Ácidos Nucleicos: Estructura y Función

Ácidos Nucleicos

• Son polímeros formados por la unión de monómeros llamados nucleótidos.
• Pueden formar largas cadenas.

Estructura

• Pentosas: ribosa o desoxirribosa.
• Base nitrogenada: adenina, guanina, citosina, timina.
• Tres grupos fosfato permiten la unión entre nucleótidos.
• Un nucleósido es un nucleótido sin grupo fosfato.
• En el ADN, el carbono 2 tiene H en vez de OH.
• En el ARN, el carbono 2 tiene dos OH.
• Grupo fosfato unido al carbono C5.
• Base nitrogenada unida al carbono C1.

Bases Nitrogenadas

• Purinas (adenina y guanina) tienen dos anillos.
• Pirimidinas (citosina, timina y uracilo) tienen un solo anillo.

Estructura Primaria de Ácidos Nucleicos

• Enlace fosfodiéster: los nucleótidos se unen uno debajo del otro por el C3.
• Se ocupan 2 ATP para formar el enlace fosfodiéster.
• La dirección o sentido de la cadena (5' a 3') es importante para leer la secuencia de nucleótidos correctamente.
• La secuencia del gen codifica para una subunidad gamma de la proteína G en humanos.

Estructura Secundaria

• Requiere una cadena líder y una rezagada.
• El ADN tiene dos cadenas.
• En la cadena líder las bases nitrogenadas están a la derecha y en la rezagada a la izquierda (invertida), por eso se lee de 3' a 5'.
• Unidas por puentes de hidrógeno.
• La guanina y la citosina tienen tres puentes de hidrógeno.
• La adenina y la timina tienen dos puentes de hidrógeno.
• El ARN también tiene puentes de hidrógeno, aunque sea una sola cadena.
• El enlace fosfodiéster une nucleótidos dentro de la misma cadena.
• Los puentes de hidrógeno unen las dos cadenas.

Regla de Chargaff

• Las adeninas van con timina, y guanina con citosina.
• Cada pareja se llama par de bases (pb).

Ruptura de Puentes de Hidrógeno

• Los puentes de hidrógeno se pueden romper con temperatura o acidez (pH) para poder leer el ADN.
• El ADN se desnaturaliza y eso provoca mutaciones.
• Los enlaces C-G son más fuertes y necesitan más temperatura para romperse.
• Las cadenas son antiparalelas.

Características de las Cadenas de ADN

• Las dos cadenas son complementarias, pero no idénticas.
• Si una cadena sufre daño, se puede corregir con la hebra complementaria.
• Estas características permiten la formación de la doble hélice.
• El ARN puede formar puentes de hidrógeno, y plegarse sobre sí mismo.

Estructura Terciaria

• Intervienen histonas.
• La estructura es más compacta (parte de heterocromatina).
• También existe estructura terciaria en el ARN.

Características Fisicoquímicas

• La carga neta del ADN es negativa.
• El ADN genómico es viscoso debido a su longitud y rigidez.
• El ADN y el ARN absorben luz a 260 nm.
• El ADN es soluble en agua.

Diferencias Entre ADN y ARN

• Pentosa: ribosa (ARN) vs. desoxirribosa (ADN).
• Cadenas: 1 (ARN) vs. 2 (ADN).
• Bases nitrogenadas: U, C, G, A (ARN) vs. T, A, C, G (ADN).
• Localización celular: citoplasma (ribosomas), núcleo, nucleolo (ARN) vs. núcleo, nucleolo, mitocondrias (ADN).
• Función: síntesis de proteínas, regulación de la expresión génica (ARN) vs. almacenar información génica, transcripción (ADN).

Historia

• James Watson y Francis Crick descubrieron la doble hélice, inspirándose en la imagen de Rosalind Franklin
• Rosalind Franklin encontró la estructura del ADN.

Dogma Central de la Biología Molecular

• Pasos de la expresión de genes: ADN → ARN → Proteínas.

Replicación

• Proceso fundamental y vital.
• Ocurre en la fase S del ciclo celular.
• La replicación del ADN debe ser exacta en todas las células.
• Ocurre durante la fase S.
• Se replica todo el genoma (46 cromosomas). Una célula puede hacer replicación de ADN varias veces hasta que los telómeros se desgasten, con el envejecimiento.
• La replicación es semiconservativa: cada hebra funciona como molde para una nueva hebra hija (complementaria).
• Demostrado en el ensayo de Meselson y Stahl en 1958, utilizando DNA marcado radiactivamente (timina radiactiva).

Polimerasas

• Enzimas que dirigen la síntesis de ácidos nucleicos.

DNA Polimerasa

• Reconoce dNTPs (desoxirribonucleótidos-5'-trifosfato).
• Sintetiza solo en sentido de 5' a 3'.
• DNApol está involucrada en la replicación.
• Se usa un primer/cebador para empezar a sintetizar.
• Tiene actividad exonucleasa de 3' a 5' que corrige errores de lectura.

Replicación del ADN

• Inicio: En la horquilla de replicación, se forma en una secuencia llamada origen de replicación.
• Puede haber varias horquillas en células eucariontes.
• El complejo iniciador es una proteína que reconoce el origen de replicación.
• Se une la helicasa y rompe la doble hélice.
• Cebadores: Son fragmentos de RNA que inician desde cero (el ADN no lo hace); los ribonucleótidos se pegan.
• Elongación: Replisoma, un complejo de proteínas, abre la cadena.
• En la cadena rezagada están los fragmentos de Okazaki, que avanzan de forma discontinua.
• Terminación: Ocurre cuando se encuentra otro primer.
• Puede variar hacia donde se abre (bidireccional).

Enzimas de la Elongación

• Helicasa: Separa las dos cadenas.
• Topoisomerasa: Relaja el superenrollamiento ocasionado por el desenrollamiento.
• SSB (proteínas de unión a cadena sencilla): Estabilizan la cadena sencilla.
• Primasa (ARNpol): Pone el primer.
• ADNpol: Alarga el primer y también degrada el primer, Ilenando el hueco.
• ADN Ligasa: Une los fragmentos de Okazaki.

Otras Enzimas Importantes

• Topoisomerasas: Liberan la tensión.
• SSB (bucks): Evitan que se vuelva a formar la doble hélice.
• ADNpol: Sintetiza la nueva cadena.
• DNA Ligasa: Forma el enlace fosfodiéster para que no quede hueco.
• RNAsa H: Quita los primers de RNA.
• ADN polimerasa: Rellena los huecos donde se retiraron los primers de RNA.
• La replicación es bidireccional para hacerla más rápida.
• Hay varias horquillas de replicación en células eucariontes.

Terminación

• La secuencia de replicación se acaba o choca una con otra.

Telómeros y Telomerasa

• Los telómeros protegen la información del cromosoma.
• Cuando están muy desgastados, se activa la apoptosis.
• Los telómeros se van acortando en cada replicación, ya que al final de la cadena no se pone un primer y se degradan.
• La telomerasa está activada antes del nacimiento, pero se desactiva al nacer (sigue funcionando en tejidos inmunes y hematopoyéticos).
• 5'TTAGGG 3' es la secuencia que se va cortando.
• Hay proteínas (TBP) que protegen los extremos de los telómeros.
• Las telomerasas son transcriptasas inversas (de ARN a ADN).
• Alargan el final con un ARN complementario a la cadena de ADN y la ADNpol lo utiliza como primer.

Transcripción

• No transcribe todo, solo las porciones codificantes.
• Gen: locus, loci (plural).
• Gen: Unidad básica de herencia; segmento de DNA que codifica para una proteína o molécula de ARN.
• La expresión de un gen se mide por la cantidad de ARN, proteínas, o actividad de la proteína.
• Proceso mediante el cual se transforma la información codificada en un gen en una proteína o molécula de ARN necesaria para el desarrollo, funcionamiento o reproducción.
• Ejemplo de expresión de gen: alcohol deshidrogenasa (se activa con altos niveles de etanol).

Genes Constitutivos e Inducibles

• Genes inducibles: Se activan solo cuando se necesitan (ej. maltasa).
• Genes constitutivos: Siempre están prendidos (ej. RNA-pol).
• Diferenciación celular: Una célula se especializa.

Características de Genes y Genomas

• El 0.5-0.7% del genoma es diferente entre humanos.
• Algunas regiones entre genes tienen funciones regulatorias, otras no tienen funciones aparentes y varias son repeticiones en tándem.

Regiones Polimórficas y Alelos

• La región polimórfica da origen a un alelo.
• Los genes pueden varias mucho (polimórficos); el polimorfismo es lo que nos hace únicos.
• Un alelo es el mismo gen, pero con una letra diferente (son las polimórficos de un solo nucleótido); no genera enfermedad, solo variabilidad.
• STR: Secuencia que se repite (polimorfismo en tándem).
• Exones: Zonas codificantes.
• Intrones: No llevan codificación.
• Promotor: Secuencia de nucleótidos que inician la transcripción.
• Terminador: Son genes.
• UTR: Región no traducida (una al principio y una al final).
• Secuencia de poliadenilación (cola de poli A): Sirve de protección.
• Inicia acabando el promotor y termina antes del terminador.

Estructura de un Gen (Tipos de Regiones)

• Región estructural: Lleva la secuencia del producto génico; se produce un transcrito primario o RNAm precursor (pre RNAm).
• Región regulatoria: No lleva secuencia codificante; generalmente está río arriba de la región codificante
• Incluye regiones promotoras y regulatorias que determinan si hay o no transcripción.
• Región codificante.
• Región no codificante.

Transcripción vs. Replicación del DNA

• Producto: DNA (replicación) vs. RNA (transcripción).
• Simultaniedad: Simultáneo (replicación) vs. No simultáneo (transcripción).
• Dirección: bidireccional (replicación) vs. Monodireccional (transcripción).
• Focos Múltiples: Multifocal (replicación y transcripción).
• Cadenas: simétrico (replicación) vs. Asimétrico (sólo se transcribe una hebra) (transcripción).
• Dirección: 5' - 3' (ambos).
• Necesidad de Primer: No autoiniciadora (primers) (replicación) vs. Es autoiniciadora (transcripción).
• Cofactor: Requiere Mg+ (ambos).
• Utiliza la hebra molde o codificante.
• La que lee se llama hebra molde.
• De la hebra codificante - lleva el código.
• Durante la transcripción, se sacar el RNA de la molde (3' a 5') y resulta siendo el mismo código que la codificante.
• En el RNA, se cambia T por U (de 5' a 3').

RNA- Pol II

• Sintetiza mRNA.
• Va de 5' a 3'.
• Cambia T por U y el azúcar es diferente.
• La alfa amanitina inhibe la pol II y III.
• Genes policistrónicos = procariotas y virus (operones).
• Genes monocistrónicos = eucariotas (promotor y terminador).

Factores de Transcripción

• Se requieren factores de transcripción generales que reconozcan el promotor y se le unan.
• 25 a 30 nucleótidos corriente arriba (upstream, desde el -1) del promotor se encuentra una secuencia similar a la caja TATA
• Entre estos elementos están: BRE, TATAA, Inr, DCE, MTE y DPE, en ese orden.
• Luego inicia la formación del complejo de iniciación poco a poco y en orden.
• Este complejo está formado por varios factores de transcripción y la RNA-pol II.
• TAF y TBP se unen a los promotores TATA y Inr respectivamente.
• TAF: Reconoce la caja TATA.
• TF II B llega y se une a TBP; actúa como puente para que llegue RNA pol II.
• TF II E estabiliza la región desnaturalizada.
• Llega RNA pol II ayudada al menos por 5 factores de transcripción generales.
• El complejo de iniciación desnaturaliza el DNA.
• TF II H tiene actividad de helicasa, lo que produce la burbuja de transcripción.

Otros datos de la Transcripción

• TAF Y TBP: Factores de transcripción (proteínas).
• TFIIH: Tiene actividad de helicasa y produce la burbuja de transcripción.
• La elongación se inicia cuando TFIIH fosforila la CTD de la RNA pol II.
• Lee de 3 a 5 y pega de 5 a 3.
• También hay topoisomerasas que liberan la tensión.
• Se va formando un híbrido RNA:DNA temporalmente.
• Por detrás de la polimerasa, la cadena de RNA nuevo se desprende del DNA.
• El DNA se vuelve a enrollar.
• Terminación: el terminador
• RLP: se desfosforila la RNA-pol-II y se apaga

Errores en la Transcripción

• La RNA pol II se equivoca una vez cada mil pares de bases.
• Los RNAm no son tan importantes ya que de los ARNm salen muchas más proteínas.
• El DNA siempre se va a quedar ahí.
• El ARN tiene vida corta.

Características de las Células Eucariontes

• Las RNA polimerasas transcriben genes diferentes.
• Las RNA polimerasas interactúan con diferentes proteínas.
• La transcripción tiene lugar en eucromatina.
• La transcripción debe terminar para que inicie la traducción.
• La transcripción se realiza en el núcleo.
• La regulación de la expresión génica es más compleja.
• La transcripción ocurre en el núcleo y la traducción en el citoplasma.

Maduración del RNA Mensajero

• Ocurre todavía en el núcleo.
• Implica:
  • Capping del RNAm
  • Colita de Poli-A
  • Corte y empalme o Splicing.
• Una vez que este proceso termina, el RNAm maduro puede salir al citoplasma por los poros nucleares.
• La maduración del RNAm le confiere:
  • Estabilidad
  • Resistencia a nucleasas
  • Permite plegamiento tridimensional
  • Facilita el inicio de la traducción.

Pasos de la Maduración del RNAm

• 5' Cap / Caperuza 5'
• Colita de poliA
• Corte y empalme / Splicing

Capping del RNaM

• CAP: Guanosina metilada, que se pega al revés (C5 a C5) con 2 fosfatos.
  • Ribosa con guanina (guanosina).
  • Se pone cuando inicia la transición (3 pasos).
  • Desfosforilar.
  • Guanosilacion.
  • Metilación.
• La exonucleasa no reconoce el capping, por lo que no la degrada.
• Una vez fuera del núcleo, el CAP sirve como punto de unión a los ribosomas.

Colita de Poli A

• Se transcribe también la secuencia y una enzima (endonucleasa) reconoce la secuencia y corta después.
• El ADN sale y se le pegan adenosinas (polia polimerasa)
• Provee estabilidad y protección.
• Se le pegan proteínas accesorias (PABP) para darle estabilidad.

Splicing

• Intrones: Regiones no codificantes.
• Exones: Regiones codificantes.
• Todos los genes de eucariontes tienen intrones.
• En general, los intrones son muy abundantes y mucho más grandes que los exones.
• En promedio, un intrón mide 20kb y un exón mide 1 kb.
• Hay alrededor de 40 intrones por gen.
• Algunos intrones tienen funciones de regulación.

Spliceosoma

• Los intrones tienen secuencias de splicing 5' y 3', y una secuencia de ramificación.
• Los intrones inician con GU y terminan con AG.
• Si ocurre una mutación en la secuencia de splicing 5', no se corta el intrón y se queda.

Repaso de la estructura y función de los ácidos nucleicos, incluyendo nucleótidos, bases nitrogenadas y enlaces fosfodiéster. Aprende sobre las diferencias entre ADN y ARN, y cómo se construye la estructura primaria de estos polímeros esenciales.