Dogma Central De La Biologia Molecular

DOGMA CENTRAL DE LA BIOLOGIA MOLECULAR Dr Eduardo Kremenchutzky

1- los genes se componen de ADN y están situados dentro de los cromosomas. 2-Cada gen contiene información codificada en forma de una serie específica de nucleóti­dos de purina y pirimidina dentro de la molécula de ADN 3- la unidad de información genética es el CODÓN que es un grupo de tres nucleótidos adyacentes que específican un Aa en una cadena de proteínas 4- el código genético es un código tripleto 5- la molécula de ADN consta de dos cadenas complementarias de polinucleótidos arro­llados entre si en una espiral y unidas por enlaces de hidrógeno entre pares específicos de bases de purina y pirimidina. 6- la molécula de ADN se duplica cuando las dos tiras de la espiral se separan y cada una actúa como modelo para la formación de una nueva cadena complelementaria. Cada par de tiras , uno antiguo y uno nuevo se arrrolan formando dos espirales hijas.

Estructura y replicación del material genético

Objetivos tema 6: Estructura y replicación del material genético Deberán quedar bien claros los siguientes puntos: •Cómo se descubrió la naturaleza química del material hereditario •La composición química de los ácidos nucleicos •La estructura 3D del DNA: naturaleza complementaria y antiparalela de la doble cadena del ácido desoxirribonucleico (DNA) •La extraordinaria capacidad explicativa del modelo del DNA de la función biológica fundamental de esta molécula •La replicación semiconservativa •Enzimología de la replicación

La transformación bacteriana en Streptococcus pneumoniae (Griffith 1928) Rugosa

Muerte por neumonía

Lisa

No muere

Muere

Cepa resistente

¿Cuál es el Principio transformante?

Principio Rugosa

Lisa

Colin MacLeod

El elemento transformante es el DNA (1944)

Maclyn McCarty

Oswald Avery

Ver animación experimento tranformación bacteriana Sólo DNA produce transformación

Experimento de Alfred Hershey y Martha Chase con fagos (1952)

Bacteriófago T4

El DNA es el material infeccioso

Componentes de los ácidos nucleicos

adenina timina guanina citosina

Reglas de Chargaff

1. Proporción de purinas = Proporción de pirimidinas A+G=C+T 2.

A=T

3.

G=C

1953. Año culminante: J. Watson y F. Crick resuelven la estructura tridimensional del DNA (Nature 171: 737-738) Watson y yo hemos encontrado el secreto de la vida

1953. Año culminante:

Dos líneas de evidencia: •Reglas de Chargaff •Fotografías de difracción de rayos X

Significado reglas de Chargaff

Complementariedad de las bases

Difracción de rayos X

Hemoglobina Linus Pauling

Interpretación del patrón difracción de rayos X del DNA

Rosalind E. Franklin

Crick

Modelo en metal del DNA

J. Watson y F. Crick Concluyen: La estructura del DNA es una doble hélice, formada por cadenas orientadas en direcciones opuestas (antiparalelas). La estructura se mantiene gracias a enlaces de hidrógeno entre las bases nitrogenadas que se encuentran orientadas hacia el interior de las cadenas

Doble hélice, formada por cadenas orientadas en direcciones opuestas (antiparalelas).

La estructura se mantiene gracias a enlaces de hidrógeno entre las bases nitrogenadas que se encuentran orientadas hacia el interior de las cadenas

Desnaturalización del DNA •Separación de las dos hebras por calor •Una mayor proporción G-C tiene una mayor temperatura de desnaturalización (‘fusión’) Porcentaje G + C

100 80 60 40 20 70

80

90

100 110

Temperatura de fusión (desnaturalización)

Hélices levógiras y dextrógiras

DNA-B dextrógira

Ver artículo Nature 1953

La estructura del DNA suministra una explicación asombrosamente simple del fenómeno de la herencia La estructura explica: •La naturaleza de la secuencia lineal de los genes (información digital cuaternaria en secuencias unidimensionales de monómeros A,T,G,C) •El mecanismo de replicación exacta de los genes •La naturaleza química de las mutaciones •Por qué la mutación, la recombinación y la expresión génica son fenómenos separables a nivel molecular

Esencial a la relación íntima entre estructura molecular y función genética del DNA es el concepto de molde La complementariedad de las bases nitrogenadas permite que la secuencia de una cadena sencilla de DNA actúe como un molde para la formación de una copia complementaria de DNA (replicación) o de mRNA (transcripción)

Antes pensábamos que nuestro futuro estaba en las estrellas. Ahora sabemos que está en nuestros genes. James Watson

Una estructura tan bonita tenía, por fuerza, que existir J. Watson

Una estructura tan bonita tenía, por fuerza, que existir J. Watson

El DNA contiene información digital cuaternaria en secuencias unidimensionales de monómeros A,T,G,C (cristal aperiódico)

Hay grandeza en esta concepción de la vida,... que mientras este planeta ha ido girando según la constante ley de la gravitación, se han desarrollado y se están desarrollando, a partir de una un comienzo moléculatan sencillo, infinidad helicoidal asombrosa, de formas infinidad cada devez formas más bellasvez cada y maravillosas más bellas y maravillosas Charles Darwin

Estructura de los genes y del ARN

Estructura del gen

ARNm

ARNt

ARNr

Replicación del DNA

25 de Abril 1953

It has not escaped our notice that the specific pairing we have postulated immediately suggests a possible copying mechanism for the genetic material.

Posibles modelos de replicación

Replicación del DNA •Semiconservativa: una cadena sirve de molde para una nueva cadena •El experimento de M. Meselson y F. Stahl (1958) demuestra que la replicación es semiconservativa

Mathew Meselson

Frank Stahl

Replicación del DNA •Enzimas que sintetizan (replican) el DNA •E. coli •DNA polimerasa I (rellena huecos y repara) •DNA polimerasa II y III (función principal en la síntesis) •Añade bases en ambas cadenas en la dirección 5’ → 3’ •Requiere un 3’ OH final •Eucariotas •5 polimerasas ∀α y β principal en replicación ∀δ, ε y γ exonucleasas •Corrección de pruebas: actividad 3’ → 5’ exonucleotídica. Sustituye bases mal emparejadas (10-5) por correctas (10-7); mecanismos de reparación adicionales la reducen hasta 10-10

3’ Las polimerasas conocidas añaden nucleótidos solamente en la dirección 5’ → 3’

5’

¿Por qué no hay una enzima que polimerice en la dirección 3´-> 5? No funcionaría la corrección de errores por falta de un trifosfato que suministre la energía de enlace covalente azúcar-fosfato

Adición 5’3’

P

P

P

OH

PPP OH

P

PPP OH

P

P

P

P

OH

P

P

P

P

P

OH

P

P

P

P

P

P

P

P P

+ H2O

P

P

3’

P

PP

P

P

P

P

OH

5’

Adición 3’5’ (hipotética)

P

P

P

P

OH

P P

P

P

P

P

P OH

OH

P

P

+ H2O

P

P

P

P

P PP

OH

PP

PPP

P

P

P

5’

3’

P PP

OH

OH

P PP

P

P

P

P

Adición 3’5’ (hipotética)

Corrección de errores

P

P

P

P

P

P

P

P

P

P

P

P

P

OH

PPP

POH

P

P

P

P

OH 3’

5’

PP

+ H2O

P

P

P

P

P

P

P

P

P

P

P

OH

OH

Adición 5’3’

OH

P

P

P

P

P

P

P

P P PP

P

P

P

P

5’

POH

OH 3’

Adición 3’5’ (hipotètica)

Replicación del DNA (2) •Replicación: continua (cadena adelantada, cebador sólo inicio) y discontinua (cadena retrasada) •Discontinua •Cebador (pequeño RNA 2-60 nucleótidos añadido por enzima primasa o RNA pol que provee 3’ OH. •Fragmento de Okazaki por DNA pol III (1500 bp en procariotas y 150 en eucariotas) •Pol I elimina cebador 3’ -> 5’ y llena huecos (gap) •Ligación (DNA ligasa, enlace fosfodiéster)

Polimerasa III

Polimerasa I

¿Por qué el cebador es RNA?

El cebador es más proclive al error, por lo que debería eliminarse y el RNA puede detectarse y eliminarse fácilmente por la DNApol I

Replicación del DNA (3) El replisoma: complejo enzimático de la replicación que coordina la síntesis de las dos cadenas, maquinaria molecular •Dímero de la DNA pol III (núcleos catalíticos) •Primosoma: formado por dos enzimas •Primasa •Helicasa (desenrolla el DNA) •Proteína de unión a cadena sencilla, ssb (Unión Y, estabiliza el DNA de cadena sencilla) •Topoisomerasas tipo I (rotura una cadena) y II (rotura de dos cadenas) junto a DNA ligasa -> Relajación del superenrollamiento

El replisoma: una maquinaria de replicación extraordinaria

El replisoma: una maquinaria de replicación extraordinaria

El replisoma: una maquinaria de replicación extraordinaria

DNA pol III + abrazadera beta -> Enzima procesiva

El replisoma: una maquinaria de replicación extraordinaria

Topoisomerasas

Replicación del DNA (4) •Origen de replicación: •Secuencia reconocida (Ori C en E. coli) por proteínas iniciadoras. Varios orígenes en eucariotas •La replicación es bidireccional

Horquilla replicación

En el DNA nuclear de eucariotas hay muchos orígenes de replicación (~500 en levaduras y 60000 en mamíferos). Cada unidad de replicación es un replicón. La replicación es bidireccional

En el DNA nuclear de eucariotas hay muchos orígenes de replicación (~500 en levaduras y 30000 en mamíferos). Cada unidad de replicación es un replicón. La replicación es bidireccional

Transcripción

Se forma un precursor llamado TRANSCRIPTO PRIMARIO ,que luego se transforma en el producto final por un mecanismo llamado PROCESAMIENTO DEL ARN.

Procesamiento del ARN El transcripto primario puede modificarse por alguno de los siguientes procesos : 1- clivaje: es la formación de una molécula más grande que luego se rompe originando la molécula final que es más chica. 2- empalme: se sacan partes internas de la molécula que luego vuelve a empalmarse. 3- alargamiento: se agregan segmentos al final del trascrito primario que es más corto que el producto final. 4- modificación: cambios químicos en los nucleótidos.

Genes Transcriptos Estructurales

Determinantes

Determinantes nucleolares

transcripción

transcripción

ARNm

ARNt

ARNr transcripción

Transcriptos primarios ARNhn

ARNpre-t

ARNpre-r

procesamiento

procesamiento

ARNm

ARNt

ARNr procesamiento

Procesamiento del ARNhn

77

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ARN polimerasa

La ARN polimerasa se asocia a una región del ADN y desenrolla una vuelta de hélice, permitiendo la polimerización del ARN a partir de una de las hebras de ADN que se utiliza como molde. Hay tres tipos de ARN polimerasa: nuclear , nucleolar y mitocondrial

Subunidades de la ARN polimerasa

ARN pol

Promotor

Formación del complejo promotor cerrado: ARN pol unida por su subunidad σ específicamente al promotor.

Formación del complejo promotor abierto: la ARN pol desenrolla el ADN quedando así una hebra de ADN como molde (la 3´- 5´). La ARN pol inicia la síntesis de ARN. La subunidad σ se disocia y la síntesis continúa. Subunidad σ La síntesis de ARN continúa hasta que la ARN pol encuentra una señal de terminación: se detiene la transcripción, se separa el ARN y la polimerasa y la enzima se disocia del ADN. 81

Traducción El ARNm pasa al citoplasma y se asocia con los ribosomas, para la síntesis de proteínas, que es la expresión del código genético.

Iniciación

El primer paso consiste en la formación del COMPLEJO DE INICIACION. El ARNm se une a la subunidad menor del ribosoma. Luego el primer aminoacil-transfer se une por medio de su anticodón al codón correspondiente. Después se aparea la subunidad mayor.

Elongación

Es el agregado de aminoácidos a la cadena peptídica, según el orden de los codones del ARNm . Los aminoácidos se van agregando por medio de una unión peptídica entre ellos , unión que es catalizada por una enzima que se encuentra en la subuni-dad mayor del ribosoma , llamada Peptidil-transferasa o Péptido sintetasa.

Terminación

El ribosoma se desplaza sobre el ARNm hasta encontrar un codón sin sentido como UAA, UAG o UGA. Luego se libera la proteína formada y se disocia el ribosoma en sus dos subunidades