Tema 1. DNA: base de la informació genètica (2015)

Apunte Catalán
Universidad Universidad Pompeu Fabra (UPF)
Grado Medicina - 2º curso
Asignatura Bioquímica II
Año del apunte 2015
Páginas 8
Fecha de subida 04/02/2015
Descargas 21
Subido por

Vista previa del texto

Tema 1. DNA: base de la informació genètica 1. HERÈNCIA Y DNA Matèria de l’herència Inicialment es pensava que quelcom havia de permetre que els fills s’assemblessin als pares i es sospitava que aquest element podien ser les proteïnes o del DNA. La matèria de l’herència havia de ser estable, amb capacitat de replicació i amb la possibilitat d’evolucionar.
Descobriment del principi transformant En aquest context l’any 1928 Griffith va realitzar un experiment pel que va utilitzar dues subespècies d’Streptococcus: R i S. La primera, R (de l’anglès rough, rugós), era no virulent mentre que la segona, S (de l’anglès smooth, suau) era virulent. L’experiment va consistir en la injecció de dues poblacions de ratolins amb Streptococcus R i S respectivament. Els que van rebre la soca (“cepa”) virulent (S) van morir mentre que els altres van sobreviure. A continuació es va preparar un cultiu de bacteris S morts per calor i es van injectar a una nova població, que va sobreviure, i es va injectar una última població de ratolins amb una barreja d’aquests bacteris S morts per calor i bacteris R. El resultat va ser la mort dels ratolins. Aquest resultat va portar a pensar que alguna cosa que estava retinguda en els bacteris S morts havia entrat als vius mitjançant el procés de transformació.
Ratolí + R  VIU Ratolí + S  MORT Ratolí + S morts per calor  VIU Ratolí + S morts per calor + R  MORT Procés de transformació Quedava el dubte de quina era la naturalesa d’aquest element contaminant, però Griffith no el va arribar a identificar. 20 anys més tard es va descobrir que es tractava del DNA mitjançant l’addició de proteases i ADNases en el cultiu de bacteris R i bacteris S morts per calor. L’addició de proteases no impedia la mort del ratolí, mentre que sí ho s’impedia amb l’addició d’ADNases, per tant l’agent contaminant era el DNA.
2. ESTRUCTURA DEL DNA Watson i Crick van definir el B-DNA com una estructura formada per dues cadenes dextrogires en direccions oposades.
Aquestes cadenes estan formades per monòmers anomenats nucleòsids consistents en una desoxiribosa que té unida una base nitrogenada al seu primer carboni. La unió d’un nucleòsid amb el següent per a format la cadena de DNA es dona mitjançant un grup fosfat que uneix la posició 3’ d’un nucleòsid amb la posició 5’ del següent. El conjunt de desoxiribosa, base nitrogenada i grup fosfat s’anomena nucleòtid.
1 Les bases nitrogenades es classifiquen en puríniques i pirimidíniques en funció de si deriven de la purina o la pirimidina. Les puríniques són l’adenina i la guanina i les pirimidíniques són la citosina, la timina i l’uracil. Al DNA trobem C, G, A i T mentre que al RNA trobem U en lloc de T.
En les cadenes de DNA i RNA es considera que 5’ és l’extrem inicial i 3’ és l’extrem final. Quan les dues cadenes formen la doble hèlix de Watson i Crick les bases nitrogenades s’ubiquen cap a l’interior mentre que els grups fosfats es troben cap a l’exterior i hi ha un total de 10 residus per volta. L’espai entre bases nitrogenades és de 0,34 nm de manera que cada volta de l’hèlix mesura 3,4 nm. Aquesta doble hèlix de DNA és una estructura dinàmica amb la capacitat de torçar-se i superenrotllar-se.
Els aparellaments entre les bases nitrogenades de les dues cadenes es donen mitjançant ponts d’hidrogen (A = T i C ≡ G) i són plans i perpendiculars a l’eix. Hi ha contactes també intercadenaris, és a dir, entre les bases nitrogenades d’una mateixa cadena. Donat que els enllaços pont d’hidrogen que uneixen les bases tenen una estructura de 180 o i donat el posicionament de les bases nitrogenades, en la doble cadena podem observar un solc major i un solc menor. Aquests solcs són les zones on les bases nitrogenades són accessibles des de l’exterior, per tant tindran una gran importància clínica.
Clínica L’estructura de la doble hèlix és essencial per la viabilitat. Alguns fàrmacs de quimioteràpia modifiquen l’estructura del DNA, inhibint-se la replicació i la transcripció. És un mecanisme inespecífic, però les cèl·lules tumorals es divideixen més ràpidament i resulten més ràpidament afectades.
Exemple Cisplatin en càncer de testicles i d’ovaris. Severs efectes secundaris.
2 Topologia del DNA El DNA ha de tenir un número concret de voltes d’hèlix per ser estable de manera que hi hagi 10 residus per volta. Si disposem un DNA de, per exemple, 250 pb, aquest haurà de tenir 25 voltes de Watson i Crick. El número de voltes de Watson i Crick d’un DNA s’anomena linking number (L o Lk).
Si s’obre un DNA circular i es fa lineal, se li treuen dues voltes de Watson i Crick i es fa circular de nou, el plasmidi resultant tindrà una relació incorrecta de bases per volta: faltaran dues voltes per a què la molècula sigui estable. Per tal de tornar a ser-ho el DNA introdueix dos supercoils (writhe, torsión; Wr o W). Aquests supercoils són dextrogirs, s’utilitzen per a compensar la baixada de Lk i s’anomenen negatius. Existeix també el superenrotllament positiu quan hi ha excessives voltes de Watson i Crick però no l’estudiarem ja que és rar en la naturalesa.
Twist (T) és la suma del número de voltes de Watson i Crick i el número de voltes de doble hèlix sobre ella mateixa. Determina si la molècula és estable. Si no ho és per una variació de L s’introduiran supercoils (W) per estabilitzar la molècula.
L=T+W L = 25 T = 25 W=0 L = 23 T = 23 W=0 L = 23 T = 25 W = -2 Es parla de dos topoisòmers de DNA quan dues cadenes iguals difereixen en el número de voltes de Watson i Crick (L). En la imatge anterior les cadenes 1 i 3 són topoisòmers mentre que la cadena 2 no la trobarem mai a la naturalesa perquè tendirà a introduir supercoils per estabilitzar-se, és a dir, tendirà a transformar-se en la cadena 3.
La introducció de supercoils en bacteris és duta a terme per dos tipus d’enzims: les topoisomerases del tipus I i II. Es tracta dos endonucleases (trenquen el DNA) que van ser descobertes per Jim Wang i Martin Gellert. En cèl·lules eucariotes se seguirà un procediment diferent.
Les topoisomerases tipus I no necessiten energia per actuar i relaxen el DNA traient W i augmentant el número d’enllaç L.
Les topoisomerases tipus II o girases, en canvi, si que requereixen energia i actuen disminuint el número d’enllaç L incrementant la torsió (W) de dos en dos.
3 Els dos tipus de topoisomerases segueixen actuen tallant el DNA, passant un segment de DNA per aquest tall i segellant-lo de nou. La principal diferència és que la topoisomerasa I realitza un nick, talla una cadena, mentre que la topoisomerasa II talla les dues cadenes (doublestrand breaks).
El mètode d’acció de la topoisomerasa 1 consisteix en la unió covalent d’un resido de tirosina d’aquesta a l’extrem 5’ de la cadena tallada.
Existeixen antibiòtics específics que bloquegen l’activitat girasa com novobicina, àcid nalixidic i ciprofloxanina.
TOPOISOMERASA I No ATP Genera topoisòmer relaxat Nick (talla una cadena) Augmenta en un el número d’enllaç Elimina els bucles negatius Actuen sobre cadenes úniques TOPOISOMERASA II o GIRASA Necessita ATP Genera topoisòmer superenrotllat Double-strand breaks (talla dos cadenes) Disminueix de dos en dos el número d’enllaç Introdueix bucles negatius Manegen cadenes dobles L’experiment següent d’electroforesi permet demostrar que la topoisomerasa I actua relaxant el DNA. L’electroforesi es basa en la migració de les molècules cap al pol positiu en funció del seu pes i la seva estructura, i observem com a la columna A el DNA superenrotllat ha migrat molt més que el DNA relaxat. A les columnes B i C s’introdueix DNA tractat amb topoisomerasa I (5 minuts en B i 30 minuts en C). Els resultats obtinguts mostren que la topoisomerasa I relaxa el DNA, doncs amb DNA tractat durant 5 minuts s’observen bandes que entre els estats relaxats i superenrotllats i la fracció de bandes més relaxades augmenta quan s’ha tractat el DNA durant 30 minuts.
En bacteris com l’Escherichia coli el superenrotllament és important, entre altres coses, perquè el DNA pugui cabre dins el bacteri. Les mutacions en una activitat sempre seran compensades amb mutacions en l’altre de manera que si un bacteri té, per exemple, l’activitat de la topoisomerasa reduïda, disminuirà també l’activitat de la girasa. El superenrotllament en bacteris és important en mitocondris, cloroplasts i alguns virus.
El DNA en eucariotes és lineal i el seu superenrotllament és important per la formació d’histones i cromatina. Els processos de superenrotllament són essencials per la transcripció i la duplicació: es relaxa el DNA per fer-lo accessible.
Clínica La Ciprofloxacina (bloquejador de girasa) es va utilitzar a USA l’any 2001 contra Bacillus anthracis (antrax). És un antibiòtic d’ampli espectre que es va utilitza després de la mort de varis empleats de correus per aquest bacteri.
3. ELEMENTS GENÈTICS Els elements genètics són aquells elements que tenen codi genètic propi i tenen la capacitat de replicar-se. Inclou els cromosomes, els virus, els plàsmids, els viroides, els prions les organeles i els elements de transposició.
4 Cromosoma Les cèl·lules procariotes com els bacteris solen tenir 1 únic cromosoma circular d’una mida d’1μm i unes 5.000 kb.
El cromosomes eucariotes, en canvi, casi sempre són lineals i posseeixen telòmers i centròmers. Només un 5% del DNA codifica per proteïnes, la major part és DNA no codificant en forma d’introns o seqüències repetitives.
Virus Els virus són material genètic envoltat per una càpsula formada per proteïnes que s’autoacoblen. Actuen com a paràsits d’altres organismes i tenen dues formes, una intracel·lular i una extracel·lular anomenada virió. Els virus poden tenir DNA o RNA, que poden ser lineals o circulars i alternen simple stranded (una cadena) i double stranded (doble cadena). En alguns casos disposen també d’una embolcall, a més de la càpsula, que prové de l’element que han parasitat: l’obtenen quan en surten o el llisen. No parasiten qualsevol tipus cel·lular sinó que tenen especificitat d’entrada per unes determinades cèl·lules gràcies a la presència de proteïnes de membrana específiques.
El cicle vital dels virus bacteriòfags és el que es mostra en l’esquema següent. Inicialment un virus injecta el seu contingut a un bacteri. Aquest material genètic injectat s’anomena profago.
El bacteri tindrà dues possibles destinacions, anomenades cicle lític i cicle lisogènic gràcies a la capacitat dels virus de controlar la seva pròpia replicació.
En el cicle lític el virus, un cop dins del bacteri, aconsegueix duplicar el seu material genètic i sitetitza el material necessari per a crear nous virions. Quan finalitza aquest procés llisa la cèl·lula i surt a l’exterior.
El cicle lisogènic es dóna quan el DNA viral s’integra en el DNA del bacteri de manera que quan aquest es duplica es duplica també el DNA viral. En un moment determinat el virus pot provocar el pas al cicle lític mitjançant un procés anomenat inducció.
Els principals tipus de virus de bacteris o virus bacteriòfags són: a) Exemple de bacteriòfag del RNA: MS2 s’enganxa a la pili, és específic per bacteris que conjuguen.
b) Exemple de bacteriòfag de ssDNA: M13 que no llisa a E. coli.
c) Exemples de bacteriòfags de dsDNA: Lambda és el més famós i s’integra per recombinació específica. T2 i T4 són dels primers amb què es va treballar. Mu du a terme processos de transposició.
Els principals tipus de virus animals són 4 en funció de l’acció que duguin a terme. Després de penetrar dins una cèl·lula, el virus pot transformar la cèl·lula en tumoral, pot produir una infecció lítica (el virus es duplica i s’allibera amb la lisis cel·lular), pot quedar persistent a l’interior de la cèl·lula i anar-se alliberant lentament sense provocar la mort de la cèl·lula o pot quedar com una infecció latent per sorgir passat un temps com a infecció lítica.
5 La classificació dels virus animals també pot realitzar-se en funció del tipus d’àcid nucleic i la presència o no d’embolcall.
De tots els anteriors, cal destacar els següents:  Adenovirus dsDNA sense embolcall, van ser els primers virus utilitzat en teràpia gènica  Herpesvirus dsDNA amb embolcall  Retrovirus ssRNA amb embolcall, un dels principals és el VIH  Othomixovirus ssRNA amb embolcall, té una forma amorfa i un exemple és el virus de la grip.
L’ebola és un virus de la família filoviridae, ssRNA negatiu amb embolcall.
6 Els ortomixovirus tenen el RNA dividit en 8 fragments proporcionant una gran variabilitat a aquests virus. Aquesta és una de les característiques que provoca que el virus de la grip canviï d’un any per l’altre. El virus e la grip interacciona amb mucoses i això explicaria que els seus símptomes estiguin relacionats amb el sistema respiratori. Dues proteïnes peculiars del virus de la grip són l’hemaglutinina i la neuraminidasa, que es troben a la càpsula del virus.
L’hemaglutinina causa l’aglutinació d’hematies i la neuraminidasa intervé en l’ensamblatge dels components per la formació de virions i llisa teixit connectiu. Altres proteïnes presents al virus de la grip són RNA polimerases RNA dependents i RNA endonucleases.
Plasmidis Els plasmidis són elements beneficiosos formats per dsDNA i sense forma extracel·lular. Poden trobar-se en bacteris o eucariotes i codifiquen normalment per funcions beneficioses però no essencials, com per exemple resistències.
Els bacteris, mitjançant el procés de conjugació són capaços de transmetre’s un plasmidi de resistència. El procés de conjugació consisteix en la connexió de dos bacteris mitjançant un pont anomenat pilus. El bacteri positiu, és a dir, aquell que té el plasmidi, realitza una copia d’aquest i la transmet a l’altre (bacteri negatiu). D’aquesta manera, després del procés, tots dos bacteris seran resistents.
Tot i que una població tendirà sempre a l’extensió del caràcter positiu, quan aquest deixi de ser necessari s’eliminarà, doncs els bacteris tenen tendència a eliminar qualsevol informació que no utilitzin.
Viroides Els viroides són elements similars als virus però formats per ssRNA, tant en la seva forma intracel·lular com en l’extracel·lular. No codifiquen per proteïnes i són patògens de plantes.
Prions Els prions són proteïnes amb la capacitat d’autocopiar-se.
Un exemple de prió és la proteïna priònica PrP c, una proteïna del sistema nerviós humà que en condicions determinades pot donar lloc a una forma amb làmines beta (PrP Sc). La malaltia de les vaques boges va originar-se per la formació de PrPSc en algunes vaques i la posterior ingesta d’aquestes vaques per part d’humans. Si un humà menjava una vaca malalta amb PrPSc aquesta proteïna arribava al sistema nerviós i en entrar en contacte amb la forma soluble normal de la proteïna, PrPc, provocava el seu canvi de conformació. El catalitzador d’aquesta reacció és el producte de la reacció, PrPSc, de manera que si una sola proteïna PrPSc entrava en contacte amb una PrPc totes les PrPc acabarien canviant de conformació.
Aquest procés és molt important ja que les proteïnes amb forma de làmina beta tenen tendència a agregar-se i l’agregació de proteïnes és la causa de moltes malalties neurodegeneratives.
7 Orgànuls y elements de transposició Alguns orgànuls com els mitocondris tenen una certa independència però requereixen funcions cromosòmiques.
Els elements de transposició o transposons són seqüències de DNA que es poden desplaçar al llarg de diferents posicions del genoma, és a dir, són material genètic dins d’un altre material genètic. Són importants per l’evolució i es veuran més detalladament al tema 4.
4. D OGMA CENTRAL El processament de la informació en les cèl·lules és bastant complex però segueix un esquema que s’anomena dogma central. Segons aquest esquema la informació flueix de DNAa RNA i posteriorment a proteïna. El DNA, a més, es pot duplicar.
Els diferents temes de l’assignatura es centraran en explicar els diferents processos d’aquest esquema.
8 ...