EL ADN, PORTADOR DEL MENSAJE GENÉTICO

1. EL ADN, PORTADOR DEL MENSAJE GENÉTICO

2. ¿El material genético es ADN o una proteína? • Se pensó que era en las proteínas donde radicaba la información genética por: • Son moléculas más complejas, al igual de complejo que el proceso de transmisión de genes. • Son polímeros de 20 tipos de Aa distintos, y la cantidad de combinaciones es mucho mayor que con los ácidos nucleicos que solo presentan 4 tipos de nucleótidos diferentes.

3. Se realizaron varios experimentos para demostrar cuál era la molécula responsable de portar la información genética: 1.Experimento de Griffith 2.Experimento de Avery, Mc Leod y Mc Carty. 3.Experimento de Hersey y Chase.

4. Experimento de Griffith (1920) • Trató de obtener una vacuna para proteger a la gente contra la bacteria Streptococcuspneumoniae, que produce la neumonía. No tuvo éxito, pero descubrió el fenómeno de la transformación bacteriana. • Griffith descubrió dos variedades de Streptococcus, una con cápsula y otra desnuda. Propuso la hipótesis que la cápsula afectaba la capacidad de las bacterias para causar la enfermedad y experimentó con ratones de la siguiente manera:

6. Inyectó bacterias encapsuladas vivas. Resultado: Los ratones contrajeron neumonía y murieron. La sangre contenía bacterias encapsuladas. • Inyectó bacterias desnudas vivas. Resultado: Los ratones permanecieron vivos. No se encontraron Streptococcus en la sangre. • Inyectó bacterias encapsuladas muertas. Resultado: Los ratones no tuvieron neumonía y carecían de bacterias vivas. • Inyectó una mezcla de bacterias encapsuladas muertas y bacterias desnudas vivas. Resultado: Tuvieron neumonía y estaban infectados de bacterias encapsuladas vivas que crecieron.

7. ¿Qué significaban los experimentos? • Una hipótesis era que las bacterias vivas habían adquirido moléculas de información genética provenientes de las bacterias muertas. • Las moléculas codificaban las instrucciones para formar cápsulas; por lo tanto, transformaban a las bacterias desnudas en bacterias encapsuladas. ¿La molécula de la transformación era el ADN?

8. Aislaron ADN de bacterias encapsuladas, las mezclaron con bacterias desnudas vivas y produjeron bacterias encapsuladas vivas. • Para demostrar que la transformación la ocasionaba el ADN, y no pequeñas cantidades de proteínas que contaminan al ADN, trataron diferentes muestras con enzimas que destruyen proteínas. • Dichas enzimas no afectaron la capacidad de transformación de las muestras de ADN; por otro lado, al tratar muestras con enzimas que destruyen el ADN, se impidió la transformación. Experimento de Avery, Mc Leod y Mc Carty (1944)

9. R R R R R En resumen L Muertas DNA Polisacáridos RNA Lípidos Proteína Células “R” Vivas L Resumen del experimento de Avery y cols. En que se esquematiza que los diferentes componentes aislados de bacterias que producen colonias lisas “L”, muertas por calor, sólo producen transformación cuando el componente es DNA.

10. Experimento de Hersey y Chase

11. Conclusión • El ADN es la molécula que contiene la información genética

12. EL ADN: ESTRUCTURA Y REPLICACIÓN

13. ¿Qué es un gen? • Es una secuencia de nucleótidos en la molécula de ADN, equivalente a una unidad de transcripción. • Contiene la información, a partir de la cual se sintetiza un polipéptido, una enzima, un ácido ribonucleico: mensajero, de transferencia o ribosomal. • En el genoma humano la mayoría de los genes son únicos y se expresan en forma independiente. Los genes segregan cuando ocurre la meiosis.

14. DOGMA CENTRAL DE LA BIOLOGÌA MOLECULAR Hebra molde Transcripción Traducción

15. COMPOSICIÓN DEL ADN • La molécula de ADN está compuesta de subunidades, llamadas nucleótidos, unidos en cadenas largas. • Cada nucleótido consta de un grupo fosfato, un azúcar de cinco carbonos, la desoxirribosa y, una base nitrogenada.

16. Los ácidos nucleicos y sus componentes Los ácidos nucleicos son macromoléculas con estructura de polímero lineal, donde los monómeros son nucleótidos. Cada nucleótido está formado por un azúcar pentosa, un fosfato y una base nitrogenada. Las bases pueden ser purinas (de doble anillo), como la Adenina y la Guanina...

17. También pueden ser pirimidinas, de anillo sencillo, como la timina y la citosina, en el ADN; y la citosina y el uracilo en el ARN.

18. Ácidos Nucleicos • Nucleótidos individuales: • Trifosfato de adenosina (ATP): principal molécula portadora de energía a corto plazo en las células. • Monofosfato de adenosina cíclico (AMP cíclico): mensajero intracelular.

19. Ácidos nucleicos de cadena larga: • Ácido desoxirribonucleico (ADN): material genético de todas las células vivas. • Ácido ribonucleico (ARN): material genético de algunos virus; transfiere la información genética del ADN a las proteínas.

20. Pentosa del ADN Pérdida de un átomo de oxígeno en el hidroxilo del carbono 2

21. Desoxirribunucleótido

22. Hebras antiparalelas Fosfatos van unidos al azúcar en el C-5’ y el C-3’ Punta 3’ libre Punta 5’ libre ACIDOS NUCLEICOS

23. Bases Nitrogenadas ADENINA • En el ADN se presentan cuatro bases diferentes: • Adenina • Guanina • Timina • Citosina GUANINA TIMINA CITOSINA

24. NIVELES ESTRUCTURALES DEL ADN • En el ADN se distinguen tres niveles estructurales: • Estructura primaria o secuencia de nucleótidos. • Estructura secundaria o doble hélice. • Estructura terciaria o ADN superenrollado (es la torsión de la doble hélice sobre sí misma).

25. Estructura secundaria del ADN: doble hélice Es la disposición en el espacio de dos hebras o cadenas de polinucleótidos en doble hélice, con las bases nitrogenadas enfrentadas y unidas mediante puentes de hidrógeno. Esta estructura se dedujo a partir de los siguientes datos experimentales: • La densidad y viscosidad de las dispersiones acuosas del ADN eran superiores a las esperadas. • Reglas de Chargaff: Chargaff observó que nº moléculas de A/ nº moléculas de T= 1; y que el nº moléculas de C/ nº moléculas de G=1. Con esto se estableció la presencia de 2 puentes de H entre A y T, y 3 puentes de H entre C y G. • Estudios mediante difracción de rayos X.

26. Modelos de doble hélice del ADN En la actualidad se conocen tres tipos de estructura en doble hélice del ADN: • La forma B: fue la descrita por Watson y Crick. Es la forma más corriente en el ADN en dispersión. • La forma A: es dextrógira y las bases complementarias se encuentran en planos inclinados. No se ha encontrado en condiciones fisiológicas. • La forma Z: es levógira y tiene un enrollamiento irregular que provoca una configuración en zigzag. Aparece en regiones del ADN donde se alternan muchas citosinas y guaninas.

27. EL modelo de Watson y Crick (1953)

28. En 1953, James Watson, Francis Crick, Maurice Wilkins y Rosalind Franklin propusieron un modelo para la estructura del ADN. • Se compone de unidades llamadas nucleótidos. • Cada nucleótido contiene un grupo fosfato, un azúcar de 5 carbonos llamada desoxirribosa y una base nitrogenada.

29. Los nucleótidos están unidos por enlaces entre el grupo fosfato de un nucleótido y el azúcar del siguiente nucleótido. • Se forma una larga cadena de nucleótidos enlazados del fosfato al azúcar. • Las bases nitrogenadas se extienden hacia dentro desde la cadena azúcar-fosfato. En el ADN hay 4 bases: • adenina (A), citosina (C), guanina (G) y timina (T).

30. Pares de bases Esqueletodeazúcar-fosfato • La molécula esta compuesta por dos cadenas polinucleotídicas dextrógiras, enrolladaas alrededor del eje central, alternándose un surco mayor y otro menor, • El esqueleto azúcar-fosfato está al exterior de la molécula y las bases proyectadas hacia el centro. • Las bases ocupan planos perpendiculares al eje longitudinal, estando separadas entre si 3,4Å. • Las dos cadenas son antiparalelas.. • La doble hélice da una vuelta completa cada 34Å, lo que equivale a 10 pares de bases. • El diámetro de la doble hélice es de 20Å. • Las bases complementarias se aparean por puentes de hidrógeno. Dos unen Adenina y Timina y tres Guanina y Citosina. No hay restricción. • - A 100ºC las hebras se separan (desnaturalización). Si se mantiene esta separación a 65ºC, las cadenas vuelven a unirse (renaturalización), permitiendo la hibridación. 3,4Å Una vuelta (10pb) 34Å Surco menor Surco mayor 20Å

31. El Modelo de Watson y Crick reúne las características que deben de tener las moléculas hereditarias ESTABILIDAD: Gran cantidad de puentes de hidrógeno e interacciones hidrofóbicas y electrostáticas. INFORMACIÓN: Que viene dada por la secuencia lineal de las bases, sin ningún tipo de restricción. REPLICACIÓN: Exacta por simple separación de las dos cadenas que servirán de molde para sintetizar la complementaria. TRANSMISIÓN: Si una vez replicadas, las dos moléculas de ADN resultantes se reparten 1:1 en la descendencia. EXPRESIÓN: Mecanismos sencillos de expresión de su mensaje. Se lleva a cabo en dos pasos: Transcripción, al generarse una molécula de ARN simplexa, idéntica en secuencia a una de las dos hebras de la molécula duplexa de ADN. Traducción, convirtiendo la secuencia de nucleotidos del ARN en la secuencia de aminoácidos de una proteína. CAMBIO: Por Mutación, al cambiar las secuencias de bases, o por intercalación o por deleción. Por Recombinación, si se produce el intercambio de segmentos de ADN entre dos moléculas. Ver la siguiente animación: http://www.youtube.com/watch?v=i-ATJ1FwYps

32. La función del ADN • ¿Por qué es tan importante que los cromosomas pasen de la célula madre a las células hijas? • Los cromosomas están formados por genes, los segmentos de ADN que son las unidades de la herencia. • Los genes controlan características como: • Color del pelo • Tipo de sangre • Color de la piel • Color de los ojos

33. La función codificante del ADN está determinada por la secuencia de sus nucleótidos (bases)

34. Tipos de ADN • Según su estructura: • Monocatenario. • Bicatenario. • Según su forma: • Lineal. • Circular. • Según la forma de empaquetarse: • Asociado a histonas. • No asociado a histonas.

35. REPLICACIÓN DEL ADN • El primer proceso necesario para la transmisión de la información genética es su duplicación, es decir, la realización de una copia que pueda ser transportada por los gametos hasta la fecundación y luego pueda ser utilizada por el nuevo individuo. • Para que la especie no se extinga, ha de haber un momento en que los individuos se reproduzcan, es decir, den lugar a nuevos individuos que continúen viviendo. •  La REPLICACIÓN es el proceso por el cual el DNA se copia para poder ser transmitido    a nuevos individuos. • Con el modelo de la doble hélice de Watson y Crick se desarrolló la idea de que las hebras originales debían servir de patrón para hacer la copia, aunque en principio había tres posibles modelos de replicación:

36. Modelo conservativo: Proponía que tras la replicación se mantenía la molécula original de DNA intacta, obteniéndose una molécula idéntica de DNA completamente nueva, es decir, con las dos hebras nuevas. • Modelo semiconservativo: Se obtienen dos moléculas de DNA hijas, formadas ambas por una hebra original y una hebra nueva. • Modelo dispersivo: El resultado final son dos moléculas nuevas formadas por hebras en las que se mezclan fragmentos originales con fragmentos nuevos. Todo ello mezclado al azar, es decir, no se conservan hebras originales ni se fabrican hebras nuevas, sino que aparecen ambas mezcladas

38. Experimento de Meselson y Stahl • Para comprobar cuál de estas 3 hipótesis era la correcta, fueron Meselson y Stahl en 1958 quienes confirmaron mediante sus experimentos con E.coli, que el ADN sigue un modelo de replicación semiconservativa: una de las hebras sería la antigua , que actuaría como molde, y la otra la moderna, constituida por la complementariedad de las bases nitrogenadas.

40. Síntesis de ADN in vitro • En 1956. Kornberg aisló a partir de la bacteria E.coli, la enzima ADN- polimerasa, capaz de sintetizar ADN in vitro. • La ADN- polimerasa necesita para actuar: • dnTP´s de A, T, G y C:se utilizan como fuente de nucleótidos y además aportan energía. • Iones Mg2+. • Adn en el que una hebra actúa como patrón, y un extremo de la otra como molde. • Las ADN polimerasas requieren como sustrato la punta 3’ hidroxilo libre de una base apareada para catalizar la unión de otro nucleótido. • El OH libre se une al 5’a-fosfórico del deoxinucleósido 5’ trifosfato, liberándose un pirofosfato inorgánico. • La ADN-polimerasa es incapaz de sintetizar una cadena de novo, sin la presencia del ADN cebador. • La cadena del ADN cebador sólo puede crecer en el sentido 5`3`.

42. Ver la siguiente animación: http://www.youtube.com/watch?v=okKnkfsP1PE

43. El ADN es la molécula que permite perpetuar la vida: LA REPLICACIÓN • Aunque existen pequeñas variaciones entre procariotas y eucariotas, el mecanismo básico es bastante similar: • El DNA se desenrolla y se separan las dos hebras de la doble hélice, deshaciéndose los puentes de hidrógeno entre bases complementarias, por la acción de helicasas y topopisomerasas. • En el DNA eucariota se producen muchos desenrollamientos a lo largo de la molécula, formándose zonas de DNA abierto. Estas zonas reciben el nombre de HORQUILLAS O BURBUJAS DE REPLICACIÓN, que es donde comenzará la síntesis. • La RNA-polimerasa fabrica pequeños fragmentos de RNA complementarios del DNA original. Son los llamados "primers" o cebadores de unos 10 nucleótidos, a los cuáles se añadirán desoxirribonucleótidos, ya que la DNA-polimerasa sólo puede añadir nucléotidos a un extremo 3’ libre, no puede empezar una síntesis por sí misma. • La DNA-polimerasa III añade los desoxirribonucleótidos al extremo 3' (sentido 5'-3'), tomando como molde la cadena de DNA preexistente, alargándose la hebra.

44. En las horquillas de replicación siempre hay una hebra que se sintetiza de forma continua en el mismo sentido en que se abre la horquilla de replicación, la llamada HEBRA CONDUCTORA, y la otra que se sintetiza en varios fragmentos, los denominados FRAGMENTOS DE OKAZAKI y que se conoce como HEBRA SEGUIDORA o RETARDADA, ya que se sintetiza en sentido contrario al de apertura de la horquilla. (siguientes diapositivas imágenes) • La DNA-ligasa va uniendo todos los fragmentos de DNA a la vez que elimina los ribonucleótidos de los cebadores. • A medida que se van sintetizando las hebras y uniendo los fragmentos se origina la doble hélice, de forma que al finalizar el proceso se liberan dos moléculas idénticas de DNA, con una hebra antigua y otra nueva

45. Hebra molde Hebra líder Hebra retardada

47. Horquilla de replicación

48. Proteínas principales de la replicación • Topoisomerasas: rompen una hebra, se unen a ella, y la tensión del enrollamiento de la hélice se relaja. • Helicasas: completan el desenrollamiento, separando las dos hebras. • ADN polimerasas: complejos agregados de diferentes proteínas. Principales enzimas de la síntesis del ADN. • RNA-polimerasa: fabrica los cebadores, pequeños fragmentos de RNA que sirven para iniciar la síntesis de DNA. • Primasas: sintetizan los iniciadores de ARN (primer) que se necesitan para iniciar la replicación • Ligasas: sellan las lagunas dejadas por las ribonucleasas cuando remueven los primers, catalizan la unión fosfodiester entre nucleótidos adyacentes. • Proteinas de unión a la hebra sencilla del ADN: estabilizan la horquilla de replicación.

49. Esquema de la Replicación del DNA mediante fragmentos de Okazaki y cebadores de RNA Ver la siguiente animación: http://highered.mcgraw-hill.com/olc/dl/120076/bio23.swf

50. Estructura tridimensional de una helicasa: un hexámero con seis sitios de enlace al ATP. La hidrólisis secuencial de estos ATPs permite el desenrrollamiento de la doble hélice.