Módulo 1 Estructura del DNA (2014)

Apunte Español
Universidad Universidad de Lleida (UdL)
Grado Ciencias Biomédicas - 1º curso
Asignatura Biologia Molecular
Año del apunte 2014
Páginas 24
Fecha de subida 03/05/2016 (Actualizado: 03/05/2016)
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1º C. Biomédicas (UdL) Irene LV BIOLOGÍA MOLECULAR Módulo 1- Estructura del DNA (ácidos nucleicos y complexación del genoma) *Historia de la genética: 1858-1944periodo de estudio de la naturaleza del material genético.
1858- Rudolf Virchow Omnis cellulla e cellulla  cada cél. proviene de otra.
1865- genes como factores individuales (Mendel).
1903- los cromosomas como unidades hereditarias.
1910- relación entre genes y cromosomas.
1913- contención de genes en los cromosomas.
1927- las mutaciones son cambios físicos en los genes.
1931- la recombinación está provocada por el entrecruzamiento.
1944- el DNA es el material genético.
1945-2001 período del estudio del funcionamiento del material genético.
1945- un gen codifica una proteína.
1953. DNA es una doble hélice (Watson y Crick) 1958- DNA se replica semiconservativamente.
1961- el código genético se transmite en tripletes.
1977- el DNA puede ser secuenciado.
1997- los genomas pueden ser secuenciados.
2001- se secuencia el DNA humano.
En las células eucariotas, el DNA se localiza en el núcleo en forma de cromatina, formada por DNA y proteínas. También puede encontrarse, además, en otros orgánulos, como mitocondrias (DNA mitocondrial es distinto al DNA nuclear).
Por ello, todos los procesos que involucran al DNA, salvo la traducción, tienen lugar en el núcleo.
El flujo de información genética va en una sola dirección: DNA RNA (proceso de transcripción), a partir del RNA (traducción) se sintetizan proteínas. Se puede decir que un gen es la unidad mínima que codifica una proteína.
Para probar que el DNA es el material genético, se realizó un experimento con pneumococos: Se trabajó con dos clases de esta bacteria: 1 Biología Molecular - Módulo 1 Pneumococo (S) muy virulento con apariencia delgada y lisa, provocada por la presencia de un polisacárido en la membrana celular.
Pneumococo (R) con cápsula rugosa, sin el polisacárido en la membrana celular.
Ambas bacterias poseían fenotipos diferentes.
Se inoculó los pneumococos virulentos a unos ratones: -Cuando el ratón se infectaba por la bacteria lisa (S), moría.
-Cuando el ratón se infectaba con la bacteria rugosa (R), vivía.
-Cuando al ratón se le inoculaba la bacteria lisa(S) calentada a altas tas (muerta), vivía.
-Cuando se le inoculaba bacteria lisa (S) muerta por calor junto con la rugosa (R) viva, el ratón moría. Eso implicaba la existencia de un factor transformante que transformaba la bacteria R en S.
Para saber qué había en las bacterias lisas que transformaba las R en virulentas se trató la “mezcla” de R y S con:  Proteasas; el ratón seguía muriendo; el factor no era una proteína.
 Enzima degradante de polisacáridos (que degrada la cápsula de la bacteria lisa) ratón muerto; el factor no era un polisacárido.
 RNAasa ratón muerto; el factor no era ARN.
 DNAasa; el ratón VIVÍA; el factor transformante se trataba de DNA.
DNA VÍRICO Casi al mismo tiempo se demostró que los virus también contenían información genética, que se encuentra en el interior de la cápsida.
Para descubrir esto se realizaron los siguientes experimentos: Experimento con bacteriófagos: Los investigadores disponían de dos cultivos con bacteriófagos; en uno de los cultivos añadieron 35S radioactivo para marcar las proteínas, y en el otro fósforo radioactivo para marcar el DNA. Una vez marcados, los bacteriófagos se incubaron y se mezclaron con bacterias: Las bacterias infectadas con bacteriófagos con azufre radioactivo produjeron bacteriófagos cuyas cápsidas no presentaban signos de radioactividad; las infectadas por virus marcados con fósforo radioactivo produjeron bacteriófagos con DNA radioactivo se confirmó que era realmente el DNA lo que contenía la información genética.
Experimento con timidina: Las células que no disponen de timidina, no crecen; no obstante, si les añadimos un DNA que exprese la timidina cinasa, alguna célula lo incorporará y acabará incorporándolo a su material genético. La célula expresará la enzima y comenzará a crecer formando una colonia.
Con esto se demostró que todos los organismos tienen su información genética en forma de DNA, (salvo los retrovirus, cuya información se encuentra en forma de RNA) ya que el DNA se puede emplear para añadir nuevas características genéticas.
Esto se debe a que el DNA es mucho más estable que el RNA.
2 1º C. Biomédicas (UdL) Irene LV ESTRUCTURA DEL DNA El DNA es un polímero lineal formado por 4 nucleótidos diferentes. Las cadenas de polinucleótidos constan de un esqueleto formado por un azúcar, que en el caso del DNA se trata de desoxirribosa, unido a un grupo fosfato. A esta estructura, que se repite a lo largo de toda la cadena, se le unen las 4 posibles bases nitrogenadas. Las bases se pueden unir en cualquier orden, característica crítica requerida para constituir información genética.
El C1 de la desoxirribosa está unido a la base nitrogenada, mientras que el C3 y el C5 se unen al grupo fosfato (enlace fosfodiéster entre un nucleótido y el siguiente).
Nucleótido= pentosa + base nitrogenada + grupo fosfato Nucleósido= pentosa + base nitrogenada Las cuatro bases nitrogenadas se dividen en dos subgrupos:   Purinas: son las moléculas más grandes, ya que están formadas por dos anillos.
Adenina (A) y guanina (G).
Pirimidinas: disponen de un solo anillos heterocíclico. Citosina (C) y timina (T).
3 Biología Molecular - Módulo 1 Polaridad de los ácidos nucleicos Como un polipéptido, un ácido nucleico tiene una orientación química: en el extremo 5’ (unido al C 5’ de su azúcar terminal) tiene un grupo hidroxilo o un grupo fosfato; en el extremo 3’, generalmente, tiene un grupo hidroxilo (unido al C3’ de su azúcar terminal). La polaridad, sumada al hecho de que la síntesis se realiza del extremo 5’ al 3’, ha dado origen al acuerdo de leer y escribir las secuencias de polinucleótidos en dirección 5’3’.
*Diferencias entre DNA y RNA: A grandes rasgos, el DNA se diferencia del RNA en la pentosa: la desoxirribosa (DNA) cuenta con un H en la posición 2 (C2’), mientras que la ribosa (RNA) tiene un radical hidroxilo (-OH) en esa posición. Por ello el DNA es mucho más estable (el grupo hidroxilo, como veremos más adelante, puede “atacar” al O del enlace fosfodiéster), que une los nucleótidos entre sí.
La otra gran diferencia es que la base nitrogenada timina (del DNA) es sustituida en el RNA por uracilo (que, al igual que la timina, es una base complementaria de la adenina).
Ley de Chargaff Investigando la composición del DNA, se encontró que la relación entre adenina y timina, y entre guanina y citosina era casi la misma (=1). Por otra parte, si se comparaban dos bases purinas/pirimidinas, la relación era diferente de 1.
Watson y Crick enfrentaron las bases y propusieron que A y T se podían enlazar mediante 2 puentes de H; y las bases G y C se podían enlazar mediante 3 puentes de H (apareamiento de Watson y Crick).
4 1º C. Biomédicas (UdL) Irene LV La estructura secundaria del DNA es una doble hélice: 2 cadenas enfrentadas entre sí, enlazadas mediante los puentes de H entre las bases complementarias. Siempre se aparea una purina con una pirimidina (A-T, G-C). La doble cadena es ANTIPARALELA, mientras que una cadena va de 5’3’, la otra va 3’5’.
Se distinguen dos partes en la molécula resultante: - Una parte con carga negativa que corresponde a los grupos fosfato.
- Una parte hidrofóbica, la cara interna de la molécula.
En realidad, la doble cadena de DNA es una hélice que se enrosca sobre sí misma, con una parte externa que corresponde al esqueleto y otra interna que se corresponde a las bases nitrogenadas.
La complementariedad de las bases nitrogenadas, que se aparean: A-T, C-G, es consecuencia del tamaño, la forma y la composición química de estas. La presencia de miles de enlaces de H entre las dos cadenas le aporta una gran estabilidad al DNA. Las interacciones hidrofóbicas y de Wan der Waals que se producen entre pares de bases adyacentes apiladas también estabilizan la doble hélice.
La doble hélice puede ser dextrógira o levógira: Forma B del DNA (doble hélice dextrógira): es la forma normal que encontramos en la mayoría del DNA celular. Tiene un diámetro de unos 20Å. La hélice da una vuelta completa cada 3,4 nm, que corresponde a 10,1 pares de bases por giro (los miembros de cada par de bases no suelen estar en el mismo plano). En la parte exterior, los espacios entre cadenas enlazadas forman surcos (“grooves”): el surco mayor y el surco menor (que se presentan de forma alternada).
El surco mayor es importante porque contiene las bases nitrogenadas, que pueden ser leídas por proteínas (que se unen al surco). La presencia de estos surcos de debe a que el apareamiento entre bases no es de 180o exactos, sino que es un poco menor. Por ello, la cadena no es lineal. El ancho de los surcos no es constante.
5 Biología Molecular - Módulo 1 No obstante, la estructura no es en realidad como se ha indicado anteriormente; varía según las proteínas, el estado de la solución, etc.
Se han propuesto otros modelos para el DNA: -DNA A: es la estructura que adopta el DNA cuando se seca; la molécula se compacta, cambiando el diámetro de la molécula, que pasa a tener 11 pares de bases por cada vuelta. Los pares de bases presentan una gran inclinación respecto al eje de la hélice. Es dextrógira.
-DNA Z: es la estructura que forma a causa de cambios en los anillos de ribosa; se trata de una doble hélice levógira.
Una de las propiedades destacables de la doble hélice es que puede llegar a autoensamblarse de forma espontánea, formando puentes de H. También se puede disociar con un aumento significativo de la tª (aplicación en la PCR).
Si mezclamos DNA salvaje con DNA mutado pueden llegar a hibridarse (aunque habrá zonas de la doble hélice que no encajarán; no será una doble hélice perfecta).
*La absorbancia (cantidad de luz que atraviesa la muestra; se trata de un parámetro empleado para el cálculo de la densidad) es menor en el DNA de doble cadena que en el DNA monocatenario. Esto se debe al llamado efecto hipercrómico: las bases nitrogenadas absorben menos luz cuando están apiladas en doble hélice, porque están más empaquetadas.
Temperatura de fusión del DNA Se trata del punto en el que la mitad de las cadenas del DNA se encuentran en forma de doble hélice y la otra mitad se encuentran en forma monocatenaria. Su valor depende de la cantidad de guanina y citosina, ya que cuando se encuentran unidas forman 3 puentes de H, por lo que se requiere más energía para cortar estos apareamientos.
6 1º C. Biomédicas (UdL) Irene LV Se realizó un experimento para constatar este hecho, para el cual se observó la tª de fusión para distintas concentraciones de guanina y citosina. Cuanto más abundante era la presencia de estas bases nitrogenadas en la doble hélice, mayor era el punto de fusión.
Al añadir sal (NaCl), la tª de fusión aumenta. Esto se debe a que en el DNA hay grupos fosfato (carga negativa) que se repelen; al añadir la sal se neutralizan estas cargas negativas, por lo que se estabiliza la doble hélice.
PROPIEDADES FÍSICAS DEL DNA. TOPOLOGÍA El DNA dentro de la célula suele presentar diferentes estados de enrollamiento.
El DNA es comparable con un hilo o con un cable de teléfono, que puede presentar cierta tensión en función de su grado de enrollamiento. Su tendencia natural es encontrarse relajado.
La doble hélice tiene unos 10 pares de bases por cada vuelta que da sobre sí misma.
El DNA relajado tiene el número de vueltas que le tocan, es decir, una vuelta por cada 10 pares de bases, por lo que no hay tensión. Además, cuando se encuentra relajado, necesita fijar sus extremos, ya sea uniéndolos (DNA circular), con lo que aumentamos el número de vueltas o anclando sus extremos a una estructura proteica.
La solución para un DNA en tensión es el superenrollamiento, es decir, replegarse sobre sí mismo. Hay dos tipos de superenrollamiento: el positivo, que consiste en dar vueltas de más; y el negativo, que consiste en quitar vueltas. Cuando al DNA le faltan n vueltas, la solución para quitar la tensión consiste en que se pliegue n veces sobre sí mismo.
Existe un parámetro para cuantificar el superenrollamiento: Lk (“linking number” o índice de ligazón): número de vueltas que da una cadena sobre la otra.
7 Biología Molecular - Módulo 1 La manipulación topológica del DNA es esencial, ya que todas las actividades en las que participa (replicación, transcripción,…) requieren la separación de las dos cadenas.
Posibilidades de separación del DNA: -Una de las dos cadenas puede girar sobre la otra siempre y cuando haya un extremo libre.
-Cuando los dos extremos de la doble hélice están fijados, se puede cambiar el grado de superenrollamiento de las cadenas haciéndolas girar.
-Con extremos fijados también se pueden separar las cadenas en un punto induciendo superenrollamiento positivo en otro punto de la doble hélice.
-Finalmente, con extremos fijados, las cadenas pueden separarse haciendo un corte en un punto de la molécula y volviendo a unir la cadena. Este es el proceso seguido por las células eucariotas.
En la replicación y la transcripción siempre hay superenrollamiento positivo.
Las enzimas encargadas de alterar el superenrollamiento del DNA son las topoisomerasas (se llaman así porque son capaces de crear diferentes isómeros cambiando la topología). Existen dos tipos de topoisomerasas que se diferencian en el mecanismo que emplean para relajar el DNA.
Topoisomerasa I: corta el DNA (rompe el enlace fosfodiéster) en una de las dos cadenas y hace pasar a la otra a través de ella (como puede observarse en el dibujo). La topoisomerasa tiene un residuo Tyr (que se encuentra en el centro activo/catalítico de la enzima) que tiene como radical un anillo con un grupo hidroxilo que ataca el enlace fosfodiéster. Este aa forma un enlace covalente con el extremo recién cortado; la enzima hace que la cadena libre (no cortada) pase por el medio del corte. El extremo libre ataca el complejo Tyr-DNA haciendo que la topoisomerasa se libere (se corta el enlace covalente) y las dos mitades de la cadena se vuelven a unir (restableciéndose el enlace fosfodiéster).
8 1º C. Biomédicas (UdL) Irene LV Topoisomerasa II: necesita ATP para llevar a cabo la relajación del DNA. Esta enzima corta las dos cadenas en lugar de solo una. Una vez que la enzima ha cortado ambas cadenas, hace pasar a una de las dos a través del corte y vuelve a enlazar las cadenas que había roto.
Las topoisomerasas II tienen dos subunidades: Las topoisomerasas son necesarias para la replicación y la transcripción, ya que la doble hélice debe estar abierta (superenrollamiento) para que esos procesos puedan llevarse a cabo. Como debe producirse tensión (superenrollamiento) para abrir la doble hélice, hacen falta enzimas, como las topoisomerasas para relajar el DNA.
9 Biología Molecular - Módulo 1 Las topoisomerasas también intervienen en la catenación/decatenación del DNA. Por ejemplo: cuando se replica DNA circular se da lugar a dos moléculas de DNA circular enganchadas: las topoisomerasas de tipo II se encargar de separar las dos moléculas/cromosomas.
Las de tipo II también son útiles para deshacer nudos.
Las de tipo I también pueden catenar y decatenar siempre y cuando haya una zona con una sola cadena (sin doble hélice), ya que las de tipo I solo pueden cortar una cadena.
Hay muchos fármacos que tienen como objetivo las topoisomerasas (afectan a su función).
Las girasas bacterianas, que son topoisomerasas II con cierta direccionalidad, se pueden inhibir mediante ciertas drogas: Novobiocina: bloquea la unión del ATP a la girasa (que, como se trata de una topoisomerasa de tipo II, necesita ATP para funcionar).
Ácido nadixiílico y ciprofloxacina: interfieren en la ruptura y unión del DNA.
Mediante estas dos drogas, se impide la replicación del material genético de las bacterias (superenrollamiento negativo) así como la transcripción (superenrollamiento positivo).
Campotecina: inhibe la topoisomerasa I humana. Se emplea en terapia anticáncer (si no se replica el DNA la célula no puede proliferar).
10 1º C. Biomédicas (UdL) Irene LV Comparación entre el material nuclear de células procariotas con el de eucariotas - Las células procariotas no tienen núcleo, por lo que encontramos DNA flotante (en su citoplasma), es decir, no asociado a histonas. En cambio, en células eucariotas, el DNA se encuentra asociado a proteínas (histonas y no histonas) que hacen que se forme la cromatina.
- Los cromosomas de las células procariotas son circulares; en cambio, en las células eucariotas las moléculas de DNA son siempre lineales, y algo más grandes que en procariotas.
CROMATINA Y CROMOSOMAS La cromatina es el conjunto formado por el DNA, las histonas y las proteínas no histónicas.
La unidad básica de la cromatina es el NUCLEOSOMA (que se trata de la asociación de DNA e histonas). El nucleosoma tiene una medida de 10nm, y está compuesto por alrededor de 200 pares de bases.
Las HISTONAS son las proteínas alrededor de las cuales se enrolla el DNA; estas proteínas se asocian en dímeros, que, a su vez, forman el octámero de histonas (constituido por 8 histonas de 4 tipos diferentes). Hay 5 tipos de histonas asociadas al DNA: H1, H2A, H2B, H3 y H4. La H1 es la única que no compone el octámero.
Las histonas tienen muchos residuos con carga positiva, que interaccionan con el DNA que tiene carga negativa (se trata de un ácido). El carácter básico de las histonas se debe a que entre el 20 y el 30% de los aa que las forman son lisina y arginina.
La asociación del DNA a las histonas hace que este se enrolle, provocando superenrollamiento negativo (por la dirección de las vueltas); para que el DNA no esté en tensión (ya que le faltan vueltas) actúan las topoisomerasas. Al faltarle vueltas está parcialmente abierto, por lo que es más fácil separar las cadenas para la replicación.
El DNA da casi dos vueltas alrededor del octámero de histonas. Así, bases que se encuentran muy separadas en la cadena lineal de DNA, pueden encontrarse muy juntas en el nucleosoma. La zona de DNA que queda “abrazada” a las histonas tiene 147 pares de bases.
11 Biología Molecular - Módulo 1 El DNA que queda entre los nucleosomas se denomina DNA de conexión (“DNA linker” en inglés); la longitud de este segmento varía en función de la especie (en humanos suele tener alrededor de 130pb).
El ANÁLISIS DE LA CROMATINA se hace mediante una electroforesis y la posterior tinción del DNA: La ELECTROFORESIS es una técnica de separación que permite separar fragmentos de DNA en función de su medida. Se establece un campo eléctrico y se hacen pasar los compuestos a separar por una malla porosa (compuesta por un gel, agarosa en este caso); como se puede controlar el tamaño de los poros, los fragmentos de mayor tamaño se quedan más atrasados. Para analizar la cromatina se realiza la electroforesis de fragmentos de DNA, que han sido cortados mediante nucleasas (proteínas que cortan el DNA linker, ya que es más accesible que el DNA de los nucleosomas). En función de la duración del tratamiento con nucleasas, en los resultados puede aparecer: solo DNA corto, de 147 bases, lo que significa que se ha destruido todo el DNA linker; o un patrón ladder (en escalera) en el que se aprecia que aparecen fragmentos de distinta longitud.
TINCIÓN DE DNA Para teñir el DNA se emplean agentes intercalantes, como el ethidium (bromuro de etidio), que es una sustancia fluorescente que se intercala entre pares de bases (su fluorescencia aumenta cuando se encuentra unido al DNA). Al intercalarse entre bases, desenrolla la doble hélice. Los agentes intercalantes son cancerígenos, ya que se intercalan entre pares de bases: provocan mutaciones cuando el DNA se transcribe.
Además, el bromuro de etidio atraviesa muy fácilmente la membrana.
12 1º C. Biomédicas (UdL) Irene LV HISTONAS Son proteínas muy ricas en aa básicos (lisina, con un grupo amino en su extremo y arginina) que permiten condensar el DNA, ya que se establecen puentes salinos (atracciones electrostáticas) entre las cargas positivas de las histonas y las negativas del DNA. También se producen puentes de H entre residuos de las histonas y átomos de oxígeno de los enlaces fosfodiéster. Forman el octámero que corresponde al núcleo del nucleosoma (unidad básica de la cromatina).
La interacción entre histonas y DNA no depende de la secuencia (todo el DNA es capaz de compactarse y formar la cromatina).
Los 4 tipos de histona que forman parte del nucleosoma son muy similares; tienen en común la estructura secundaria en hélice α, además, las histonas tienen un plegamiento muy similar conocido como plegamiento de tipo histona. La gran diferencia entre los distintos tipos de estas proteínas es su extremo N-terminal (más accesible y muy importante en la regulación de la expresión de genes).
El octámero se inicia con la interacción de H3 y H4, que forman un tetrámero H3-H4, alrededor del cual comienza a enrollarse el DNA. Simultáneamente se han formado, por interacción de H2A y H2B, dos dímeros H2A-H2B, que se unen a modo de "tapa" uno a cada lado de la estructura ya formada por el tetrámero H3-H4 y el DNA (como se ve en la foto).
Fuera del nucleosoma quedan zonas menos estructuradas de las histonas: los extremos N-terminal (esto se puede experimentar mediante el tratamiento del DNA con proteasas, que liberan la cola N-terminal).
El nucleosoma forma el denominado collar de perlas o fibra de 10 nm.
13 Biología Molecular - Módulo 1 Las colas de las histonas son susceptibles a modificaciones postraduccionales ya que pueden sufrir modificaciones químicas (catalizadas por enzimas), como por ejemplo, la acetilación (sobre el residuo de lisina: a partir del grupo amino, un grupo acetil) hace que desaparezca la carga positiva, lo que conlleva la descondensación de la cromatina. Esta reacción de acetilación es completamente reversible, ya que existen acetilasas y desacetilasas de histonas. Otro ejemplo de modificación de las colas que puede modificar la estructura del DNA es la fosforilación de histonas: se produce sobre el aa serina, que tiene carga positiva, lo que hace que las histonas interaccionen peor con el DNA. Cabe decir que todos los residuos con un radical –OH son susceptibles de ser fosforilados.
Durante la replicación y la transcripción es necesario desmontar los nucleosomas para poder abrir la doble hélice, por lo que se produce la acetilación (los genes actvos tienen sus histonas acetiladas).
Las modificaciones de histonas pueden encontrarse en combinación, los nucleosomas pueden contener una alta variedad de modificaciones que la célula lee como un código epigenético. La información epigenética (información de la modificación de las histonas, clave en la expresión o la no expresión de un gen; también son epigenética las modificaciones de las bases nitrogenadas) no tiene nada que ver con el código genético (está por encima de la genética) y, al igual que la información genética, se hereda de la célula madre. Durante el proceso de desarrollo hay factores 14 1º C. Biomédicas (UdL) Irene LV epigenéticos que controlan la diferenciación. Factores como el entorno, la dieta, la exposición a factores medioambientales y/o a agentes químicos, etc. pueden modificar la información epigenética. Otro ejemplo de epigenética sería la inactivación del cromosoma X (se produce un cambio en el estado de la cromatina).
HISTONA 1 Es el 5º tipo de histona necesaria para la formación de la cromatina de orden superior.
Se une al nucleosoma fijando la posición de entrada y de salida del DNA, juntándolas (dirección de entrada y salida muy próximas a 360o). El efecto que causa la H1 es que los nucleosomas estén más unidos; por tanto, compacta aún más la estructura.
Con la asociación de la H1 se forma la fibra de 30nm (la formada solamente por los nucleosomas era la de 10 nm) ya que provoca que los nucleosomas se enrollen unos sobre otros (fibra con forma de solenoide).
No obstante, para la formación del cromosoma metafásico se necesita un mayor grado de condensación. La fibra de 30nm forma unos “loops” o lazos sobre un andamio (“scaffold”) de proteínas que se repiten, formándose la fibra de 300nm. Los lazos se acaban enrollando sobre sí mismos compactando la cromatina en un factor de 1000.
El cromosoma metafásico tiene un grado de condensación de 9500. A medida que se compacta el DNA, aumenta su grosor mientras que disminuye su longitud.
15 Biología Molecular - Módulo 1 Niveles de empaquetamiento:     Cromatina en forma de collar de cuentasfibra de 10nm. El DNA se enrolla alrededor de las histonas. 5 veces empaquetado.
Cromatina en forma de fibra de 30nm. 50 veces empaquetado.
Lazos (sobre el andamio de proteínas) Cromosoma metafásico: los lazos se enrollan sobre sí mismos alrededor de un eje sobre el que se localizan topoisomerasas de tipo II y condensina.
La finalidad de la condensación es mover el DNA con mayor facilidad (para la segregación a las células hijas).
Remodelación de la cromatina: Se llama así al proceso general de inducir cambios en la estructura de la cromatina mediante enzimas, que requieren energía, que desplazan al DNA sobre las histonas.
Las enzimas que llevan a cabo estos cambios son los complejos reguladores de cromatina.
Estos procesos son: Sliding: consiste en el corrimiento/desplazamiento del DNA sobre el nucleosoma (para exponer una determinada secuencia y hacerla accesible a otras proteínas) Transfer: consiste en desplazar el octámero para obtener una zona de DNA libre de histonas.
16 1º C. Biomédicas (UdL) Irene LV Estos procesos son muy importantes para la activación/inactivación de genes, ya que permiten exponer ciertas secuencias del DNA. Además en ciertos procesos, al DNA necesita unirse a proteínas que requieren (para unirse) el desplazamiento de los nucleosomas.
Las células posicionan muy bien sus nucleosomas; siempre están colocados de la misma manera a pesar de que la unión de las histonas al DNA no depende de la secuencia de este último.
Existen proteínas que se unen a secuencias concretas y ayudan al nucleosoma a colocarse (como por ejemplo, la prot. verde de la imagen).
El contenido en A-T o G-C también determina la presencia o no de nucleosomas.
ÁCIDO RIBONUCLEICO – RNA Es también una cadena de nucleótidos. Se diferencia del DNA en que: - - En lugar de timina, utiliza como base nitrogenada el uracilo (el uracilo se trata de una citosina desanimada espontáneamente). Normalmente, el uracilo se aparea con la adenina (tal y como lo hace la timina a la que sustituye) pero también puede aparearse con la guanina; al haber un apareamiento nuevo, hay muchas más posibilidades que en el DNA.
La pentosa es una ribosa (y no una desoxirribosa), que tiene un grupo –OH en el C2’. L a presencia de el O hace que la molécula de RNA sea mucho más inestable que la de DNA, ya que el O puede reaccionar fácilmente con el grupo fosfato (rompiendo el enlace fosfodiéster), por lo que se puede autodestruir.
17 Biología Molecular - Módulo 1 - Puede tener actividad catalítica, debida también a la presencia del grupo hidroxilo en el C2’.
Normalmente es monocatenario; también pueden aparecer zonas con doble hélice, esto se debe a que se producen apareamientos intramoleculares, es decir, puentes de H entre bases de la misma cadena.
Por ello, el RNA puede presentar muchas estructuras secundarias: La estructura secundaria puede dar lugar a una estructura terciaria (tridimensional).
Tipos funcionales de RNA: - - - 18 mRNA: RNA mensajero; porta la información para la síntesis de proteínas.
tRNA: RNA de tranferencia; tiene una gran estructura secundaria (5 brazos).
Permite descifrar el código genético (asociar cada triplete con un aa para la traducción).
rRNA: RNA ribosómico; constituye la mayor parte del ribosoma.
hnRNA: RNA heterólogo nuclear; es la copia exacta del DNA en forma de RNA, es decir, el resultado de la transcripción, RNA antes de la maduración (splicing).
snRNA: RNA pequeño del núcleo; pequeños fragmentos de RNA con función catalítica que intervienen en el splicing.
1º C. Biomédicas (UdL) Irene LV CROMOSOMAS Cada cromosoma corresponde a una molécula de DNA.
Un cromosoma se trata de la disposición ordenada de genes en el espacio. Un gen se define como la unidad mínima de transmisión de información, según una definición funcional, un gen es la unidad de información que es traducida a proteína o a un RNA funcional (el RNA no siempre se traduce a proteína).
Cada gen está muy bien delimitado, tiene una zona de inicio y una zona final; el gen siempre comienza con la secuencia: ATG. Entre un gen y el siguiente aparecen las llamadas secuencias intergénicas. Al comienzo de un gen aparecen secuencias regulatorias, que regulan la actividad del gen (si se transcribe o no), es decir, su promotor.
Cada gen, además, está compuesto por exones: secuencias que contienen información para la traducción de proteínas (y que, por tanto, se expresan) e intrones, que no contienen información para proteínas (es decir, los genes están fragmentados por intrones). En la transcripción, se copian tanto intrones como exones (se da lugar a hnRNA); es posteriormente, durante la maduración o splicing, cuando se eliminan los intrones para dar lugar a RNAm. Durante el splicing se cortan enlaces fosfodiéster y se generan unos nuevos. Por tanto, los intrones son transcritos pero no traducidos a prot.
gen secuencias intergénicas 19 Biología Molecular - Módulo 1 Comparación de la densidad de genes de diferentes cromosomas Cuando comparamos las densidades de genes en diferentes cromosomas hay mucha diferencia. En la imagen aparecen la comparación de una zona representativa de 65 kD donde, además, está el gen RNA polimerasa; podemos observar que: - Para una misma longitud de DNA, en Escherichia Coli aparecen 57 genes; en la Saccharomyces cerevisiae (levadura de la cerveza), 31 genes; en la mosca Drosophila melanogaster, 9 genes; y en humanos, solamente 2 genes. De ello se puede deducir que la densidad genética es mucho mayor en organismos poco evolucionados, en los que encontramos menos secuencias intergénicas.
- Otra diferencia es la presencia de intrones (que solo aparecen en eucariotas): en la E. Coli no hay; en la levadura encontramos dos; en la D. melanogaster hay dos pequeños intrones; y, en cambio, en el humano aparecen muchos, es decir, el gen está muy interrumpido.
- Por último, también se puede ver una gran diferencia en el número de secuencias repetitivas: encontramos algunas en la mosca D. melanogaster, mientras que en humanos aparecen muchas.
Por tanto, a la hora de comparar diferentes cromosomas hay tres diferencias clave: el nº de secuencias intergénicas, la cantidad de intrones y las secuencias repetitivas.
Diferencias entre el genoma de diferentes organismos En este gráfico se pueden comparar las diferencias en contenido de DNA de varios organismos: Como se puede ver en el gráfico, la diferencia ente procariotas y eucariotas no es tan grande (cabe destacar la proximidad de los valores de algunas bacterias y los hongos). La cantidad de DNA aumenta con el paso a organismos celulares.
Además, no cuanto más evolucionado esté un organismo debe tener más DNA. El contenido en DNA del genoma no refleja la evolución de la especie (por ejemplo, algunas plantas tienen más DNA que los humanos).
20 1º C. Biomédicas (UdL) Irene LV Comparación de diferentes componentes del genoma eucariota El genoma de los organismos eucariotas contiene secuencias de DNA repetitivo y de DNA no repetitivo.
A medida que evolucionan las especies, el % de DNA repetitivo (sobre todo el de DNA moderadamente repetitivo) aumenta considerablemente. La función de este DNA repetitivo no se conoce; no obstante, se conoce el origen del DNA moderadamente repetitivo: los transposones.
Los transposones son secuencias de DNA que pueden saltar de una posición a otra del genoma y pueden hacer copias de sí mismos (transposición).
Organización y contenido del genoma humano En el genoma humano hay 3200 millones de pares de bases: unos 2000 millones (62,5%) pertenecen a secuencias intergénicas, mientras que 1200 millones (37,5%) pertenecen a genes y a secuencias relativas (como intrones, fragmentos de genes y pseudogenes=genes no funcionales). Los genes ocupan solo 48 millones de pares de bases (un 1,5%).
El DNA intergénico se puede clasificar en: repeticiones del DNA (1400 millones) y otras regiones intergénicas (600millones) como microsatélites: secuencias de DNA de menos de 13 pares de bases.
21 Biología Molecular - Módulo 1 DNA repetitivo Podemos diferenciar ente:  DNA altamente repetitivo, que encontramos en: - Secuencias centroméricas (DNA satélite). Repeticiones adyacentes y módulos diversos de 40 a 700 pares de bases, localizadas en zonas centrométiras y paracentroméricas.
- Secuencias teloméricasrepeticiones adyacentes del módulo AGGGTT (en la especie humana) localizadas en los telómeros (extremos del cromosoma).
- VNTRs (Variable Number Tandem Repeat) DNA minisatélite. Repeticiones adyacentes de módulos diversos de 10 a 15 pares de bases, con distribución dispersa entre y dentro de los genes. (El nombre “satélite” viene porque en una preparación para fraccionar el DNA estos fragmentos se podían separar del resto del DNA).
- Dinucleótidos y trinucleótidos (DNA microsatélite). Son repeticiones adyacentes de módulos de 2 o 3 pares de bases, con distribución dispersa entre genes.
 DNA moderadamente repetitivotiene su origen en los transposones. Se encuentra en: - Módulos de diverso tamaño que se distribuyen si n repetición de forma dispersa entre los genes y dentro de ellos. (Origen asociado a retrotransposones).
Telómeros Los telómeros son los extremos de los cromosomas; se trata de regiones no codificantes con DNA altamente repetitivo, cuya función es estabilizar estructuralmente los cromosomas.
Están formados por segmentos monocatenarios de secuencias teloméricas repeticiones de AGGGTT. El triplete de guanina se puede estructurar en una cuádruple hélice mediante puentes de H (entre guaninas), ya que se trata de DNA monocatenario.
22 1º C. Biomédicas (UdL) Irene LV Distribución del DNA en el núcleo: HETEROCROMATINA Y EUCROMATINA Heterocromatina: se trata de DNA altamente comprimido, compuesto principalmente por DNA altamente repetitivo. Como está tan compactado, no se expresa. Contiene DNA satélite, DNA inactivo y secuencias teloméricas y centroméricas.
Eucromatina: es la cromatina menos compactada, y la que está siendo trasncrita. No contiene secuencias repetitivas (ya que lo que se transcribe realmente son los propios genes), por tanto, contiene genes activos (histonas acetiladas).
En el CICLO CELULAR es necesario para que se produzca la división: - Orígenes de replicación, que permitan hacer una copia del DNA (fase S del ciclo).
- Centrómeros (que permitan al cromosoma engancharse al huso mitótico que, posteriormente repartirá el material genético a las células hijas).
La COHESINA es un complejo de proteínas que permite juntar los productos de la replicación del cromosoma, las cromátidas hermanas. Tiene estructura circular (es un anillo), que se enancha alrededor de las cromátidas, por lo que es imposible separarlas. La proteólisis de la cohesina permite que las cromátidas hermanas se separen y que se reparta el material genético.
23 Biología Molecular - Módulo 1 Hasta que la célula no ha comprobado que los microtúbulos se hayan enganchado correctamente (a los cinetocoros), no se procede a la proteólisis de la cohesina (no se produce/activa la enzima encargada de hacerlo. El análisis del enganche de los microtúbulos a los cinetocoros es uno de los checkpoints del ciclo celular.
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