Capítulo 12: DNA: el transportista de la información genética

Prof. Carol V. López Morales

B-204

c_lopez_pr@yahoo.com

Objetivos

• Resumir la evidencia acumulada durante los ’40 y los ’50 quedemuestra que el ADN es el material genético.

• Conocer la estructura del ADN según propuesta por Watson y Crick.

• Conocer como los nucleótidos están enlazados en el ADN.• Ilustrar como las hebras del ADN se orientan en la doble hélice.

• Conocer las reglas de apareamiento de bases y describir comobases complementarias se aparean.

• Resumir como el ADN se replica e identificar algunos principiosúnicos en el proceso.

• Conocer los niveles de organización del ADN.

Historia del ADN

• La mayoría de los biólogos pensaban hasta ~1940 que las proteínas llevaban la información hereditaria– Muy complejas– Gran variedad

• Según los científicos iban aprendiendo más acerca del rol central de las proteínas en la estructura celular y en el metabolismo, se considero a estas como los principales candidatos que constituían el material genético.

Historia del DNA

• En los años 1930-1940 la mayoría de los genetistas prestaban poca atención al DNA, convencidos de que el material genético lo eran las proteínas.

• Ellos consideraban la complejidad y variabilidad de las proteínas.

– Proteínas formadas por la combinación de 20 aminoácidos vs los nucleótidos formados solo por la combinación de 4 bases nitrogenadas

Experimentos hechos por Frederick Griffith

• Medico británico

• Hizo estudios utilizando cepas bacterianas de pneumococcus (Streptococcus pneumoniae).– Una cepa que formaba colonias lisas en un medio

de crecimiento sólido (smooth “S”), exhibía virulencia.

– Una cepa que formaba colonias rugosas en un medio de crecimiento sólido (rough “R”), no exhibía virulencia.

Experimentos de Griffith:

• Griffith buscaba una vacuna para la pneumonía, utilizando ratones como organimso experimental.

• Si la cepa bacteriana “S” era inyectada en los ratones, estos morían

• Si la cepa “R” era inyectada, los ratones vivían

• Si la cepa “S” era tratada con calor e inyectada,losratones vivían

• Si se combinaba la cepa S tratada con calor y la R, y la mezca era inyectada los ratones morían

Fig. 12-1, p. 264

Experiment 1 Experiment 2 Experiment 3 Experiment 4

R cells injected

S cells injected

Heat-killed S cells injected

R cells and heat-killed S cells

injected

Mouse lives Mouse dies Mouse lives Mouse dies

Transformación

• Ocurría Transformación: las bacterias R

adquirían algo de las bacterias S

muertas: un “principio transformador”

(molécula) de algún tipo que cambiaba

las bacterias R a bacterias S

DNA: El Principio Transformador

• 1944: Avery, Macleod y McCarty identificaron el factor transformador de Griffith como el DNA

• Ellos trataron células R con ADN purificado de células S.

• Las células R adquirieron el AND

• Las células R se transformaron en células S

• En la actualidad considerado como el primer indicio de que el ADN guardaba la información genética; pero la idea no era popular en la época

Experimentos de Hershey y Chase

• 1952-Alfred Hershey y Marta Chase realizaron una serie de experimentos en la reproducción de los virus que infectan bacterias:

• bacteriofagos o fagos

• Solamente el material

genético de los fagos

entra a la bacteria

Hershey-Chase: 1944

• Marcaron los cápsidos con 35S y el ADN con 32P

• Permitieron que los bacteriófagos se adherieran y luego los desprendieron utilizando una licuadora y centrifugaron para separar los cápsidos de las células bacterianas

Hershey- Chase

• Hallaron que el 35S se hallaba en el sobrenadante (cápsidos virales); el 32P se hallaba en el “pellet” bacteriano

• Mostró convincentemente que el ADN era el material genético

KEY EXPERIMENT:The Hershey–Chase Experiments

Estructura del ADN

• Descubierta en 1953 por Watson & Crick

• Usando los datos de difracción de rayos X de Rosalind Franlkin deducen la estructura molecular del ADN

• Describen el ADN como una molécula helicoidal, formada por dos hebras de nucleótidos unidas por enlaces de hidrógeno entre bases nitrogenadas

Rosalind Franklin

• Franklin had already

produced X-ray

crystallographic films

of DNA patterns when

Watson and Crick

began to pursue the

problem of DNA

structure

Fig. 12-5, p. 268

RESEARCH METHOD:How X-Ray Diffraction Works

James Watson and Francis Crick

• Watson and Crick’s

DNA model consisted of

two polynucleotide

chains arranged in a

coiled double helix

• The sugar–phosphate

backbones of the two

chains form the outside

of the helix

Fig. 12-7, p. 269

Ácidos Nucleicos

• Son los responsables de cargar y transmitir lascaracterísticas hereditarias de una generacióna la siguiente.

• Hay dos tipos: DNA y RNA

• Los ácidos nucleicos son un polímero denucleótidos unidos entre sí por enlacesfosfodiésteres

Nucleótidos

• Un nucleótido es una pequeña molécula orgánica que consta de :

– Un azúcar

– Un grupo fosfato

– Una base nitrogenada

• Un acido nucleico: es un polímero o cadena de nucleótidos donde el azúcar de un nucleótido esta unido con el grupo fosfato del siguiente.

• Los monómeros de los ácidos nucleicos se conocen

como "nucleótidos".

Pirimidinas

Fig. 3-23a, p. 68

Cytosine (C) Thymine (T) Uracil (U)

(a) Pyrimidines. The three major pyrimidine bases found in

nucleotides are cytosine, thymine (in DNA only), and uracil (in

RNA only).

Purinas

Fig. 3-23b, p. 68

Adenine (A) Guanine (G)

(b) Purines. The two major purine bases found in nucleotides are

adenine and guanine.

Fig. 3-21, p. 48

adenine (A)

base with a

double ring

structure

thymine (T)

base with a

single ring

structure3 phosphate

groups

sugar

(deoxyribose)guanine (G)

base with a

double ring

structure

cytosine (C)

base with a

single ring

structure

Ácidos nucleicos

• DNA:

– Sus dos pares debasescomplementariasson:

• A=T, C=G

24

Ácidos Nucleicos• El nucleótido es el monómero de los ácidos

nucleicos y está compuesto por:

– Pentosa o azúcar de 5 carbonos (ribosa en RNA o 2’desoxiribosa en DNA)

– Grupo fosfato: da carga negativa o característica deácido a la molécula

– Base nitrogenada:• Compuesto orgánico en forma de anillo, químicamente

actúa como una base y tiene a nitrógeno como elementofundamental– Purinas: guanina, adenina– Pirimidinas: citosina, timina, uracilo

25

Ácidos nucleicos

• DNA:

– Esta molécula es responsable de

almacenar la información hereditaria en

la secuencia de las bases nitrogenadas

– Poseen enlaces covalentes de tipo

fosfodiésteres• Se forman entre la azúcar de un nucleótido y el

grupo fosfato del nucleótido adyacente

• Esto permite la formación de una hebra coherente y

continua

Doble hélice del DNA

Repaso de la estructura del ADN• El ADN está unido por enlaces

fosfodiester entre azúcaresadyacentes

• Los grupos fosfato se encuentran enlazados a los carbonos 5' y 3‘ de los azúcares

• La hebra adyacente esantiparalela; se encuentra en la orientación opuesta

• Ambas hebras se encuentranunidas por enlaces de hidrógeno entre bases nitrogenadas

Estructura del ADN

Puentes de H

Fig. 3-24, p. 69

Nucleotide

Uracil

Adenine

Phosphodiester

linkage

Cytosine

Guanine

Hebras antiparalelas del DNA

Martes, 15 de Mayo de 2012 32

Regla de Chargaff

• Erwin Chargaff encontró una relación entre las bases de DNA

• Chargaff ’s rules– En una molécula doble de DNA, el número de purinas es

igual al número de pirimidinas.

– El numero de adeninas es igual a el número de timinas (A = T), y el numero de guanina es igual al numero de citosinas (G = C)

Replicación del DNA• Durante la fase S de la interfase, el DNA contenido en

el núcleo se duplica o replica– Hacer copias fieles y exactas de todo el material génico

• La replicación comienza en regiones específicas de la molécula llamadas orígenes de replicación o replicones

• Enzimas como la helicasa separan los enlaces de hidrógenos que son débiles y abren la doble cadena, exponiéndola– Es entonces que cada banda existente actúa como un molde

para la síntesis de una nueva banda

Replicación del DNA

• Este proceso es catalizado principalmente por la enzima polimerasa de DNA, aunque no es la única

Replicación del ADN

• 1957 – Messelson y Stahl demuestran

que la replicación es semiconservativa

• Esto significa que la nueva molécula de

ADN está compuesta de una hebra de

la molécula original y una hebra nueva

Replicación semiconservativa

del DNA

Replicación del ADN

• El complejo de replicación se enlaza a una secuencia de bases específicas conocida como origen de replicación

• La enzima helicasa separa las hebras de ADN y las mismas se mantienen separadas por proteínas que desestabilizan la doble hélice . La replicación comienza en el tenedor de replicación

Replicación del ADN

• Los nucleótidos se añaden al terminal 3’ únicamente

• Las hebras resultantes se alargan en direccionesopuestas

• La hebra continua (líder) se alarga hacia el tenedor

• La hebra discontinua se alarga en contra del tenedor

• Los “primers” de ARN (en rojo) son añadidos por la enzima primasa

• La elongación procede de manera continua en la hebralíder

Hebra Discontinua

• Según el tenedor se agranda las hebras van creciendo

• La adición de nucleótidos en la hebra discontinua ocurre en fragmentos de 100-2000 bases llamados fragmentos de Okazaki.

Uniendo la Hebra Discontinua

• Los “primers” de ARN son removidos de la

hebra discontinua

• Los fragmentos de Okazaki son unidos por la

enzima ADN ligasa

Resumen Proceso de

Replicación

Replicación del DNA

• Durante la replicación del DNA se forma un tenedor de replicación– La polimerasa de DNA añade nucleótidos

trifosfatados complementarios a un terminal 3’ libre solamente

• Según la base que esté presente en la hebra molde, la polimerasa de DNA pondrá la que es complementaria

– Si la base en la hebra molde es C, la enzima pondrá G y viceversa

– Si la base en la hebra molde es A, la enzima pondrá T y viceversa

• La replicación se lleva a cabo de dos maneras distintas:– La hebra líder (5’ a 3’) se sintetiza de manera

continua

– La hebra discontinua (3’ a 5’) se sintetiza en pequeños fragmentos, llamados fragmentos de Okazaki, que luego son unidos por la enzima DNA ligasa

Reparación de errores en el

DNA

Reparación de errores en el DNA• Las polimerasas de DNA pueden reparar

los errores que se presentan durante el proceso de replicación

– Ellas pueden remover o sustituir la o las base(s) que:

• hayan sido introducidas equivocadamente en la hebra nueva

• estén dañadas

– Las polimerasas tienen capacidades especiales de ser “editoras o correctoras”, aumentando así lo fidedigno del proceso de replicación

– Otros mecanismos actúan juntamente con las polimerasas para reparar estos errores

Otros Mecanismos de reparación

• Mismatch repair

• Enzimas especiales reconocen los nucleótidos

pareados incorrectamente y los remueven

• Nucleotide excision repair

• Utilizado para reparar (DNA deforme) causado

por la radiación ultravioleta del sol o por

daños químicos

• Una nucleasa corta el segmento de ADN

dañado; la ADN polimerasa añade los

nucleótidos correctos y una AND ligasa une

los fragmentos

Nucleotide Excision Repair of Damaged DNA