ADN: Descubrimiento, Estructura y Función - PDF

ADN: Descubrimiento, estructura y función Capítulo 10 Karp “Estructura del ADN” 10.5 – 10.8 Juan Carlos Collantes, PhD ¿Qué son los genes? Genes Son las unidades funcionales de la herencia biológica. Secciones discretas y definidas de ADN en el genoma que contienen información genética...

ADN: Descubrimiento, estructura y función Capítulo 10 Karp “Estructura del ADN” 10.5 – 10.8 Juan Carlos Collantes, PhD ¿Qué son los genes? Genes Son las unidades funcionales de la herencia biológica. Secciones discretas y definidas de ADN en el genoma que contienen información genética En eucariotas, los genes están compuestos por promotores, 5’UTR, exones, intrones, 3’UTR y terminadores Genes procariotas carecen de intrones  ¡Los genes que codifican para proteínas ocupan menos del 2% del genoma humano! Leypold, N. A., & Speicher, M. R. (2021). Trends in Genetics, 37(10), 903-918 ¿De qué están compuestos los genes?  Bases nitrogenadas Ácidos nucleicos Los ácidos nucleicos son macromoléculas poliméricas conformados por unidades llamadas nucleótidos Base nitrogenada + azúcar pentosa + fosfato Azúcar ribosa: ARN Azúcar desoxirribosa: ADN  Bases nitrogenadas Están clasificadas en dos grupos: Pirimidinas: 1 anillo (C, U, T) Purinas: 2 anillos (G, A) Las diferencias entre bases nitrogenadas se dan por grupos químicos unidos a su estructura Chang-Hui Shen, in Diagnostic Molecular Biology, 2019 central  Bases nitrogenadas La cafeína del café, teofilina del té y teobromina del chocolate son derivados de purinas ¿Cuál es el mecanismo estimulante de la cafeína?  🥱 Bases nitrogenadas Energía ATP Adenosina  😃 Bases nitrogenadas Energía ATP Adenosina  Azúcar pentosa Los ácidos nucleicos están conformados por dos tipos azúcar pentosa: Ribosa: ARN, C 2’ unido a grupo hidroxilo Desoxirribosa: ADN, C 2’ carece de hidroxilo Nucleótidos Nomenclatura: 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’) Ácidos nucleicos son polímeros de nucleótidos Los nucleótidos, y por extensión las moléculas de ADN y ARN, tienen polaridad: Los nucleótidos se polimerizan Extremo 5’-P mediante enlaces fosfodiéster, Extremo 3’-OH entre los carbonos 5’ y 3’ de 3.4 Å nucleótidos adyacentes. ¿Cuál es la función biológica del ADN? El ADN es una molécula que almacena información hereditaria, pero ¿cómo lo hace?  ¿Como guarda información el ADN? Originalmente se pensaba que la cadena de ADN era una repetición de 4 nucleótidos en tándem hipótesis del tetranucleótido propuesta por Phoebus Levene en 1909 (descubridor de ribosa y desoxirribosa) 5’-ACTGACTGACTGACTG-3’ De acuerdo con esta hipótesis, el ADN sólo tendría funciones estructurales Esto implica que los nucleótidos A, C, T y G se encuentran en proporciones iguales: 1:1:1:1 Esta hipótesis hacía que el ADN no sea una molécula idónea para acarrear información hereditaria, y se pensaba que las proteínas asociadas a los cromosomas eran los genes ¿Como guarda información el ADN? Erwin Chargaff en los 1940s sostenía 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 Chargaff aisló y cuantificó las bases nitrogenadas en sus encontraban en cantidades iguales muestras y encontró que en ningún caso la proporción era e.g. A:G en el genoma humano tiene una 1:1:1:1, invalidando la hipótesis del tetranucleótido de proporción de 1.56 (1:0.64), mientras que Levene. la misma relación en M. tuberculosis era de Observó que estas proporciones no variaban entre 0.4 (1:2.5) tejidos del mismo organismo, sugiriendo que todas las células poseen el mismo ADN ¿Como guarda información el ADN? Chargaff hizo observaciones fundamentales para la determinación de la estructura del ADN al cuantificar las bases nitrogenadas: Purinas = Pirimidinas Esta observación llevó al descubrimiento de la A=TyG=C doble cadena del ADN y sugirió que la secuencia de nucleótidos debe ser importante para determinar la información que almacena ¿Qué ácidos nucleicos no seguirían las reglas de Chargaff? Adenina = Timina Citosina = Guanina Purinas = Pirimidinas Características estructurales del ADN: la doble hélice Modelo Watson – Crick Estructura del WATSON, J., CRICK, F. Nature 171, 737–738 (1953) ADN La estructura del ADN fue resuelta por Raymond Gosling, Rosalind Franklin, Maurice Wilkins, James Watson, Francis Crick en 1953, usando técnica de cristalografía de rayos X. Watson y Crick publicaron un artículo independiente y se les atribuye la solución de la estructura del ADN Photo 51, R. Franklin A partir de imágenes cristalográficas, Watson y Crick definieron las características estructurales del ADN El modelo ”Watson – Crick” define las características estructurales de la molécula de ADN ¿Qué dedujeron a partir de esta fotografía? Modelo Watson – Crick del ADN El ADN está conformado por dos cadenas de nucleótidos complementarias: La doble hélice  5’ 3’ Modelo Watson – Crick del ADN Las cadenas son antiparalelas 3’ 5’ Modelo Watson – Crick del ADN La doble cadena gira en forma helicoidal hacia la derecha  La estructura helicoidal se Modelo observó en las imágenes de cristalografía de rayos X Watson – producidos por Franklin Crick del ADN La doble cadena gira en forma helicoidal hacia la derecha ¿Cómo dedujeron que el ADN es helicoidal a partir de la foto 51? Modelo Watson – Crick 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 este resorte Modelo Watson – Crick del ADN Las bases se organizan de forma perpendicular al eje, por lo que se apilan en el centro de la molécula Modelo Watson – Crick del ADN Las bases se organizan de forma perpendicular al eje, por lo que se apilan en el centro de la molécula Modelo Watson – Crick del ADN Las bases se orientan hacia el eje de la doble hélice, mientras que el esqueleto ¿Por qué? azúcar – fosfato se encuentra hacia afuera de la molécula  Modelo Watson – Crick del ADN Las dos cadenas se mantienen unidas entre sí mediante puentes de hidrógeno entre las bases Las cadenas lineales de ADN y ARN se mantienen unidas mediante nitrogenadas de cadenas enlaces covalentes conocidos como opuestas enlaces fosfodiéster Modelo Watson – Crick del ADN Los puentes de hidrógeno se hacen entre una pirimidina de una cadena y ¿Consistente con una purina de la cadena las observaciones complementaria de Chargaff? ¿Como guarda información el ADN? Experimentos de Chargaff : Purinas = Pirimidinas A=TyG=C T≠GyA≠C A≠GyT≠C  NH2 C=O Modelo Watson – Crick del H C=O ADN NH2 C=O Energía De acuerdo con la configuración estructural de las bases, se propuso que los pares de bases son A – T y G – C. Esta observación confirma el NH2 C=O descubrimiento de Chargaff sobre la abundancia relativa de bases en el ADN Modelo Watson – Crick del ADN El ancho de la molécula es constante, de 20 Å (2 nm) ¿Por qué el ancho es constante? Modelo Watson – Crick del 20 Å ADN El ancho de la molécula es constante, de 20 Å (2 nm) ¿Por qué el ancho es constante?  Modelo Watson – Crick del ADN La geometría de la molécula forma dos hendiduras o surcos: Surco mayor Surco menor Esta característica estructural permite a proteínas que interactúen con el ADN Factores de transcripción unidos a sus secuencias objetivo  Modelo Watson – Crick del ADN ★ ★ La molécula da un giro completo cada 10 nucleótidos La distancia entre un nucleótido y el siguiente es de 3.4 Å (0.34 nm), por lo que un giro completo de la molécula mide 34 Å (3.4 nm) El descubrimiento de la estructura del ADN permitió revelar algunas de sus funciones biológicas Características estructurales del ADN: Superenrollamiento del ADN 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 Geles de agarosa sirven para separar moléculas por tamaño Ed-Daoui, A., & Snabre, P. (2021). Rheologica Acta, 60(6), 327-351. Corless, S., Gilbert, N. Biophys Rev 8, 245–258 (2016) 150.000x! Superenrollamiento del ADN Una molécula de ADN 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 Superenrollamiento negativo (giro izq.) resulta de liberar la tensión de una molécula relajada (menos enrollada) Superenrollamiento positivo (giro der.) resulta de una molécula más enrollada, al ir en el mismo sentido que la doble hélice Superenrollamiento del ADN  Superenrollamiento Tipo 1 del ADN Si bien el superenrollamiento es importante Tipo 2 para compactar el ADN para su empaquetamiento, las células deben modificar esta organización del ADN para llevar a cabo procesos metabólicos como replicación, transcripción, reparación, Tipo 2 división celular, etc. 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 El ADN es una molécula grande, por lo que el superenrollamiento es importante para su empaquetamiento en el núcleo (eucariotas) o en el citoplasma (procariotas) Enzimas topoisomerasas ayudan al superenrollamiento y desenrollamiento del ADN de acuerdo a las necesidades celulares