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Genes

• Son las unidades funcionales de la herencia biológica.
• Son secciones discretas y definidas de ADN en el genoma
• Contienen información genética

Composición en las células eucariotas

• En eucariotas, los genes están compuestos por promotores, 5'UTR, exones, intrones, 3'UTR y terminadores

Genes procariotas

• Los genes procariotas carecen de intrones

Genoma humano

• Los genes que codifican para proteínas ocupan menos del 2% del genoma humano
• El genoma se compone por regiones repetitivas con un 52%
• Contiene intrones en un 40%
• Posee secuencias misceláneas, equivalentes a un 8%
• Integra elementos no codificantes conservados con un 3,5%
• Y genes codificadores de proteina, equivalentes a un 1,5%

Ácidos nucleicos

• Los ácidos nucleicos son macromoléculas poliméricas conformados por nucleótidos
• Un nucleótido se compone de base nitrogenada, azúcar pentosa, y un grupo fosfato
• El azúcar pentosa puede ser ribosa (ARN) o desoxirribosa (ADN)

Bases nitrogenadas

• Las bases nitrogenadas se clasifican en dos grupos: pirimidinas y purinas
• Las pirimidinas tienen un anillo (C, U, T)
• Las purinas tienen dos anillos (G, A)
• Las diferencias entre las bases nitrogenadas se deben a los grupos químicos unidos a su estructura central

Derivados de purinas

• La cafeína del café, teofilina del té, y teobromina del chocolate son derivados de purinas
• El ATP, adenosina trifosfato, se relaciona con el nivel de energia del cuerpo.

Azúcar pentosa

• Los ácidos nucleicos están conformados por dos tipos de azúcar pentosa: ribosa y desoxirribosa
• La ribosa (ARN) tiene un grupo hidroxilo unido a C 2'
• La desoxirribosa (ADN) carece de hidroxilo en C 2'

Nomenclatura para diferenciar átomos

• Para diferenciar entre los átomos de las bases nitrogenadas y las pentosas, los carbonos de estas últimas se indican con la notación “prima” (i.e. 1', 2', 3', 4', 5')

Polimerización de nucleótidos

• Los ácidos nucleicos son polímeros de nucleótidos
• Los nucleótidos se polimerizan mediante enlaces fosfodiéster, entre los carbonos 5' y 3' de nucleótidos adyacentes
• Los nucleótidos, y por extensión las moléculas de ADN y ARN, tienen polaridad (extremo 5'-P y extremo 3'-OH)

¿Cómo guarda información el ADN?

• Originalmente se pensaba que la cadena de ADN era una repetición de 4 nucleótidos en tándem
• Phoebus Levene propuso en 1909 la hipótesis del tetranucleótido.
• De acuerdo con esta hipótesis, el ADN sólo tendría funciones estructurales.
• Esta hipótesis implica que los nucleótidos A, C, T y G se encuentran en proporciones iguales (1:1:1:1)
• Esta hipótesis llevó a pensar que el ADN no era una molécula idónea para acarrear información hereditaria, y se creía que las proteínas asociadas a los cromosomas eran los genes

Experimentos de Erwin Chargaff

• En los 1940s, sostuvo que la secuencia del ADN era importante para su función
• Para poner a prueba la hipótesis del tetranucleótido, tomó ADN de varias especies y observó que las bases no se encontraban en cantidades iguales
• En el genoma humano A:G tiene una proporción de 1.56 (1:0.64), mientras que en M. tuberculosis era de 0.4 (1:2.5)
• Aisló y cuantificó las bases nitrogenadas y encontró que en ningún caso la proporción era 1:1:1:1, invalidando la hipótesis del tetranucleótido de Levene
• Observó que estas proporciones no variaban entre tejidos del mismo organismo, sugiriendo que todas las células poseen el mismo ADN

Conclusiones de Chargaff

• Hizo observaciones fundamentales para la determinación de la estructura del ADN al cuantificar las bases nitrogenadas
• Purinas = Pirimidinas
• A = T y G = C
• Estas observaciones condujeron al descubrimiento de la doble cadena del ADN y sugirió que la secuencia de nucleótidos debe ser importante para determinar la información que almacena

Estructura del ADN

• La estructura del ADN fue resuelta en 1953 por Raymond Gosling, Rosalind Franklin, Maurice Wilkins, James Watson, Francis Crick
• Se resolvió usando la técnica de cristalografía de rayos X
• Watson y Crick publicaron un artículo independiente y se les atribuye la solución de la estructura del ADN
• A partir de imágenes cristalográficas, Watson y Crick definieron las características estructurales del ADN
• El patrón punteado en cruz obtenido por Raymond Gosling y Rosalind Franklin es un típico patrón de difracción de la luz al chocar con una estructura helicoidal, como un resorte

Modelo Watson-Crick

• El modelo Watson – Crick define las características estructurales de la molécula de ADN, que se resume en lo siguiente
• El ADN está conformado por dos cadenas de nucleótidos complementarias (la doble hélice)
• Las cadenas son antiparalelas
• La doble cadena gira en forma helicoidal hacia la derecha (esta estructura helicoidal se observó en las imágenes de cristalografía de rayos X producidos por Franklin)
• Las bases se organizan de forma perpendicular al eje, por lo que se apilan en el centro de la molécula
• Las bases se orientan hacia el eje de la doble hélice, mientras que el esqueleto azúcar - fosfato se encuentra hacia afuera de la molécula
• Las dos cadenas se mantienen unidas entre sí mediante puentes de hidrógeno entre las bases nitrogenadas de cadenas opuestas.
• Adicionalmente, las cadenas lineales de ADN y ARN se mantienen unidas mediante enlaces covalentes conocidos como enlaces fosfodiéster
• Los puentes de hidrógeno se hacen entre una pirimidina de una cadena y una purina de la cadena complementaria, de acuerdo con la configuración estructural de las bases
• Los pares de bases son A – T y G – C (esto confirma el descubrimiento de Chargaff sobre la abundancia relativa de bases en el ADN)
• El ancho de la molécula es constante, de 20 Å (2 nm)
• La geometría de la molécula forma dos hendiduras o surcos: surco mayor y surco menor
• Esta característica estructural permite a proteínas que interactúen con el ADN
• La molécula da un giro completo cada 10 nucleótidos

Superenrollamiento del ADN

• En 1963, Jerome Vinograd y su grupo(Caltech) observaron dos moléculas circulares de ADN del mismo tamaño y secuencia que tenían diferentes tasas de sedimentación por centrifugación, y migración por electroforesis
• Esto se debe al estado de enrollamiento del ADN
• Más enrollado = compacto, sedimenta y migra más
• Menos enrollado = Relajado, sedimenta y migra menos

Condensación del ADN

• Una molécula de circular relajada tiende a tener más de 10 nucleótidos por vuelta de la molécula
• Debido a que la estabilidad de la molécula de ADN es mayor con 10 nucleótidos por vuelta, el ADN relajado tiende a superenrollarse espontáneamente
• El superenrollamiento negativo (giro izq.) resulta de liberar la tensión de una molécula relajada (menos enrollada)
• El superenrollamiento positivo (giro der.) resulta de una molécula más enrollada, al ir en el mismo sentido que la doble hélice
• Las células deben modificar esta organización del ADN (superenrollamiento)para llevar a cabo procesos metabólicos como replicación, transcripción, reparación, división celular, etc, para su empaquetamiento
• Enzimas especializadas llamadas topoisomerasas se encargan modificar el superenrollamiento
• Tipo I: generan rotura de cadena simple, eliminando la tensión y el superenrollamiento
• Tipo II: generan roturas de doble cadena controlada para superenrollar o relajar el ADN
• Para ello, usan enzimas topoisomerasas
• Tipo I: generan rotura de cadena simple,es decir,la tensión y el superenrollamiento
• Tipo II: generan roturas de doble cadena controlada, el ADN
• El superenrollamiento es crucial para la compactación del ADN en eucariotas y procariotas.