Tema IV: ÁCIDOS NUCLEICOS Definición y composición

1. Tema IV: ÁCIDOS NUCLEICOS Definición y composición Nucleótidos: nucleósido (pentosa + base nitrogenada) fosfato oligonucleótidos y polinucleótidos ADN: Descubrimiento Estructura y formas Plegamiento Desnaturalización FUNCIÓN ARN: Características Tipos y localización ARNm: llevar el mensaje desde el ADN ARNt: transferir los aminoácidos a la cadena peptídica ARNr: constituir el ribosoma Ribozimas

2. Ácidos nucleicos Polinucleótidos formados por nucleótidos, moléculas compuestas de C, H, O y P.

3. Nucleótidos

4. Bases nitrogenadas

5. Cadenas lineales de nucleótidos. Se forman mediante un enlace éster entre el OH del grupo fosfato situado en 5´ y el OH situado en 3´ liberando una molécula de agua. Siempre presenta dos extremos 3´ y 5´. Puede observarse que la estructura es una cadena de pentosas y fosfatos de los que salen bases nitrogenadas. Polinucleótidos

6. Cadena de polinucleótidos donde la pentosa es la 2´desoxirribosa y las bases nitrogenadas son adenina (A), guanina (G), citosina (C) y timina (T). Al igual que el ARN tiene carácter ácido por lo que se tiñe con colorantes básicos. Se encuentra en el núcleo de la célula eucariota, asociado a proteínas de carácter básico, histonas, y en mitocondrias, plastos y citosol de células procariotas. Además puede formar parte de virus ADN. ADN: ácido desoxirribonucleico

7. Friedrich Miescher 1869 Aisló el ADN del núcleo celular Frederick Griffith 1928 Streptococcus pneumoniae Bacterias “S” lisas virulentas Bacterias “R” rugosas no virulentas (página 102) Oswald Avery Colin MacLeod Maclyn McCarty 1944 Alexander R. Todd 1950-51 Establece la composición del ADN Alfred D. Hershey Martha Chase S*en proteínas y P*en ácidos nucleicos de fago. 1952 James Watson Francis Crick Maurice Wilkins Rosalind Franklin Erwin Chargaff Estructura del ADN 1953 Fotografía de rayos X de la forma B del ADN A +T = G + C Descubrimiento del ADN

8. Estructura del ADN

9. Formas del ADN

10. Siempre es una molécula muy grande. Los virus, que tienen las moléculas más pequeñas, superan los 5000 pares de bases. El ADN humano tiene 3.000.000.000 pares de nucleótidos. El lugar que una especie ocupa en la escala evolutiva no tiene relación directa con el número de nucleótidos de su genoma: Una cebolla tiene un genoma 5 veces mayor que el del humano. Un helecho presenta un genoma casi 10 veces mayor que el de la cebolla. Si estiráramos el ADN de un núcleo de célula humano, mediría 1 metro de longitud. Veremos cómo se empaqueta. ADN. Tamaño

11. ADN. Forma

12. Plegamiento del ADN

13. Desnaturalización. Variando T y/o pH ADN (doble hélice) ADN (hélice sencilla) Renaturalización. A 65º C. Gran afinidad entre las bases complementarias. Utilidad: Comparación de secuencias: medicina forense, estudios evolutivos... Técnicas de ingeniería genética: Búsqueda de genes mediante sondas genéticas, PCR, ARN de interferencia. Aplicaciones biomédicas. Etc. ADN. desnaturalización

14. Almacén de la información: Gobierno de la actividad celular ADN ARN Proteínas transcripción traducción Epigenética. Transmite la información de una generación celular a la siguiente: ADN duplicación o replicación ADN. Función

15. ARN: ácido ribonucleico

16. ARN mensajero (ARNm) ARN transferente (ARNt) ARN ribosómico (ARNr) Estos tres tipos de ARN se pueden encontrar en el núcleo de células eucariotas, donde se forman, y en el citoplasma donde ejercen su función; el ARNr forma la estructura de los ribosomas. En el citoplasma de bacterias, mitocondrias y plastos, donde se forman y ejercen su función; el ARNr en los ribosomas. ARN heterogéneo nuclear (ARNhn) se encuentran en el núcleo y son los precursores de diferentes ARNm. ARN de interferencia (ARNi). Descritos recientemente, parece que intervienen en la regulación de la actividad génica. ARN: tipos y localización

17. Se encuentra en menor cantidad en la célula (5%). Presenta estructura lineal. Es el que lleva el mensaje que va a dar lugar a proteínas, por tanto, puede ser, en algunos casos, el de mayor longitud. Su función es transmitir el mensaje codificado en el ADN. Se forma en el núcleo de eucariotas o en el citosol de bacterias, plastos y mitocondrias y se traduce a proteínas en los ribosomas. En eucariotas sufre el proceso de maduración. ARN mensajero

18. ARN transferente

19. Es el más abundante (>75%), el de mayor tamaño y peso molecular? Junto a proteínas forma los ribosomas. Estos, serán los encargados de traducir el código genético a proteínas. En eucariotas se forman en el nucléolo. ARN nucleolar (ARNn) Procariotas: 16S + 21 prot. 5S + 23S + + 34 prot. 30S 50S Eucariotas: genes en tándem. ADN 45S ARN 28S 18S 5,8S 5S 33 prot. 49 prot. 4OS 6OS ARN ribosómico

20. Sidney Altman y Robert Cech obtuvieron el premio Nobel de química por descubrir la actividad catalítica del ARN. La capacidad enzimática de muchas moléculas de ARN apoyaría la teoría de que fue el ARN la primera molécula con capacidad de replicación necesaria para el origen de la vida. Las moléculas de ARN son más inestables que las de ADN. Ribozimas

21. GENÉTICA MOLECULAR: ¿Dogma Central? de la Biología Duplicación Replicación Síntesis de ADN ADN ADN FASE S del Ciclo Celular Transcripción inversa (virus) Transcripción (código en ADN a ARN) Mensajero Transferente Ribosomal ARN Traducción (nucleótidos a aminoácidos) PROTEÍNAS Mutación: alteración del ADN

22. Proceso de síntesis o autocopiado de todo el ADN nuclear (eucariota) o cromosómico (procariota). Descrito por Arthur Kornberg. El mecanismo fue propuesto por Watson y Crick y demostrado por Matthew S. Meselson y Franklin W. Stahl en 1957 (página 103). • Requerimientos en procariotas: • Molécula de ADN molde. • Proteínas: iniciadoras (Ori I), helicasas y topoisomerasas, estabilizadoras (abrir la hélice, girarla y estabilizarla), primasa (sintetizar los primer o cebadores), ADN polimerasas III (genera las nuevas hebras), II (ADN mitocondrial) y I (retira los primer, rellena los huecos y repara posibles errores) y ADN ligasa (une los fragmentos de Okazaki). • Nucleótidos: NTP. energía • Energía: NTP NMP + E (ATP AMP) Duplicación o replicación del ADN

23. Duplicación del ADN. Proceso

24. Diferencias con el proceso descrito en procariotas: • Distintos orígenes de iniciación. • Formación de múltiples horquillas de replicación y de burbujas. • Hay que separar las histonas que se vuelven a unir tras la creación de la nueva copia. Estas proteínas se han sintetizado previamente. • Diferencias en las proteínas: ver cuadro de la página 84. • Construcción de los extremos: telomerasa. Implicaciones de la existencia y funcionamiento de la telomerasa. Duplicación del ADN en eucariotas

25. Transcripción del ADN. Síntesis de ARN

26. Transcripción. Proceso

27. Transcripción en eucariotas I

28. Transcripción en eucariotas II. Maduración

29. Tras la transcripción se forma, entre otros, el ARNm. En eucariotas cada ARNm es monocistrónico; tiene información para una única proteína; en procariotas puede ser policistrónico, es decir, da lugar a varias proteínas. Los aminoácidos deben ser transportados en ARNt para formar la proteína, luego deben ser activados. Cada aminoácido se une al ARNt que tenga el anticodón que le corresponda según el Código Genético. El ARNm presenta una secuencia de nucleótidos que se leen de tres en tres y que tienen sus correspondientes complementarios en el ARNt. Este triplete se denomina codón. Traducción. Síntesis de proteínas

30. Código Genético

31. Lo intuyó Francis Crick. Lo demostraron Niremberg, Khorana y Ochoa. Cada tres bases o triplete se denomina codón. Es específico: cada triplete sólo codifica para un aminoácido. Es degenerado: varios tripletes codifican para el mismo aminoácido. Conviene observar que son las bases que ocupan el tercer lugar las que cambian generalmente (leucina, serina y arginina). No presenta solapamientos ni discontinuidades. Es universal. Código Genético. Características

32. Al igual que en la transcripción se definen tres fases: • Iniciación: ARNm, ribosoma separado en subunidades, factores proteicos de iniciación, energía cedida por GTP, iones Mg2+, el primer aminoácido siempre es la metionina (eucariotas) y en procariotas la formilmetionina, el codón de iniciación AUG, se acoplan el codón con el anticodón en la posición P y a continuación la subunidad mayor del ribosoma se une a la subunidad menor. • Elongación: Son necesarios los factores de elongación y los distintos aminoácidos unidos a los ARNt. Se une en la posición A el aminoacil-tRNA correspondiente al segundo codón. Se produce el enlace peptídico mediante la peptidiltransferasa de la subunidad mayor del ribosoma. Se desplaza el ARNm en sentido 5´ 3´. El péptido pasa al lugar P, deja el sitio A para el nuevo aá y sale el ARNt que ha quedado sin aá. Se utiliza la energía de GTP. • Terminación: codón de terminación. Factores de terminación que bloquean el sitio A. Separación de la cadena polipeptídica del ARNt último y degradación del ARNm por las ARNasas. Traducción. Fases y requerimientos

33. Traducción. Proceso

34. Regulación de la expresión génica

35. Procesos más complejos y peor conocidos. • Diferentes niveles: • Transcripción: momento y frecuencia (proteínas reguladoras: activadores y represores; cambios en la estructura del ADN (compactación, metilación, factores de transcripción • Maduración del ARNm. • Transporte del ARNm. • Traducción. • Degradación de los ARNm. • Actividad de las proteínas. • Elementos transponibles o transposones. • Factores extracelulares: hormonas, etc. Regulación en eucariotas

36. ARN de interferencia. Premio Nobel de Medicina,2006. Fire, A y Mello, C.

37. Alteraciones de la información genética. Tipos: génicas. Afectan a la estructura molecular del gen. cromosómicas: afectan al cromosoma. genómicas. Afectan al genoma. Clasificación de mutaciones génicas: sustitución: una base nitrogenada por otra. deleción: pérdida de uno o varios nucleótidos. inserción: ganancia de uno o varios nucleótidos. Se estudiarán en los temas de genética mendeliana 5´ATTGCCGTGACTAC 3´ 5´ATTGCTGTGACTAC 3´ 5´ATTGCGTGACTAC 3´ Análisis de las consecuencias 5´ATTGCACGTGACTAC 3´ Mutaciones

38. Causas: • Errores de lectura: fallos de la polimerasa; en las oxidaciones, radicales libres provocan que G se altere y se una a T en vez de C. • Cambios químicos: desaminaciones (C x U), despurinaciones (rotura del enlace N-glucosídico), formación de dímeros de T mediante radiación ultravioleta. • Transposiciones: transposones. Reparaciones: ADN polimerasa I, acción de endonucleasas, síntesis de proteínas reparadoras (ante los dímeros de T), reparación inespecífica y posterior apoptosis, ... Mutaciones. Causas y reparación

39. Ingeniería Genética I. Manipulación del material genético • Objetivos: • Conocer el material genético. Genómica (Proyecto Genoma Humano). • Sustitución de genes defectuosos por genes normales. Introducción de genes nuevos: “terapia génica”, organismos genéticamente modificados (OGM) o “transgénicos”. • Obtención de péptidos y proteínas en grandes cantidades: hormonas, antibióticos, vacunas, etc.

40. Ingeniería Genética II. Técnicas de manipulación Tecnología del ADN recombinante: Enzimas de restricción (extremos cohesivos o pegajosos y extremos romos). Mutagénesis dirigida. Electroforesis en gel. Clonación. PCR (reacción en cadena de la polimerasa). Hibridación.

41. Secuenciación de diferentes genomas. Proyecto Genoma Humano Mapas genéticos: posición relativa de genes conocidos por su función. Mapas físicos: secuencia de nucleótidos a lo largo del cromosoma. Terapia génica. Transgénesis: seres transgénicos, alimentos transgénicos, productos, xenotransplantes, etc. Células madre: embrionarias y adultas. Consideraciones éticas, legales y sociales. ??? Ingeniería Genética III.Logros alcanzados

42. Proyecto Genoma Humano