Estructura y replicación
del material genético
Dr. Antonio Barbadilla
1
Tema 6: Estructura y replicación del
material genético
1
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
Dr. Antonio Barbadilla
2
Tema 6: Estructura y replicación del
material genético
2
La transformación bacteriana en
Streptococcus pneumoniae (Griffith 1928)
Rugosa
Muerte por neumonía
Cepa resistente
Lisa
Dr. Antonio Barbadilla
No muere
3
Tema 6: Estructura
Muere y replicación del
material genético
3
¿Cuál es el Principio transformante?
Principio
Rugosa
Lisa
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4
Tema 6: Estructura y replicación del
material genético
4
Colin MacLeod
El elemento transformante
es el DNA (1944)
Maclyn McCarty
Oswald
Avery
Ver animación
experimento
tranformación
bacteriana
Dr. Antonio Barbadilla
Tema 6: Estructura y replicación del
Sólo DNA produce transformación
5
material genético
5
Experimento de Alfred Hershey y Martha
Chase con fagos (1952)
Bacteriófago T4
El DNA es el
material
infeccioso
Dr. Antonio Barbadilla
6
Tema 6: Estructura y replicación del
material genético
6
Componentes de los ácidos nucleicos
adenina
timina
guanina
citosina
Dr. Antonio Barbadilla
7
Tema 6: Estructura y replicación del
material genético
7
Reglas de Chargaff
1. Proporción de purinas = Proporción de pirimidinas
A+G=C+T
2.
A=T
3.
G=C
Dr. Antonio Barbadilla
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Tema 6: Estructura y replicación del
material genético
8
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
Dr. Antonio Barbadilla
9
Tema 6: Estructura y replicación del
material genético
9
1953. Año culminante:
Dos líneas de evidencia:
•Reglas de Chargaff
•Fotografías de difracción de rayos X
Dr. Antonio Barbadilla
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Tema 6: Estructura y replicación del
material genético
10
Significado reglas de Chargaff
Dr. Antonio Barbadilla
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Complementariedad de
las
basesy replicación del
Tema
6: Estructura
material genético
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Difracción de rayos X
Hemoglobina
Linus Pauling
Dr. Antonio Barbadilla
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Tema 6: Estructura y replicación del
material genético
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Interpretación del patrón difracción de rayos X del DNA
Rosalind E.
Franklin
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Crick del
Tema 6: Estructura y replicación
material genético
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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
Tema 6: Estructura y replicación del
14
material genético
14 cadenas
Dr. Antonio Barbadilla
Dr. Antonio Barbadilla
15
La estructura se mantiene gracias
a enlaces de hidrógeno entre las
bases nitrogenadas que se
encuentran orientadas hacia el
interior
de las cadenas
Tema 6: Estructura
y replicación
del
15
Doble hélice, formada
por cadenas orientadas
en direcciones opuestas
(antiparalelas).
material genético
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
Dr. Antonio Barbadilla
16
70
80
90
100 110
Temperatura de fusión (desnaturalización)
Tema 6: Estructura y replicación del
material genético
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Dr. Antonio Barbadilla
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Hélices levógiras y dextrógiras
Tema 6: Estructura y replicación del
material genético
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Dr. Antonio Barbadilla
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DNA-B dextrógira
Tema 6: Estructura y replicación del
material genético
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Ver artículo
Nature
1953
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Tema 6: Estructura y replicación del
material genético
19
Dr. Antonio Barbadilla
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Tema 6: Estructura y replicación del
material genético
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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
Tema 6: Estructura y replicación del
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Dr. Antonio Barbadilla
21
material genético
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)
Dr. Antonio Barbadilla
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Tema 6: Estructura y replicación del
material genético
22
Y ahora las declaraciones de Watson y
Crick sobre el ADN. Esto es para mí la
prueba verdadera de la existencia de Dios
Salvador Dalí
Antes pensábamos que nuestro futuro
estaba en las estrellas. Ahora sabemos que
está en nuestros genes.
James Watson
Dr. Antonio Barbadilla
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Tema 6: Estructura y replicación del
material genético
23
Una estructura
tan bonita tenía,
por fuerza, que
existir
Dr. Antonio Barbadilla
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Tema 6: Estructura y replicación del
material genético
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J. Watson
Una estructura
tan bonita tenía,
por fuerza, que
existir
Dr. Antonio Barbadilla
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Tema 6: Estructura y replicación del
material genético
J. 25
Watson
El DNA
contiene información
digital cuaternaria en
secuencias unidimensionales
de monómeros A,T,G,C
(cristal26 aperiódico)
Dr. Antonio Barbadilla
Tema 6: Estructura y replicación del
material genético
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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 un
unacomienzo
molécula tan
sencillo, infinidad
helicoidal
asombrosa,
de formas
infinidad
cada
de vez
formas
más
bellasvez
cada
y maravillosas
más bellas y maravillosas
Charles Darwin
Dr. Antonio Barbadilla
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Tema 6: Estructura y replicación del
material genético
27
Dr. Antonio Barbadilla
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Tema 6: Estructura y replicación del
material genético
28
Replicación del DNA
Dr. Antonio Barbadilla
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Tema 6: Estructura y replicación del
material genético
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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.
Dr. Antonio Barbadilla
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Tema 6: Estructura y replicación del
material genético
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Posibles modelos de replicación
Dr. Antonio Barbadilla
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Tema 6: Estructura y replicación del
material genético
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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
Dr. Antonio Barbadilla
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Tema 6: Estructura y replicación del
material genético
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Dr. Antonio Barbadilla
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Tema 6: Estructura y replicación del
material genético
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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
• y  principal en replicación
•,  y  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
Dr. Antonio Barbadilla
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Tema 6: Estructura y replicación del
material genético
34
Las polimerasas
conocidas añaden
nucleótidos
solamente en la
dirección 5’  3’
3’
5’
Dr. Antonio Barbadilla
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Tema 6: Estructura y replicación del
material genético
35
Dr. Antonio Barbadilla
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Tema 6: Estructura y replicación del
material genético
36
¿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
Dr. Antonio Barbadilla
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Tema 6: Estructura y replicación del
material genético
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Adición 5’3’
Dr. Antonio Barbadilla
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Tema 6: Estructura y replicación del
material genético
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P
P
P
P
P
P
P
P
P
P
P
P
P
P
P
P
OH
OH
3’
5’
PP
+ H2O
P
P
P
P
P
P
P
P
P
P
P
39
OH
OH
Dr. Antonio Barbadilla
Tema 6: Estructura y replicación del
material genético
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Adición 3’5’
(hipotética)
Dr. Antonio Barbadilla
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Tema 6: Estructura y replicación del
material genético
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P
P
P
P
OH
P
P
P
P
P
P
P
P
P
P
P
P
P
P
+ H2O
OH
P
P
P
PP
P
OH
5’
3’
OH
P
P
P
41
P
P
Dr. Antonio Barbadilla
Adición 3’5’
(hipotética)
Tema 6: Estructura y replicación del
material genético
41
Corrección de errores
Dr. Antonio Barbadilla
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Tema 6: Estructura y replicación del
material genético
42
P
P
P
P
P
P
P
P
P
P
P
P
P
P
P
P
P
OH
OH
3’
5’
PP
+ H2O
P
P
P
P
P
P
P
P
P
P
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OH
OH
Dr. Antonio Barbadilla
Adición 5’3’
Tema 6: Estructura y replicación del
material genético
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OH
P
P
P
P
P
P
P
P
P
P
P
P
P
OH
5’
3’
Dr. Antonio Barbadilla
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Adición 3’5’
(hipotètica)
Tema 6: Estructura y replicación del
material genético
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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)
Dr. Antonio Barbadilla
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Tema 6: Estructura y replicación del
material genético
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Dr. Antonio Barbadilla
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Tema 6: Estructura y replicación del
material genético
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Dr. Antonio Barbadilla
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Tema 6: Estructura y replicación del
material genético
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Polimerasa III
Polimerasa I
Dr. Antonio Barbadilla
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Tema 6: Estructura y replicación del
material genético
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¿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
Dr. Antonio Barbadilla
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Tema 6: Estructura y replicación del
material genético
49
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
Tema 6: Estructura y replicación del
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Dr. Antonio Barbadilla
50
material genético
El replisoma: una maquinaria de replicación extraordinaria
Dr. Antonio Barbadilla
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Tema 6: Estructura y replicación del
material genético
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El replisoma: una maquinaria de replicación extraordinaria
Dr. Antonio Barbadilla
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Tema 6: Estructura y replicación del
material genético
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El replisoma: una maquinaria de replicación extraordinaria
DNA pol III + abrazadera beta -> Enzima procesiva
Dr. Antonio Barbadilla
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Tema 6: Estructura y replicación del
material genético
53
El replisoma: una maquinaria de replicación extraordinaria
Dr. Antonio Barbadilla
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Tema 6: Estructura y replicación del
material genético
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Topoisomerasas
Dr. Antonio Barbadilla
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Tema 6: Estructura y replicación del
material genético
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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
Dr. Antonio Barbadilla
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Tema 6: Estructura y replicación del
material genético
56
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
Dr. Antonio Barbadilla
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Tema 6: Estructura y replicación del
material genético
57
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
Dr. Antonio Barbadilla
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Tema 6: Estructura y replicación del
material genético
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Links de interés
Watson-Crick original paper (1953 Nature)
Trabajos estelares del descubrimiento de la doble
hélice
DNA: el secreto de la vida (Animación)
Celebración 50 aniversario descubrimiento de la
doble hélice en la UAB
DNA Structure
The Search for DNA - The Birth of Molecular
Biology
Image Library of Biological Macromolecules - DNA
DNA berkeley
DNA Learning Center
Beginner's guide to Molecular Biology
Glosario de Genética molecular
DNA Replication
Animación de la replicación
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Tema 6: Estructura y replicación del
material genético
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