Estructura

Nucleotidos y Acidos Nucleicos •Aspectos Básicos •Estructura de los Ac. Nucleicos •Química de los Ac. Nucleicos •Funciones de los Nucleótidos

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F. Nietzsche Miescher O. Avery J. Watson Shapiro

1865 1869 1944 1953 1976

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Protaminas

~ 1865

Nucleína

~ 1869

Acidos Nucleicos

~ 1900

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Gen

mRNA

tRNA rRNA

1. ejecutores Mg. Carlos M. Santa Cruz Carpio

Información para su secuencia 4

Definición:

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Nucleotidos: •Energía •Señales de transducción •Cofactores enzimáticos •Intermediarios metabólicos •Monómeros de DNA RNA

Nucleotido

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El esqueleto coovalente: Fosfatos y pentosas alternantes Las bases se ubican como grupos laterales unidos al esqueleto a intervalos regulares

El esqueleto es hidrofílico, S-OH ---H2O, pH 7, P- , prot+, M+, poliaminas Polaridad;

DNA y RNA, Hidrólisis no enzimática, lenta

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RNA es hidrolizado rápidamente en medio alcalino

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Representación de una secuencia de nucleótidos

P

ACGTAOH

pApCpGpTpA pACGTA Mg. Carlos M. Santa Cruz Carpio

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Propiedades de las bases nucleotidicas, afectan la estructura de AN Las BN son bases débiles ? Son altamente conjugadas ? Estructura, distribución electrónica, uv “Resonancia” doble enlace parcial, estructura planar, Libres pueden tener dos formas tautoméricas dependientes de pH

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Como consecuencia de la resonancia…

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Las bases son hidrofóbicas, e insolubles en agua a pH 7 A pH ácido ó alcalino, adquieren carga y se hacen solubles Una de las interacciones importantes en la estructura de los AN es el apilamiento de bases hidrofóbicas, las bases se ubican con los planos de sus anillos en paralelo, el apilamiento involucra también interacciones de van der Walls y dipolo-dipolo. El apilamiento de bases minimiza el contacto de las bases con el agua, y así estabilizan la estructura del DNA. Mg. Carlos M. Santa Cruz Carpio

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Las bases contienen anillos de nitrógeno, grupos carbonilo, grupos amino exocíclicos. La estructura de los AN, se mantiene también debido a los H-H entre grupos amino y carbonílicos de las BN Los H-H entre las bases permiten la asociación complementaria entre 2, 3 ó 4 hebras. Este apareamiento complementario fue descrito por WC.

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Estructura 1953 W y C … trascendencia Niveles estructurales primario secundario terciario… inicio: •Miescher 1868 nucleína (acida y contenía P y una porción básica proteína) de leucocitos de pus. Después encontró una sustancia similar en la cabeza de esperma de salmón. Estudio algunas propiedades y la asociaron con herencia. •La primera evidencia que el DNA era el material de la herencia se obtuvo de Oswald T. Avery, Colin MacLeod y Maclyn Mc Carty con Streptococus pneumoniae Mg. Carlos M. Santa Cruz Carpio

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Impurezas protéicas

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Evidencia innegable… 1952 Hershey y Chase

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1940 Chargaff •La composición de bases del DNA varía con la especie •El DNA aislado de diferentes tejidos de un mismo organismo tiene la misma composición de bases. •La composición de bases de un DNA no cambia con el tiempo, nutrición o medioambiente. •En todos los DNA A=T y G=C, A+G=T+C

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DNA doble helix Rosalind Franklin y Maurice Wilkins 1950 Doble helix 2 periodicidades A lo largo del eje Una a 3.4 Aº La otra a 34 Aº ...Diseño de estructura 3D que ligue los patrones de difracción y las reglas de Chargaff

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En 1953 W y C, 2 cadenas helicoidales Dobladas alrededor de un eje, a la derecha.

El esqueleto hidrofílico, alterna P y dR al exterior. El anillo de furanosa C2’ esta en conformación endo. Las BN de ambas hebras se apilan al interior, con sus anillos planares hidrofóbicos muy juntos y perpendiculares al eje. El apareamiento complementario crea Mg. Carlos M. Santa Cruz Carpio 28 2 surcos.

Cada base de una hebra se aparea en el mismo plano con la base de la otra hebra (apareamientos W y C)

Observar las formas tautoméricas

La orientación antiparalela ha sido confirmado por trabajos con DNA polimerasas y análisis de rayos X. La periodicidad observada en los patrones de difracción de rayos X, se refleja en el modelo, en el apilamiento vertical de las bases, cada par de bases esta separado en 3.4 Aº y la distancia de repetición secundaria es 34 Aº , 10 bp por vuelta. En medio acuoso la estructura difiere con 10.5 bp/vuelta

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Las dos hebras no son iguales, son complementarias ? •El duplex se mantiene unido por : H-H entre las bases complementarias, y las interacciones por apilamiento de bases. •La complementaridad se atribuye a los H-H entre los pares de bases. •El apilamiento no es específico pero da la mayor contribución a la estabilidad. El modelo es apoyado por muchas evidencias químicas y biológicas. Pero lo más trascendente es que permite explicar la transmisión de la información genética. Mg. Carlos M. Santa Cruz Carpio

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El DNA puede existir en tres formas: Flexible ? La fluctuación térmica puede producir dobleces, estiramientos o desapareamientos y por tanto desviaciones de la estructura de W y C, Algunas de estas están relacionadas con el metabolismo del DNA. Estas no afectan las propiedades definidas por W y C para la doble helix. Complementaridad de las hebras, hebras antiparalelas y apareamiento de bases.

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La variación implica 3 cosas: Las diferentes conformaciones posibles de la rotación de la d-Ribosa, rotación respecto a sus enlaces con el fosfato –dR contiguo y la rotación libre en el enlace C1’-N glicosidico. Las pirimidinas, generalmente estan en conformación anti, interferencia esterica con el azucar y el o carbonilico en C2

La estructura de W y C es la forma B, la más estable para una secuencia de DNA al azar en condiciones fisiológicas. Es la referencial para estudios de propiedades del DNA. La forma A es favorecida en preparaciones deshidratadas, los cambios estructurales hacen más profundo el surco mayor y el surco menor menos profundo

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En la forma Z el esqueleto toma una apariencia de zig-zag. Las secuencias con predominio de pir pur alternantes (C G ó 5metil-C G) tienden a formar DNA Z las pur, tienden a la conformación syn, el surco mayor es apenas aparente y el surco menor es estrecho y profundo. No se conoce si la forma A existe en la célula pero hay evidencias de la existencia de Z en procariotes y eucariotes, aparentemente en regulación y recombinación genética.

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Algunas secuencias de DNA adoptan estructuras particulares, estas se han observado en cromosonas grandes, afectan la función y metabolismo de los segmentos de DNA o sus vecinos: si 4 ó mas A aparecen simultaneamente la doble helix sufre un doblez de ~ 18º

Repeats invertidos, con doble simetria en las dos hebras

Repeat invertido esta en cada hebra individual

(unen proteínas).

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DNA de tres ó cuatro hebras, aparecen en algunos eventos del metabolismo del DNA, iniciación o regulación ( Replic. Recomb. Transc.) Un par de bases de W y C pueden formar H-H adicionales con grupos funcionales arreglados en el surco mayor.

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Posiciones y apareamientos de Hoogsteen (*) Mg. Carlos M. Santa Cruz Carpio

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Los triplex se forman fácilmente con largas secuencias que contienen solo pir o solo pur en una hebra dada. Algunos triplex contienen 2 hebras de pir y una hebra de pur, otros dos de pur y una de pir.

Cuatro hebras también pueden aparearse para formar un tetraplex, ocurre en solo en secuencias con alta proporcion de G, poco estable, la orientación de las hebras puede variar paralelas o antiparalelas

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H-DNA se le encuentra en fragmentos con polipirimidina o polipurina, que incorporan una imagen especular, constituyen señales de reconocimiento para regulación de la expresión.

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Química de los ácidos nucléicos Como depositario de la información, esta función depende de su estabilidad Las transformaciones químicas se producen muy lentamente sin enzimas. Conservar la información sin alteración es vital. La alteración de la estructura puede ser muy significante. Carcinogénesis, envejecimiento se deben a acumulaciones de alteraciones irreversibles del DNA. Mg. Carlos M. Santa Cruz Carpio

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Otras alteraciones no destructivas esenciales como separación de hebras en replicaciòn y transcripciòn. Importante para el conocimiento fisiológico, asi como aplicaciones a traves de tecnologías en biología molecular, medicina y M. forence.

A pH 7 y 25 ºC el DNA es viscoso A extremos de pH o 80 ºC la viscosidad disminuye, denaturación.

Ruptura de los H-H y del apilamiento de bases, producen el desenrollamiento de la doble helix total o parcial.

Renaturación, se produce cuando la T y pH retorna a condiciones fisiológicas, es muy rápida cuando se mantiene un fragmento de doble helix, Mg. Carlos M. Santa Cruz Carpio

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El apilamiento de bases disminuye la absorción de luz uv. Hipocromico. La denaturación, incrementa la absorción hipercromicidad,

Cada especie de DNA tiene una T de denaturación característica o tm que esta en función al contenido de pares GC

Transición de la denaturación puede ser monitoreada por la absorción uv

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El tm bajo condiciones de pH y fuerza iónica permiten estimar la composición de bases Mg. Carlos M. Santa Cruz Carpio

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DNA parcialmente Denaturado, bajo condiciones controladas, las regiones ricas en AT pueden denaturarse mientras en resto continua como DH, estas burbujar pueden verse a ME, los sitios de iniciación de repl. y transc. son ricos en AT

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Duplex de RNA-RNA son más estables a la denaturación a pH neutro, los hibridos RNA-DNA tienen una estabilidad intermedia y los DNA-DNA son menos estables (20 grados menos para una secuencia comparable).

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humano

ratón

Hibridización del DNA Esta propiedad puede servir para detectar secuencias de DNA similares en diferentes especies o en genómas de una misma especie.

La mayoría se anilla con su complementario tanto de ratón como de humano. Algunas hebras pueden formar hibridos (apareamientos en regiones complementarias) Mg. Carlos M. Santa Cruz Carpio

humano ratón 51

Esto refleja la herencia evolucionaria comun, diferentes organismos tienen Proteínasa y RNAs con funciones similares, existe una relación estrecha entre la relación evolucionaria con la capacidad de hibridización del DNA. DNA humano mono levadura.? La hibridización es la base de técnicas esenciales de biología molecular. Una secuencia específica ( un gen) puede ser detectada entre otras secuencias si contamos con una secuencia complementaria apropiada ( sonda marcada). Mg. Carlos M. Santa Cruz Carpio

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Las secuencias complementarias pueden ser de la misma o dediferentes especies o sintetizada en el laboratorio. La hibridización puede usarse para detectar, aislar e identificar: RNA, genes y RNAs, identificaciones de individuos a partir de un cabello o paternidad.

Transformaciones no enzimáticas de nucleótidos y Ac. Nucleicos.

1/107C/24 hrs.

La v= muy lenta, pero fisiologicamente significativa. Las células tienen muy baja tolerancia en alteraciones de su material genético. Alteraciones que cambian la información genética en forma permanente son las La desaminación de A y G es 1/100 mutaciones cuya de la anterior acumulación producen envejecimiento y cancer.

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La lenta desaminación de es razón por la que el DNA contiene T en lugar de U. El producto de desaminación de C es U , reconocido como extraño y eliminado por reparación. Si el DNA contiene normalmente U, el reconocimiento de U producto de desaminación de C es mas dificil, estos U no reparados puede conducira a mutaciones ya que ellos se aparean con A en la replicación. La desaminación de C conduce a una disminución de GC e incremento de AU, en la célula. Mg. Carlos M. Santa Cruz Carpio

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Hidrólisis del enlace Nβ-glicosilo

Se produce más en Pur, 105 pur/24hrs

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Reacciones promovidas por UV, condensación de dos grupos etileno

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UV rayos X, rayosγ, producen: Apertura del anillo, fragmentación de bases, ruptura del esquelto coovalente Mg. Carlos M. Santa Cruz Carpio

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Reacctivos químicos que dañan el DNA: Agentes que promueven desaminación, Acido nitroso, HNO2, compuestos que pueden ser metabolizados a ácido nitroso o nitritos Junto con bisulfito son usados como preservantes de alimentos (toxico para bacterias) no parece cancerígeno por que son usados en pequeña cantidad. Mg. Carlos M. Santa Cruz Carpio

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Metilan G para dar O6-metilguanina, que no se aparea con C mutaciones Mg. Carlos M. Santa Cruz Carpio

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Algunas bases son metiladas, preferentemente A a Nmetiladenosina, C, esta es confinada a ciertas secuencias, el dador de grupos metilo es S adenosilmetionina. En E coli 2 sistemas uno como defenza para distinguir el DNA propio del foraneo. El otro metila GATC a N6-metiladenosina por la DAM metilasa del sistema de reparación por error de bases. Eucariotes 5% de C están como 5metilcitidina, comun en secuencias CpG, la metilación suprime la migración de transposones, tambien tienen significancia estructural, tiende a formar estructura Z. Mg. Carlos M. Santa Cruz Carpio

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El daño oxidativo es la fuente mutagénica mas importante, peroxido, radical hidroxilo y superóxido, las especies que escapan a la acción de la catalasa y SOD, oxida la d-ribosa y las bases para romper las hebras.

La integridad del DNA frente a todos estas reacciones, se mantiene debido a los sistemas de reparación del DNA.

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Los RNAs cumplen diversas y complejas funciones de ahí la diversidad de estructuras, màs que las observadas en DNA. Una hebra simple producto de la transcripción, tiende a asumir una hélice a la derecha determinada por apilamiento de bases. Más fuerte entre 2 pur Sus estructuras 3Dson complejas y únicas, el aplilamiento de bases es la principal interacción para su estabilidad. En secuencias complementarias hay predominio de forma A, la forma Z solo en laboratorio en alta Tº o concentración salina, la forma B no se observa.

En las secuencias autocomplementarias, se aparean G con C, A con U ó T en RNAs, Alteraciones de la helice A error de desapareamiento o inapareamientos lazo El apareamiento entre hebras de RNAs, o RNA-DNA es siempre antiparalelo

horquilla

aumentos

RNA no tiene una estructura secundaria regular referencial como el DNA

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Estructuras secundarias muy comunes en RNAs, presentan Horquillas, lazos en secuencias autocomplementarias vecinas, así como el apareamiento de bases formando estructuras helicoidales. Secuencias (UUCG) se encuentran en extremos de las horquillas se conoce que forma asas compactas y estables, pueden actuar como puntos de inicio para el plegamiento 3D. Con cierta frecuencia G con U

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Otras estructuras pueden formarse a partir de H-H diferentes al de W y C (OH 2’ puede formar H-H con otros grupos, tRNAPhen)

tRNA

ribozima

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intrón

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mRNAs codifican para cadenas polipeptídicas

Codifica para una proteína (eucariotes)

Codifica para varias proteínas (procarites)

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