ADN: porteador de información
genética
Capítulo 12
Tópicos
• Estructura del ADN y como la misma fue
revelada
• El mecanismo de replicación
• La organización del cromosoma
1900’s
• Experimentos para entender como se organizaban los
genes en los cromosomas y como eran transmitidos de
una generacion a otra
• No se supo de que estaban hechos los genes hasta la mitad
del mismo siglo
• Los estudios de herencia de Mendel no describieron esto
pero sirvieron de base para hacer predicciones acerca de
la naturaleza molecular de los genes y como estos funcionan
Los avances en la bioquímica
• ayudaron a correlacionar la las propiedades
conocidas de los genes con lo que se sabía de
las moléculas biológicas
Características que tendría que tener el
material genético
•
La molécula tendría que:
a. Almacenar información que pudiese ser leida por la célula
b. Ser estable pero tener capacidad para cambiar
(mutaciones) bajo ciertas condiciones
Los científicos pensaron que ninguna molécula biológica
conocida era suficientemente compleja para llevar a cabo esa
función
Muchos pensaron en las proteínas como primeros candidatos
Evidencia de que el ADN es el material genético
• 1930 – 1940 = poca atención al ADN ya que
se pensaba que eran las proteínas
el material genético
• Las proteínas están hechas de 20 amino ácidos
= muchas posibles combinaciones = bueno para un
código genético
• Se sabía que los genes controlaban la síntesis de
proteínas por lo tanto se pensó que los genes también
eran proteínas
• Los científicos establecieron que el ADN
no podía ser el material genético ya
que solamente estaba hecho de 4 diferentes
nucleótidos
1953
James D. Watson y Francis Crick
• Propusieron el modelo
de la molécula del ADN
con una muy buena
explicación
• Ya los científicos sabían
bastante acerca de las
propiedades físicas y
químicas del ADN
• Integraron toda la información
y propusieron el modelo para
esta molécula
Modelo de Watson y Crick
• El modelo de Watson y Crick demostraba que la
molécula de ADN podía llevar información acerca
de la síntesis de proteínas y a la vez podía servir
como modelo para su propia replicación
Una de cuatro
bases nitrogenadas
Deoxiribosa
Enlaces
covalentes
5’
Bases nitrogenadas
• La mayor parte de las moléculas de ADN
están compuestas de miles de pares de
bases
• Las bases nitrogenadas presentes en el ADN
son las siguientes:
Las purinas = Adenina (A) y Guanina (G)
Las pirimidinas = Timina (T) y Citosina (C)
•El extremo 5’ tiene un carbono
unido a un grupo fosfato mientras
que el extremo 3’tiene un carbono
unido a un grupo hidroxilo
Erwin Chargaff (1949)
• El y sus colegas determinaron
la composición de las bases
de la molécula de ADN
de varios organismos
Determinaron que la razón de purinas
y pirimidinas al igual que la razón de
timinas a adenina
Las reglas de Chargaff:
A=T
G=C
Rosalind Franklin (1951-1953)
• Utilizo difracción por rayos X para
dilucidar la estructura 3-D de las moléculas
• Esta técnica sirve para determinar la
distancia entre los átomos de las
moléculas de un cristal mediante un análisis
matemático de la silueta creada en una
película fotográfica
• Sus fotos mostraban que la molécula de ADN
tenía una estructura en forma de hélice y
tres patrones repetitivos
• Ella y su profesor pensaron que la molécula
en cuestión estaba estructurada en forma de
escalera
Utilizaron toda esa información para crear su modelo
de la doble hélice
1953
Incorporaron información acerca de la composición
química con la data de difracción de rayos X
La Double Hélice
• Hay 10 pares de bases en cada
vuelta de la cadena
• Tiene un ancho constante y preciso
• Las secuencias de bases en una hilera
de la cadena son complementarias
Si una cadena tiene la siguiente
secuencia:
3’-AGCTAC-5’
Entonces la otra cadena tiene
esta secuencia:
5’-TCGATG-3’
fosfato
hidroxilo
Estructura del ADN
Hydrogen bonds
El modelo de la doble hélice:
1. Sugiere que la secuencia de bases
en el ADN hace posible el almacenamiento
de información genética y que esta secuencia
se relaciona a las secuencias de amino ácidos
en las proteinas
2. El número de combinaciones y posibles secuencias
es ilimitado (millones de nucleotidos)= puede almacenar
mucha información = muchos genes (¡¡ cientos !!)
Replicación del ADN
El modelo de Watson y Crick sugiere:
1. La secuencia de bases puede llevar información
genética
2. La secuencia de nucleótidos puede ser replicada
precisamente mediante la Replicación del ADN
3. El modelo también sugería que debido a que los
nucleótidos se aparean complementariamente cada
cadena resultante (si las dos cadenas de la molécula
se separaran) podría servir de molde para la formación
de dos nuevas cadenas = Replicación semiconservativa
(a) Hypothesis 1: Semiconservative replication
First
generation
Parental DNA
Second generation
Modelos de
replicación y el
modelo de
Messelson
y Stahl
(b) Hypothesis 2: Conservative replication
First
generation
Parental DNA
Second generation
(c) Hypothesis 3: Dispersive replication
First
generation
Parental DNA
Second generation
Fig. 11. 07abc
Matthew Meselson y Franklin Stahl (1958)
Las mutaciones son estabilizadas por
replicación semiconservativa
• La estabilidad inherente y
reproducibilidad de los
mecanismos
semiconservativos estabiliza
cualquier mutación que ocurra
• Cada cadena actua como un
molde para la otra de tal
forma que una mutación se va
a propagar en generaciones
sucesivas
(error en replicación
del ADN o mediante
otros eventos conocidos)
El ciclo celular
interfase
G1
S
Mitosis
telofase
anafase
metafase
profase
G2
Replicación del ADN
• Proceso altamente regulado
• Efectuado por una maquinaria de replicación que envuelve
varias proteínas y enzimas
• Las bacterias tienen todo su ADN organizado en forma
de una sola molécula doble y circular
• La célula eucariótica contiene cromosomas lineales y dobles
asociados a una cantidad de proteínas casi equivalente
a la masa del ADN
• Varios aspectos del proceso todavía no se han
dilucidado
La cadena del ADN debe desenrollarse
durante la replicación de la misma
Proteínas que juegan papeles bien
importantes en la replicación
• ADN helicasas – enzimas que separan las dos cadenas de ADN al
al viajar por la cadena. Las mismas abren la cadena doble como si
fuese un “zipper”
• Single strand binding proteins (SSB’s) – también conocidas como
“enzimas desestabilizadoras de la doble hélice”
a. se pegan a las dos cadenas estabilizándola para así evitar
que se vuelva a formar la doble hélice hasta que termine
la replicación
Función de las topoisomerasas y polimerasas
• Topoisomerasas – enzimas que rompen la
cadena de ADN, para aliviar la tensión mecánica
que causa el desenrroscamiento en otras areas de la
cadena, y luego reparan los rompimientos
• ADN polimerasas – enzimas que catalizan la unión
de los nucleotidos (reacción de polimerización) solamente
a el extremo 3’ de la cadena creciente de nucleótidos.
Esta cadena que va creciendo debe ser pareada con
la cadena que esta siendo copiada
Reacción de polimerización
• Los nucleótidos con tres grupos fosfato (como en el ATP
y GTP) son los substratos para las reacciones de
polimerización
•
A medida que se van añadiendo los nucleótidos, dos
grupos fosfato son removidos = reacciones exergónicas
que no requieren energía externa
•
La cadena del polinucleótido se alarga uniendo el fosfato 5’
del nucleotido, que esta siendo añadido a la cadena, con el
grupo hidroxilo 3’ de la azúcar en el extremo de la cadena
pre-existente
La cadena crece en la dirección de 5’ ------ 3’
¿Cómo se alarga una molécula de
ADN?
• Los nucleotidos son añadidos al extremo 3’ solamente
• La cadena resultante se aparea con la cadena madre
• Las cadenas complementarias son antiparalelas
• La síntesis de ADN ocurre solamente en la dirección
de 5’  3’ que quiere decir que la cadena que está
siendo copiada en la dirección 3’  5’
¿Cómo se van a replicar las dos cadenas entonces?
La síntesis de ADN requiere un “primer”
• La polimerasa de ADN (DNA polymerase) añade nucleótidos solamente
al extremo 3’
• Primero un segmento corto de ARN (de 5 a 14 nucleótidos) llamado
“RNA primer” es sintetizado en el punto donde comienza la replicación
• El “RNA primer” es sintetizado por la “DNA primase” que es una enzima
que comienza la síntesis de una nueva cadena de ARN opuesta a la cadena
de ADN
• Una vez se han añadido unos cuantos nucleotidos al “primer”,
la “DNA polimerase” desplaza a la “primase” y comienza a
añadir nucleótidos al extremo 3’ del “primer”.
Replicación de ADN en los virus
Los virus añaden una nueva cadena a cada una
de las cadenas de la molécula original de ADN
Este mecanismo no funciona en los cromosomas largos de la
célula eucariótica
¿Como replican su ADN las células eucariotas?
La polimerasa de ADN no se puede mover lejos del “replication fork”
Origin of replication
Lagging strand
Dos polimerasas
idénticas catalizan
la replicación
Las dos cadenas se
replican a la misma vez
partiendo del
“replication fork”
El “replication fork” se mueve
a medida que se va replicando
la molécula de ADN
Uniendo el “lagging strand”
• Cuando la “DNA polimerase” llega al “primer” la misma
lo degrada y lo remplaza con ADN
• Los “gaps” que quedan entre los fragmentos son
unidos con “DNA ligase”
Ligasa del ADN
DNA ligase = la enzima que une el extremo 3’ hidroxilo
de un fragmento Okazaki al extremo 5’ fosfato del ADN
que está justamente al lado, formando un enlace fosfodiester
Prokaryotic
Only one origin of replication
Replicación
bidireccional
Multiple
origins of
replication
las moléculas de AND se forman
en dos direcciones a partir del
origen de replicación
Eukaryotic
Replicación de los extremos del cromosoma
Los cromosomas
eucarióticos tienen
extremos libres
El “lagging strand” siempre
va a perder un pedazito en
la puntita de la cadena
cuando es removido el
“primer”
Telomeres = pedazo de la molécula
Que no contiene información que
codifique para ningún gene
La telomerasa = una enzima de
replicación que alarga el ADN
telomérico
Función de la telomerasa
La telomerasa se encuentra presente en células que
se dividen muchas veces y en células cancerosas
La telomerasa es muy comunmente encontrada en las células
germinales pero no en las somaticas normales
El acortamiento de los telómeros se cree que esta relacionado
con el envejecimiento celular y la apoptosis
Desarrollo de drogas anti-cancer (destruyen células con telomerasa,
Inactivan la telomerasa)
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Replicación del ADN