debe ser complementariacomplementaria
Estructura de DNAEstructura de DNA
RNARNA
La estructura primaria es similar a la del DNA peroLa estructura primaria es similar a la del DNA pero
Las bases nitrogenadas
La Timina (T)
ribosaLa desoxirribosa
Uracilo (U)
RNARNA
Tres tipos de RNATres tipos de RNA
Ribosómico
Mensajero
Transferencia o soluble
-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
RNARNA
Los distintos tipos de RNA permiten la Los distintos tipos de RNA permiten la expresión fenotípica del DNAexpresión fenotípica del DNA: :
Como mensaje genético que determina Como mensaje genético que determina la secuencia de aminoácidos en la la secuencia de aminoácidos en la síntesis de proteína: síntesis de proteína: RNA mensajeroRNA mensajero o o mRNAmRNA
RNARNA
Como molécula que activa a los Como molécula que activa a los aminoácidos para poder ser aminoácidos para poder ser incorporados en una nueva proteína: incorporados en una nueva proteína: RNA de transferencia o tRNARNA de transferencia o tRNA
Como elemento estructural básico de Como elemento estructural básico de las partículas encargadas de llevar a las partículas encargadas de llevar a cabo la síntesis proteica, los ribosomas: cabo la síntesis proteica, los ribosomas: RNA ribosómico o rRNARNA ribosómico o rRNA
Hélices levógiras y dextrógiras
DIMENSIONESDIMENSIONES DEL ADN DEL ADN
Surco Menor
Surco Mayor
Dos surcos de igual tamaño se crearían si las bases se unen en forma simétrica con el esqueleto azúcar-fosfato
Porque hay un surco mayor y menor en el ADN?
Las bases se unen en forma asimétrica al esqueleto del azúcar-fosfato formando los dos surcos de tamaño desigual.
Surco mayor y menor en el ADN
Surco mayor
Surco menor Surco menor
Surco mayor
Niveles estructuralesNiveles estructurales Estructura de orden superiorEstructura de orden superior
Condensación o EmpaquetamientoCondensación o Empaquetamiento
NucleosomasNucleosomas
SolenoideSolenoide
EucromatinaEucromatina
HeterocromatinaHeterocromatina
CromosomaCromosoma
NucleosomaNucleosoma Unidades de núcleoproUnidades de núcleopro
teínas formadas cada una teínas formadas cada una por un cilindro corto de por un cilindro corto de histonas en forma de disco histonas en forma de disco envuelto en ácido envuelto en ácido nucléico. Formado por 8 nucléico. Formado por 8 moléculas de histonas moléculas de histonas conocidas como H2A, conocidas como H2A, H2B, H3 y H4.H2B, H3 y H4.
SolenoideSolenoide Anillos circulares y Anillos circulares y
continuos formados continuos formados cada uno por seis cada uno por seis nucleosomasnucleosomas
CromatinaCromatina
Filamento de DNA y Filamento de DNA y proteínasproteínas
CromosomasCromosomas Estructuras de varias Estructuras de varias
formas y tamaños formas y tamaños formada por formada por nucleoproteínasnucleoproteínas..
NucleoproteínasNucleoproteínas – – combinación de ácido combinación de ácido nucléico y proteínas nucléico y proteínas (histonas) (histonas)
Formada por una ó dos Formada por una ó dos cromátidas (hermanas), cromátidas (hermanas), unidas por un centrómero unidas por un centrómero (DNA no está contraído).(DNA no está contraído).
Superenrrollamiento y Superenrrollamiento y Topología del ADNTopología del ADN
Parte de la Parte de la condensación se condensación se logra con el logra con el superenrrollamientosuperenrrollamientoContribuye a explicar Contribuye a explicar como una como una macromolécula macromolécula puede alojarse en la puede alojarse en la célulacélula
Se define al giro o retorcimiento del DNA Se define al giro o retorcimiento del DNA sobre sí mismasobre sí misma
DNADNA TamañoTamaño Longitud en Longitud en forma B-forma B-
DNADNA
Dimensiones de Dimensiones de compactacióncompactación
E. ColiE. Coli 4.7 104.7 1066 pb pb 1,6 mm1,6 mm 2 um2 um
Cada Cada Cromosoma Cromosoma HumanoHumano
50 – 250 1050 – 250 106 6 pbpb 17 – 85 17 – 85 mmmm
4-6 um4-6 um
Genoma Humano Genoma Humano diploidediploide
6,6 106,6 1099 pb pb 2,2 metros2,2 metros 4-6 um4-6 um
Superenrrollamiento del DNASuperenrrollamiento del DNA
El superenrrollamiento es mas conocido y El superenrrollamiento es mas conocido y mejor comprendido en ADN circularmejor comprendido en ADN circularProcariotasProcariotasMitocondriasMitocondriasCloroplastosCloroplastos
ConformacionesConformacionesConformación relajadaConformación relajada
No superenrrolladoNo superenrrolladoEstableEstableConformación adoptadaConformación adoptada
por el DNA en su forma Bpor el DNA en su forma BEjemplo (Luque)Ejemplo (Luque)
ADN circularADN circular210 pb210 pb20 vueltas de helice20 vueltas de helice10,5 pb por vuelta10,5 pb por vuelta
ConformacionesConformacionesConformación superenrrolladasConformación superenrrolladas
SuperenrrolladoSuperenrrolladoNo EstableNo EstableNo relajadoNo relajadoSe produce por disminución o aumento en el Se produce por disminución o aumento en el
numero de vueltas de hélicenumero de vueltas de héliceAdopta formaciones diferentes al B-DNAAdopta formaciones diferentes al B-DNALa tensión se contrarresta mediante la La tensión se contrarresta mediante la
formación de un superenrollamientoformación de un superenrollamiento
Superenrollamiento negativo Superenrollamiento negativo Si se reduce en nro de Si se reduce en nro de
vueltas de hélice, la vueltas de hélice, la tensión se libera formando tensión se libera formando una superhelice que se le una superhelice que se le asigna un valor negativo asigna un valor negativo de superenrrollamientode superenrrollamiento Ejemplo (Luque)Ejemplo (Luque)
ADN circularADN circular 210 pb210 pb 19 vueltas de helice19 vueltas de helice 11,1 pb por vuelta11,1 pb por vuelta
Superenrollamiento positivoSuperenrollamiento positivo Si se aumenta en nro de Si se aumenta en nro de
vueltas de hélice, la vueltas de hélice, la tensión se libera formando tensión se libera formando una superhelice que se le una superhelice que se le asigna un valor positivo de asigna un valor positivo de superenrrollamientosuperenrrollamiento Ejemplo (Luque)Ejemplo (Luque)
ADN circularADN circular 210 pb210 pb 21 vueltas de helice21 vueltas de helice 10 pb por vuelta10 pb por vuelta
TopologíaTopologíaRama de las matemáticas que estudia las Rama de las matemáticas que estudia las
propiedades de posición relativa de las propiedades de posición relativa de las partes de un objetopartes de un objeto
Numero de enlace (Numero de enlace (L o Lk) nº de veces ) nº de veces que las hebras se cruzan entre si.que las hebras se cruzan entre si.
L = 0 las dos hebras estan físicamente L = 0 las dos hebras estan físicamente separadasseparadas
L L ≠ 0 las hebras estan físicamente ≠ 0 las hebras estan físicamente “ligadas”“ligadas”
Para B-DNA L es positivo por ser Para B-DNA L es positivo por ser dextrógiradextrógira
Los superenrrollamientos surgen por Los superenrrollamientos surgen por cambios en L cambios en L
Valor del superenrrollamientoValor del superenrrollamientoDiferencia de L (estado relajado) y L Diferencia de L (estado relajado) y L
(superenrrollado)(superenrrollado)EjemploEjemplo
210 pb/ 10,5 pb por vuelta = 20 vueltas de helice210 pb/ 10,5 pb por vuelta = 20 vueltas de helice L= 20L= 20
L = 18Superenrrollamiento= 18 – 20 = -2
L = 22Superenrrollamiento= 22 – 20 = +2
ADN - TiposADN - Tipos
ADN – A ADN – B ADN - Z
DNA Estructuras: A-DNA
DNA Estructuras: B-DNA
DNA Estructures: Z-DNA
DNA Structures: A, B and Z
Conformación del Conformación del azúcarazúcar
Conformación de los NucleotidosConformación de los Nucleotidos
Existen dos tipos de orientaciones Alrededor delenlace N-glicosídicoEstan conformaciones son identificadas como syn y anti.
La conformación anti es la predominante
A B ZForma y Tamaño Ancha y corta Intermedia Estrecha y larga
Giro Dextro Dextro Levo
Grosor 25,5 Å 23,7 Å 18,4 ÅDist e/bases 2.3 Å 3.4 Å 3.8 Å
Bases/vuelta 11 10.4 12
Pares de base por vuelta 25,3 Å 35,4 Å 45,6 Å
Rotación 32,7º 35,4º 45,6º
Inclinación 19º 1º 9º
Surco Mayor Estrechoprofundo
Anchoprofundidad media
PlanoSin profundidad
Surco Menor AmplioNo profundo
Estrechoprofundidad media
EstrechoProfundo
Dribosa C3’-endo C2’-endo C2’ endo (C)C3’ endo (G)
N-glicosidico anti anti anti (C) syn (G)
H - DNAH - DNA Regiones ricas Regiones ricas
en pirimidinas en pirimidinas en una hebra y en una hebra y ricas en purinas ricas en purinas en la otraen la otra
Posible Posible aplicación en aplicación en terapia génica terapia génica de inhibición de de inhibición de la expresión.la expresión.
Una estructura tan bonita tenía, por fuerza, que Una estructura tan bonita tenía, por fuerza, que existirexistir
J. WatsonJ. Watson
