TEMA 1 COMPLETO (BIOLOGÍA MOLECULAR Y GENÓMICA) PDF
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2024
Isidoro y Gema Navarro
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This document covers the basics of genome anatomy, including DNA structure, differences between DNA and RNA, the role of bases, and examples like the Avery-MacLeod-McCarty and Hershey-Chase experiments. It also explains the composition and differences of nucleotides in DNA and RNA. The molecular details of various bases are explained for both DNA and RNA.
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BIOLOGÍA MOLECULAR Y GENÓMICA 2024-2025 Isidoro y Gema Navarro TEMA 1: ANATOMIA DEL GENOMA 1.1)El DNA como material genético - Contiene la información genética en la mayoría de los seres vi...
BIOLOGÍA MOLECULAR Y GENÓMICA 2024-2025 Isidoro y Gema Navarro TEMA 1: ANATOMIA DEL GENOMA 1.1)El DNA como material genético - Contiene la información genética en la mayoría de los seres vivos - Conserva y transmite la información genética - Se organiza en forma de cromosomas ADN → Cromosomas → Genoma ➔ ¿Qué es un gen? Unidad funcionaldelgenomaquecontienelainformaciónnecesariaparaproducir:una molécula de ARN o una cadena polipeptídica funcional Evidencias que el ADN contiene la información genética Experimento de Avery-Macleod-McCarty Lascepasinocuasdeneumococoestudiadaspor Griffith se transformaban en patógenas al adquirir la molécula de ADN y no proteínas, como se creyó en un principio. Se trató con desoxirribonucleasas Conclusión: descubrimiento de que el principio transformante era el ADN Experimento de Hershey-Chase Utilizandobacteriófagos(virusqueinfectanbacterias)marcadosconisótopos radioactivos, demostraron que cuando un virus infecta a una bacteria, solamente penetra el ADN viral Conclusión: ADN contiene la información genética para la síntesis de nuevos viriones y por tanto, responsable de la transmisión genética 2 BIOLOGÍA MOLECULAR Y GENÓMICA 2024-2025 Isidoro y Gema Navarro ➔ Contenido de ADN de algunos seres vivos y genomas de organismos → Cuanto más complejo es el organismo, más genoma tiene; pero, no incrementa el nº de genes/ cromosomas respecto al genoma. → A más complejidad del individuo = aumento del ADN que se transcribe → No hay relación directa entre el nº de cromosoma de un organismo y su contenido de ADN Virus más tamaño = más ADN → → no del todo proporcionado Procariotas → 1 cromosoma Eucariotas a más bases = más complejidad → → nº de cromosomas variable ➔ Composición de ácidos nucléicos (ADN y ARN) Ácidos nucleicos → Polímeros lineales de nucleótidos Nucleótido Una pentosa + un fosfato + una base → nitrogenada → Proporcional al nº de fosfatos que tenga Nucleósido Unión de una molécula de azúcar a una → base nitrogenada ➔ Diferencias entre la timina y el uracil Timina Uracil Tiene un metil → No tiene un metil → → Se encuentra en la cadena de ADN → Se encuentra en la cadena de ARN → Se obtiene añadiendo un grupo metil a la → Se obtiene a partir de la desaminación de la citosina citosina → Ayuda a controlar y remediar las mutaciones → Si estuviera en la cadena de ADN, dificultaría en la célula el control de las mutaciones y no podrían ser reparadas 3 BIOLOGÍA MOLECULAR Y GENÓMICA 2024-2025 Isidoro y Gema Navarro → Los fosfatos a pH fisiológico son responsables de la carga negativa de los ácidos nucleicos Nucleótidos trifosfatos (NTPs y dNTPs) oléculas precursoras en la síntesis de ácidos M nucleicos Nucleótidos monofosfatos ( NMPs y dNMPs) onómeros constituyentes de los ácidos M nucleicos → La unión de 2 ácidos nucléicos recibe el nombre de unión fosfodiester → Si la cadena crece siempre lo hará por el C3’, nunca por el C5’ ➔ Moléculas de azúcar de los ácidos nucleicos: 2 tipos de pentosas ADN ARN → Desoxirribosa (2’- desoxi -D-ribosa) → Ribosa (D-Ribosa) → Sin grupo hidroxil Ciclo en forma de furanosa → → Sus carbonos son impares ➔ Estructura de los nucleótidos: tipos de bases nitrogenadas Las moléculas de azúcar realizan una función estructural y las bases nos proporcionan información. Por tanto, las bases son las que se describen normalmente porque es la secuencia más importante del ADN. Pirimidinas Purinas Tiene forma de hexano → Tienen un doble ciclo → → Las bases derivadas reciben el nombre de → Las bases derivadas reciben el nombre de “bases pirimidínicas” “bases púricas” → Bases de mayor tamaño → Bases de menor tamaño → Anillo fonamental: anillo de 6C con dos N → Anillo fonamental: anillo de 5C o 6C, con 4N dentro, moléculas planas e hidrofóbicas dentro 4 BIOLOGÍA MOLECULAR Y GENÓMICA 2024-2025 Isidoro y Gema Navarro ➔ Conformación del enlace N-β-glicosídico → Se forma entre la pentosa y la base nitrogenada → Tiene la capacidad de rotar → Son heterociclos →Presenta2conformaciones:syn-yanti-.Laanti-eslamásestableporqueevitalatensiónestérica con la molécula de azúcar Pirimidinas Purinas Presentan:anti- → Presentan:syn-yanti- → → no hay conformaciónsyn-por la repulsión que → Rota el N 9’ se crea con el grupo ceto( tiene 2 O muy cerca) → Rota el N 1’ ➔ Bases nitrogenadas de los ácidos nucleicos: purinas y pirimidinas ADN ARN Purinas Adenina(A) Guanina(G) Purinas Adenina(A) Guanina(G) Pirimidinas Citosina(C) Timina(T) Piriminas Citosina(C) Uracilo (U) → La adenina y la guanina, tienen grupos aminos adicionales y (laadenina)grupoceto adicional, para poder diferenciarlas → La citosina,latiminayeluracilo,tienenencomún el grupo ceto en posición adyacente al N1’ al que se unirá. Para diferenciarlos, nos fijamos que la citosina tiene un grupo amino( que puede desaminar y es la única) 5 BIOLOGÍA MOLECULAR Y GENÓMICA 2024-2025 Isidoro y Gema Navarro ➔ Nucleótidos de los ácidos nucleicos ADN Desoxiadenilato Desoxiguanilato Desoxitimidilato Desoxicitidilato ARN Adenilato Guanilato Uridilato Citidilato ➔ Bases modificadas que se encuentran en el ADN →Lasbasesmodificadasqueaparecenmayormentesonlasformasmetiladas.Sebasanenlaadición de un metilo a una base nitrogenada y provoca un cambio en la expresión de un gen →Modificacionesqueseutilizancomomecanismoderegulaciónyenlaepigenéticaqueeselcambiode estructura del genoma sin cambiar las bases nitrogenadas → Solamente se añaden metilos en zonas concretas 5 - metilcitidina N-6- metiladenosina 6 BIOLOGÍA MOLECULAR Y GENÓMICA 2024-2025 Isidoro y Gema Navarro N-2- metilguanosina 5-Hidroximetilcitidina ➔ Bases modificadas que se encuentran en el ARNt Inosina Pseudouridina Única en tener un grupo ceto → Tiene 2 grupos cetos → → Se obtiene por desaminación de la adenina → Se obtiene por desaminación de la guanina → Su ribosa se encuentra en el C5’ 7-Metilguanosina 4-Tiouridina →Es una versión metilada de la guanosina → Tiene un grupo tiol ➔ Aparición de mutaciones espontáneas por desaminación de bases →Se produce por el cambio de una base nitrogenada por otra → Causas: agentes químicos, radiaciones, ambiente y espontáneamente (ej.: desaminación) →Lacitosina,laguaninaylaadeninasepuedendesaminarydanlugarabasesquenoseencuentran en el ADN, lo que permite su corrección 7 BIOLOGÍA MOLECULAR Y GENÓMICA 2024-2025 Isidoro y Gema Navarro Lacitosinaa causa de la desaminación puede → transformarse enuracilo → Hay mecanismos para corregir este cambio, se elimina el uracilo → muy frecuente La5-metilcitosinase transforma entiminapor → la desaminación →Se ha de corregir antes de la replicación para evitar que las células hijas presenten está mutación Laadeninapuede pasar a serhipoxantina → → Esta mutación puede estar controlada Laguaninase desamina axantina → → Es una mutación fácil de detectar y eliminar ➔ Análogos de bases o nucleósidos como agentes terapéuticos → Los análogos son moléculas muy parecidas a nucleósidos, que pueden ser utilizados con fines terapéuticos. →Lasbasesnitrogenadaspuedenmodificarseparalucharcontraalgunasenfermedades,enlasquese ha de detener la replicación, o para tratamientos de inmunosupresores. Tratamiento de la leucemia aguda Tratamiento herpesvirus 8 BIOLOGÍA MOLECULAR Y GENÓMICA 2024-2025 Isidoro y Gema Navarro Inmunosupresores Tratamiento del VIH ➔ Propiedad fisicoquçimica de las bases → Son bases débiles (pka:9-10) →Son moléculas planas o casi planas →Absorben la luz UV (260nm) →Son hidrofóbicas y relativamente insolubles en agua a pH fisiológico,apesardequelosoxígenosylosnitrógenospuedan formar enlaces de hidrógeno. → Presentan tautomeria. (ejemplo: la foto) 9 BIOLOGÍA MOLECULAR Y GENÓMICA 2024-2025 Isidoro y Gema Navarro 1.4)La doble hélice. Superenrollamiento del DNA. Topoisomerasas E structura primaria de los ácidos nucleicos:polinucleótidos y enlace fosfodiéster → Los ácidos nucleicos son cadenas largas formadas por nucleótidos unidos covalentemente (enlaces 3’-5’ fosfodiéster) de forma lineal → La estructura primaria de los ácidos nucleicos es la secuencia de nucleótidos →Elesqueletolinealconstante(pentosasyfosfatosquesealternanenla cadena), realizan una función estructural → La secuencia de bases púricas y pirimidínicas, variables (unidas a intervalos regulares al esqueleto lineal) codifica la información genética Reglas de emparejamiento de bases: Reglas de Chargaff La composición de bases del DNA es característica de cada especie → →ElDNAaisladodetejidosdiferentesprocedentesdelamismaespecie, tiene la misma composición de bases → La composición de bases del DNA de una especies no cambia conlaedaddelorganismo,estado nutricional o los cambios ambientales →EnlamayoríadelosDNAs,elcontenidodepurinasesaproximadamenteigualaldelaspirimidinas: (A+G)/(T+C)≃1 → Lo que permite deducir que el DNA es bicatenario Estructura secundaria del DNA Primer nivel de estructura tridimensional que adoptan las cadenas del DNA → → El DNA es polimórfico → Modelos estructurales secundarios: B-DNA (doble hélice de Watson y Crick,1953) A-DNA Z-DNA Estructura de tenedor y cruciforme H-DNA (triple hélice de Hoogsten) 10 BIOLOGÍA MOLECULAR Y GENÓMICA 2024-2025 Isidoro y Gema Navarro B-DNA Formado por2 cadenas antiparalelas de polinucleótidos. → → Son cadenas complementarias que interaccionan por puentes de hidrógenoentre parejas de bases. →Lasinteraccionestienenlugarentrepurinas(AyG) ypirimidinas(T y C). →Las 2 cadenas forman unadoble hélice dextrógira. → Las bases, orientadas hacia el interior de la hélice, se disponen casi perpendicularmente al eje longitudinal de la estructura y se apilan paralelamente entre sí. → Los esqueletos lineales de las cadenas se sitúan en el exterior de la hélice. → El modelo B-ADN tiene aprox. 10pB/vuelta de hélice (36 Å), que son 10,5 pb/vuelta en solución. → Se estabiliza principalmente por puentes de hidrógeno entre parejas de bases complementarias → Es unadoble hélice asimétrica: tiene unsurco mayory unsurco menor Surco mayor y surco menor: →Laformacióndeunenlacedehidrógenorequierequelosátomosimplicadossesitúensobreunalínea casi recta (casi formando un plano) → Los enlaces N-β-glicosídicos no se disponen totalmente perpendiculares al eje longitudinal de la hélice →SegenerandosángulosdiferentesentrelosenlacesN-β-glicosídicoscomplementarios(unos120ºpor un lado y unos 240º por el otro) → Al formarse la doble hélice, el ángulo de 120º genera un surco menor y el de 240º, un surco mayor. →LasproteínasdeuniónalADNinteraccionanespecíficamenteconelsurcomayor,quecontienemás grupos expuestos (donadores y aceptores de hidrógeno, y superficies hidrofóbicas- grupos metilo e hidrógenos no polares-) → El código de los grupos expuestos en el surco mayor permite el reconocimiento específico por parte de proteínas interaccionando con el ADNsinquesea necesario abrir la doble hélice. G≡C AADH C≡G HDAA A≡T ADAM T≡A MADA Lasbasesnitrogenadasdecadaparejadebasesenfrentadaspuedenhacerunciertogirohelicoidal. → Como a consecuencia los surcos mayores y menos pueden variar localmente 11 BIOLOGÍA MOLECULAR Y GENÓMICA 2024-2025 Isidoro y Gema Navarro Otras estructuras secundaria del ADN A-DNA Z-DNA Forma favorecida in vitro por deshidratación → Forma favorecida in vitro a otras → porque no puede acomodar una molécula de concentraciones de Na+. agua en su surco menor como la estructura B → Doble hélice más fina y larga, con 12 pb por → Doble hélice más compacta, corta y gruesa, vuelta. con 11 pb por vuelta. → Plegamiento en zig-zag de esqueleto → Dextrógira. covalente. → En híbridos ADN-ARN; en plegamientos → Levógira. secundarios ARN-ARN. → En secuencias cortas donde se alternan → Las bases además se disponen de forma pirimidinas (en conformación anti) y purinas (en inclinada. conformación syn),especialmenteC,o5-metil-C, → El surco mayor es más profundo y estrecho y G. que en la forma B, y el surco menor es más → Más laxa. amplio y superficial → Más compacta → Conformación anti B-DNA A-DNA Z-DNA 12 BIOLOGÍA MOLECULAR Y GENÓMICA 2024-2025 Isidoro y Gema Navarro V ariaciones estructurales en algunas secuencias de ADN: repeticiones invertidas (palíndromos) y repeticiones especulares Palíndromo Repetición especular Hairpin Repetición invertida a la → → Repetición invertida en la Las repeticiones invertidas de → cadena complementaria. misma cadena. palíndromos puede formar → Los que generan estructura en “tenedor” (hairpin) y estructuras cruciformes. autocomplementarias dentro delamismacadena,pueden actuar como señales de reconocimiento de proteínas reguladoras de la expresión génica. V ariaciones estructurales del ADN: los emparejamientos de Hoogsteen permiten la formación de triple hélice de ADN (H-ADN) H-DNA 3 cadenas de DNA que forman una triple → hélice. →Seformaenregionesconsólopurinas(GyA) o pirimidinas (C y T) en una cadena. →Laformacióndelaestructuraestáfavorecidain vitroenmedioácidoquepromuevelaprotonación de las citoquinas. → In vivolacadenasencillapuedeinteracciones con proteínas. → La estructura se estabiliza por enlaces de Hoogsteen cuando se abre y emparejando A-G con C-T. → La cadenadesparejadaformaunaespeciede bucle que puede interaccionar con proteínas. → Los enlaces de Hoogsteen permiten la formación de estructuras de DNA de 3 y 4 cadenas, como en el casoentreguanosinasque se puede formar un tetraplex paralelo o antiparalelo 13 BIOLOGÍA MOLECULAR Y GENÓMICA 2024-2025 Isidoro y Gema Navarro Estructuras secundarias de ARN Hay diferentes estructuras para el RNA y resulta la combinación de estructuras secundarias → estabilizadas por enlaces de H, por efecto hidrófobo y por interacciones de apilamientos de bases. LaestabilidaddelasestructurassecundariasdelRNAestáfavorecidaportetraenlaces(tretaloops) → formados por la secuencia UUCG(frecuentementeenlosextremosdelos“hairpin”)ylaformaciónde pseudonudos (pseudoknots)entre secuencia complementariasno contínuas. Estructura tridimensional del ARN La estructura tridimensional de la fenilalanina-tRNA de las levaduras, presenta emparejamientos poco → frecuentes Propiedades fisicoquímicas de los ácidos nucleicos Lascadenasde los ácidos nucleicos sonhidrofílicas,pero elinteriorde lacadenaeshidrofóbica → → Son ácidos con muchascargas negativas a pH fisiológico →apHneutroytemperaturaambiente,lassolucionesdeDNAsonmuyviscosas;sonmoléculasmuy rígidas y muy largas respecto a su diámetro → Absorben la luz UV (260 nm) → Son químicamentemuy estables, principalmente enel DNA → Presentanhidrólisis química: ○ LosenlacesfosfodiésteryglicosídicosdelDNAyRNAsehidrolizanportratamientos conácidos fuertes ○ Losácidos débileshidrolizan únicamente losenlacesglucosídicos ○ Lahidrólisis alcalinarompe losenlaces fosfodiésterdel RNA, pero no los del DNA 14 BIOLOGÍA MOLECULAR Y GENÓMICA 2024-2025 Isidoro y Gema Navarro Hidrólisis de los enlaces fosfodiester del ARN mediadas por OH- → El RNA es más reactivo que el DNA porque tiene hidroxilos libres en los carbonos 2’. → En un medio básico se hidrolizan los enlaces fosfodiéster del RNA. Desnaturalización y renaturalización ( hibridación) del ADN LahibridacióndelDNAesunprocesoreversible,silascondicionesque → han hechoqueelDNAsedesnaturalizaoseelimine,yvuelvaalaforma inicial de doble hélice La desnaturalización se puede producir a causadelatemperatura,el → tratamiento con agentes químicos desnaturalizantes o por soluciones alcalinas Desnaturalización térmica del ADN ₘ →Temperaturadefusión(t )delDNA,eslatemperaturaa la que el 50% de la molécula está desnaturalizada. ₘ deundúplexseincrementaproporcionalmenteasu →Lat c ontenido en emparejamientos G≡C, por la formación de 3 puentes de hidrógeno. Un aumento de temperatura provocaría la → desnaturalización porque se romperían los puentes de hidrógeno formados. A más longitud decadena,mayorserálatemperaturade → fusión porque tendrá más bases 15 BIOLOGÍA MOLECULAR Y GENÓMICA 2024-2025 Isidoro y Gema Navarro Absorción de la luz → El DNA de cadena sencilla absorbe la luz más eficazmente que el DNA de cadena doble. → La parte que absorbe la luz de la cadena son las bases nitrogenadas. La absorbancia se ve afectada por la temperatura porque provoca que cambie la cantidad de → nucleótidos mediante los procesos de naturalización-desnaturalización. Efecto hipocrómico Efecto hipercrómico Disminución de absorbancia producida en la → → Aumentos de la absorbancia producida en la formación del dúplex de DNA desnaturalización del DNA Hibridación del DNA ElgradodehibridacióndelDNAseutilizapara → comparar similitudes entre especies diferentes AmáscercanasseanlasmuestrasdeDNAde → las especies, más grande será el grado de complementariedad. Ej: Obtenemos una muestra deDNAhumano → (1) y una muestra de DNA de un simio (2), se formarán cadenas bicatenarias híbridas entrelas dos muestras dentro de la muestra después de mezclarla y enfriar. Su grado de hibridación nos indicará que las cadenas híbridas son estables porque tienen un grado elevado de similitud. 16 BIOLOGÍA MOLECULAR Y GENÓMICA 2024-2025 Isidoro y Gema Navarro Los agentes desnaturalizantes in vitro ( en laboratorio), eliminan estructuras secundarias 1) Temperatura 2) Soluciones 3) T ratamientos con agentes químicos desnaturalizantes 95-100ºC para el DNA → Soluciones alcalinas (diluidas → → Urea → 60-65ºC para el RNA de NaOH, pH=11) para el DNA → Formamida → Formaldehído T opología del ADN: superenrollamiento de la doble hélice sobre sí misma formando una superhélice → Para replicar o expresar genes la cadena de DNA se ha de desbridar. → Esta desbridación es una deformación en el espacio, temporal y reversible. → Para ser funcional ha de desenvolverse. →CuandolacadenadeDNApresentaunadesbridaciónenunaparte,enotra,alamismavez,seestará formando un superenrollamiento. → Los superenrollamientos pueden ser de 2 tipos: Plectonémicas Solenoidales Ambas estructuras son muy frecuentes e interconvertibles entre ellas. → →LatensiónestructuraldeladoblehélicedelDNAgenerasuperenrollamientosenformasolenoidalo plectonémica. → La forma solenoidal permite una mayor compactación del DNA. ADN plasmídico relajado y superenrollado ➔ ¿Qué son los plásmidos? oléculas pequeñas de DNA circular cerrada de M doblecadenaqueestánenelcitoplasmademuchas bacterias. → No dependen de la secuencia 1ria del DNA → Tiene un DNA muy largo con tendencia a estar superenrollada. (900/1000 superenrolladas) → Cuando no está superenrollada,sedicequeestá relajado;pero,cuandoestásuperenrollado,recibeel nombre de“supercoil”. 17 BIOLOGÍA MOLECULAR Y GENÓMICA 2024-2025 Isidoro y Gema Navarro Superenrollamiento del ADN → Por convenio, el superenrollamiento puede ser: P ositivo: si la doble hélicetienemásvueltasque elmodelorelajadoylasuperhéliceeslevógira(en sentido contrario). Negativo: si la doble hélice tiene menos vueltas que el modelo relajado (DNA desenrollado) y la super hélice es dextrógira (en el mismo sentido). En los seres vivos las vueltas super helicoidales son → negativas porque la doble hélice del DNA está parcialmente desenrollada. → Siempre habrá partes que estén desbridando. →TienemenosvueltasqueelmodelorelajadodeWatson y Crick. → Tiene más de 10,4pb/ vuelta. →EnunDNAcircularcerradosegenerasuperenrollamientosisufrede tensión estructural: Si se reduce el nº de vueltas de ladoblehélicedelB-DNA,a causa de un desenrollamiento en una parte de la molécula → superenrollamiento negativo. Si aumenta el nº de vueltas de la doble hélice del B-DNA, a causa del enrollamiento→superenrollamiento positivo. ➔ Superenrollamiento negativo Tiene lugar en todos los DNA celulares. → → Está estrictamente regulado. →CompactaelDNA,perofacilita.laseparacióndelascadenasdurante la replicación y la transcripción, porque la doble hélice está un poco más enrollada. Propiedades topológicas del ADN úmero de enlace N º de veces que 2 cadenas del n Lk=Tw+Wr (Linking number) DNA se cruzan Twist º de giros de las cadenas de la n Tw ( twist) doble hélice (enrollamiento helicoidal de las cadenas entre si). Writhe º de torsiones del eje de la n Wr ( writhe) doble hélice (nº de vueltas de las superhélice) Lk₀ º de enlace del DNA relajado n - (se toma como referencia) 18 BIOLOGÍA MOLECULAR Y GENÓMICA 2024-2025 Isidoro y Gema Navarro Diferencia de enlace ermite determinar el grado de p ΔLk = Lk - Lk₀ superenrollamiento del DNA Topoisómeros Isómero estructurales que solo se diferencia en una propiedad topológica, como el nº de enlace → topológico (Lk). →Son resultado de los diferentes grados de superenrollamiento del DNA. →SepuedentransformarentresímedianteelcortedeunaodelasdoscadenasdeDNAylaposterior unión. → Se pueden separar mediante electroforesis en gel de agarosa (el superenrollamiento condensa el DNA). Topoisomerasas Son enzimas encargadas in vivo de interconvertir los topoisómeros del DNA. → → Catalizan el cambio en el nº de enlace (Lk). → Aumentan o disminuyen el grado de enrollamiento del DNA: super enrollan o relajan. También encadenan y desencadenan moléculas de DNA circular. → Imprescindibles en la transcripción , replicación y compactación del DNA. → Funciones importantes: Enrollar y desenrollar las moléculas de DNA circular. Desenrollan los cromosomas lineales después de la replicación. Deshacen los nudos del DNA generados en algunas reacciones de recombinación. → Hay de 2 tipos: Topoisomerasa Tipo I Topoisomerasa Tipo II 1) R ompen un enlace fosfodiéster de la 1) R ompen 2 enlaces fosfodiéster de la cadena cadena. 2) Pasan una de las cadenas por la zona de 2) pasan las 2 cadenas por la zona de ruptura ruptura. 3) Vuelven a enlazarlas con ayuda de una 3) Vuelven a ligar las cadenas en 2 ligasa unidades. onclusión: Aumenta el grado de nº de vueltas, C Conclusión: por tanto, aumenta el superenrollamiento. 19 BIOLOGÍA MOLECULAR Y GENÓMICA 2024-2025 Isidoro y Gema Navarro Las topoisomerasas I y II cortan las cadenas de DNA mediante la formacióndeintermediarios → covalentes entre unresiduo de tirosinay unacadenade DNA. →Procariotasyeucariotastienenambostiposdetopoisomerasasqueeliminanelsuperenrollamiento negativo→relajan el DNA. → Lastopoisomerasas eucariotasnogeneransuperenrollamientonegativo. → E.coli tiene una topoisomerasa tipoII(DNA-girasa)queintroducesuperenrollamientonegativo→ compacta el DNA. ➔ Fármacos inhibidores Topoisomerasa I Topoisomerasa II Terapia contra el cáncer → Agentes terapéuticos. → → Utiliza derivados de unalcaloide natural → Antibióticos sintéticos derivados de quinolones. (Camptotecina),separado de la escorza de un árbol chino. Irinotecan→ Cáncer opotecan→ Cáncer T iprofloxacina→ C orfloxacino→ N colorrectal de ovarios y pulmón antibiótico de amplio infecciones urinarias espectro 20 BIOLOGÍA MOLECULAR Y GENÓMICA 2024-2025 Isidoro y Gema Navarro 1.5. Genoma procariota Los genomas procariotas y eucariotas Cuántomáscomplejoeselorganismo,elgenomaesmásgrande;pero,nohayrelaciónclara conel → nºdecromosomas.Aunqueentreprocariotaspuedehabermásomenosunarelaciónentreeltamañoyel nº de cromosomas, en los eucariotas claramente no hay. → El DNA de los eucariotas es lineal, mientras que el DNA de los procariotas es circular. → Los eucariotas son diploides → A un nivel superior en la escala evolutiva le corresponde un contenido más grande de DNA → Una gran cantidad del DNA eucariota no codifica para ningún producto génico. Hay una relación inversa entre la complejidad del organismo y la densidad génica ( nº de genes/ → tamaño del genoma). Cuanto más simple es un organismo, más densidad génica presenta. Esto se conoce como la paradoja del valor C. Tamaño del genoma de algunos eucariotas En varios organismos eucariotas (ej.: algas, plantas, protozoos,etc.)sepuedeobservarquehayun → mayor tamaño en su genoma porque han estado más tiempo en la Tierra para poderevolucionar,en comparación a otros organismos eucariotas con genomas de menor tamaño (ej.: aves, mamíferos, reptiles,etc.) 21 BIOLOGÍA MOLECULAR Y GENÓMICA 2024-2025 Isidoro y Gema Navarro El genoma procariota: compactación del DNA deEscherichia coli ElgenomaesunamoléculaúnicadeDNAmayortamaño(4.6x10⁶pb),muycompactaycondensada → en una zona central del citoplasma celular. Laestructuradelgenomaseconocecomonucleoide,esunadoblehélicecircularunidaaproteínas → formando 500 lazos o dominios de unos 10 Kb cada uno. Las proteínas son similares a las histonas (no relacionadas genéticamente) de las eucariotas, → pequeñas y generalmente básicas (HU, 19 kDa). → Esta estructura en dominios: P rotege la información genética de cualquier invasión o peligro A umenta el grado de compactación de la molécula → Son proteínas básicas (pH= 11) Las bacterias tienen plásmidos que no son → esencialesparalasupervivenciadelorganismo,perosuponeunaventajasobreotrasbacterias,porque es un DNA complementario que puede ayudar a crear una resistencia a un antibiótico. Genoma eucariota → Varía de conformación dependiendo del ciclo celular. ➔ ¿Qué es la compactación? →Es el superenrollamiento y unión a proteínas dela cromatina → El grado de compactación varía en función de las fases del ciclo celula metafase → cromosomas (máx. nivel de compactación del DNA) son visibles en el microscopio interfase → el DNA está menos condensado. → Los cromosomas y la cromatina están formados por DNA, proteínas y una pequeña porción de RNA. → Los cromosomas siempre están presentes ya sea en forma condensada o descondensada. CICLO CELULAR FASE G1 h 8 → Compactación de genes → Síntesis de estructuras → Aumento de tamaño FASE S -8h 6 → Replicación del genoma FASE G2 -4h 3 → Se produce antes de la división → Se acaban de dividir estructuras → Fase de control antes de la mitosis 22 BIOLOGÍA MOLECULAR Y GENÓMICA 2024-2025 Isidoro y Gema Navarro MITOSIS PROFASE METAFASE ANAPHASE TELOFASE FASE G0 Condensación del DNA 1) A l nivel más simple, la cromatina es 2) E l DNA comienza a compactarse una cadena doblehelicoidalqueforma dando vueltas por las histonas para el DNA. formar nucleosomas. 3) C ada nucleosoma consiste en 8 4) D espués se forma el cromatosoma histonasproteícasenlascuáleselDNA queconsisteenunnucleosomaalque se enrolla 1,7 ≃2 veces. se le une una histona de tipo H1. 5) L os nucleosomas se enrollan hasta 6) L a fibra de 30nm poco a poco irá formar una fibra de 30nm de DNA. formando bucles de aprox. 300 nm de largo. 23 BIOLOGÍA MOLECULAR Y GENÓMICA 2024-2025 Isidoro y Gema Navarro 7) L as fibras de 300 nm se comprimen y 8) E l superenrollamientodelasfibrasde doblan para producir las fibras de 250 250 nm producirá la cromátida delos nm de ancho. cromosomas. Grados de compactación de la cromatina Eucromatina Heterocromatina Grado de compactación → → Grado de compactación alto bajo → Visible al microscopio óptico → No visible al microscopio → No activa transcripcionalmente óptico →ElDNAsepuedereplicary onstitutiva C Facultativa transcribir, es accesible → Siempre al máx. nivel de No siempre está compactada → compactación → Puede haber transcripción, → Inactiva Transcripcionalmente dependerá de las condiciones del tejido ej: telómeros y centrómeros Histonas ➔ ¿Qué son las histonas? Principales proteínas, muyconservadasevolutivamente,queconstituyenlacromatinadelascélulas → eucariotas. Se caracterizan por ser pequeñas,básicasycargadaspositivamente(apHfisiológico)que interaccionaelectrostáticamenteconlosfosfatosdelDNA.TambiénpresentaunaltocontenidoenLysy Arg. → Ayudan a compactar el DNA Según la fase del ciclo celular sufren modificaciones químicas que alterarán la carga eléctrica y → regularán el grado de condensación del DNA y la transcripción. E n las puntas presentan grupos amino terminales enlosqueseproduciránlasmodificaciones químicas,queafectaránalacondensaciónydescondensaciónparapodercontinuaronoconla replicación. Hay 5 tipos de histonas: H1, H2A, H2B, H3, H4.Las dos últimas están muyconservada,novarían → prácticamente entre especies 24 BIOLOGÍA MOLECULAR Y GENÓMICA 2024-2025 Isidoro y Gema Navarro Nucleosoma ➔ ¿Qué es un nucleosoma? → Son complejos formados por la asociación de histonas con DNA. Está formado por un núcleo proteico (octámero de histonas centrales formado por 2 → moléculasdelostiposH2A,H2B,H3,H4),sobreelcuálseenrollaráelDNA,yporlahistonaH1 (histonadeunión)queinteraccionaconelDNAadyacentealnucleosoma;pero,noformaparte del octámero. → Un nucleosoma mide aprox. 10 nm. Estructura del genoma eucariota: fibra de 10nm → Son las fibras que forman los nucleosomas (conectados entre sí por fragmentos de DNA). → Proporcionan un empaquetamiento del DNA 6 veces superior al de la doble hélice → Hay 1 nucleosoma por cada aprox. 200pb. Podemos distinguir: DNA núcleo(core) DNA nexo(linker) 146-147 pb → Longitud variable (20-60 → → superenrollado negativamente pb) → 1,7 vueltas al octámero de → Conecta los nucleosomas histonas →Favoreceelsiguientenivel estructural (10 nm → 20 nm →30 nm) Estructura del genoma eucariota: fibra de 30 nm → La fibra de 10nm se enrolla sobre sí misma con la intervención de la Histona 1 (H1). → El grado de empaquetamiento es de unas 40-100 veces respecto a la de la doble hélice. Sehanpropuestodiversosmodelosparaexplicarcómoseasocianlosnucleosomasenlafibrade30 → nm: el modelo solenoide y el modelo zig-zag. LascolasN-terminalesdelashistonasdeloctámeroseposicionanhaciaelexteriorysonnecesarias → para la formación de la fibra de 30nm. Las colas N-terminales de las histonas del octámero pueden ser modificadas → químicamente, desestabilizando la fibra de 30 nm y permite la transcripción génica. 25 BIOLOGÍA MOLECULAR Y GENÓMICA 2024-2025 Isidoro y Gema Navarro Modificación de histonas por acetilación → La acetilación actua sobre lasLys HISTONAS NO ACETILADAS HISTONAS ACETILADAS pHfisiológico,losgruposaminoprimariosdela A a acetilación de las Lys producegruposamida, L cadena lateral de la Lys están protonados.La quenoseprotonanapHfisiológico.Lashistonas existenciademúltiplesLysyArgencadahistonas pierden así cargas positivas. Como les confiere fuerte carga positiva, base de su consecuencia,la cromatina se descondensa más interacción con el DNA. fácilmente. Bajo grado de acetilación. → Alto grado de acetilación → → Cromatina más → Cromatina menos condensada, condensada, transcripcionalmente inactiva. transcripcionalmente activa. → Genes reprimidos, no se → Genes activos, se expresan expresan. ➔ ¿Qué es la epigenética? Estudiodelasmodificacionesquímicasdelacromatina(metilacióndelDNA,modificacióndehistonas) → yregulacióndelaexpresióngénicamedianteRNAsdeinterferenciaquesetransmitenaladescendencia sin alterarlaestructuraprimariadelDNA(secuenciadenucleótidos)yquepuedenafectarlaexpresión de genes, el desarrollo, la predisposición a sufrir enfermedades,etc. Además promueve la diversidad morfológica y funcional de células que tienen el mismo genoma. Factores epigenéticos → Los cambios epigenéticos presentan estabilidad meiótica ej: Una abuela fumadora transmite a sus nietos predisposición al asma bronquial. Lascircunstanciavitalesde2generacionesanteriores(dieta,entornodondecrece,enfermedadesque → padecen,etc.) pueden afectar a los descendientes. 26 BIOLOGÍA MOLECULAR Y GENÓMICA 2024-2025 Isidoro y Gema Navarro Niveles superiores de compactación de la cromatina Durante la interfase las fibras de 30 nm parecen formar lazos o bucles (20-100 kb) y → superenrollamientos ligados a una matriz proteica no histona (esqueleto nuclear o cromosómico) Esta estructura compacta más el DNA y parece que permite distribuir a los genes en unidades → transcripcionales, ayudando a clasificar y ordenar la información genética. El DNA en las regiones del cromosoma queseestánreplicandootranscribiendosepresentapoco → (fibra de 10 nm) o nulamente (DNA nulo) compactado Cromosoma X heterocromático en mamíferos Enlosmamíferos,paraigualarelniveldeexpresióndelosgenesdelcromosomaXenlosdossexos, → uno de los dos cromosomas X femeninos es inactivo: está totalmente condensado en forma de heterocromatina(facultativa).CorpúsculodeBarr:seanula1delosdoscromosoma♀,paraserigual de funcional que los XY de los ♂. → El cromosoma Y tiene pocos genes y solo son necesarios para masculinizar al individuo. En las moscas no existen los corpúsculos de Barr, sino que el macho para compensar super → desarrolla el cromosoma Y En los nemátodos,tampocohaycorpúsculosdeBarr,peroloscromosomasXXdelahembranose → expresan totalmente. 27 BIOLOGÍA MOLECULAR Y GENÓMICA 2024-2025 Isidoro y Gema Navarro Cromosoma metafásico (forma condensada del cromosoma) Durante la metafase, el DNA que ya se ha replicado se condensa en → heterocromatina adquiriendo el aspecto típico de los cromosomas visible al microscopio óptico. → Cada cromosoma presenta 2 estructuras en forma de bastón, las cromátidas. → Cada cromátida es una fibra de heterocromatina superenrollada. → El cromosoma: 1. Compacta el DNA. 2. Estabiliza las moléculas de DNA y las protege del entorno celular. 3. P ermitelatransferenciaseguraalascélulashijasdetodalainformación codificada. 4. O rganiza la información contenida en el DNA, facilitando la expresión génica. Centrómeros y telómeros Telómeros Centromeros Secuencias de los extremos de los → → Lugardeunióndelcromosomaalasfibrasdel cromosomasasociadosaproteínasqueparticipan huso mitótico. Lugar de unión de las cromátidas en la estabilidad y el mantenimiento de la hermanas. integridad estructural. Aseguran la replicación completa de los extremos de los cromosomas lineales Genoma humano nuclear diploide nuclear haploide mitocondrial Células somáticas → Células sexuales → 16.5 x 10³ pb en una → → 46 cromosomas lineales (22 → 3.2 x 10⁹ pb distribuidos en molécula circular parejas de cromosomas 23 cromosomas lineales → 37 genes por moléculas (13 homólogos más loscromosoma proteínas, 22 RNAt y 2 RNAr). sexuales X e Y) → Muchas copias por célula. 28 BIOLOGÍA MOLECULAR Y GENÓMICA 2024-2025 Isidoro y Gema Navarro Mantenimiento estructural de los cromosoma: proteínas SMC Proteínas diméricas formadas por 2 monómeros que tienen la → siguiente estructura: Extremo carboxilo Extremo amino Estructura central flexible → es capaz de doblarse E ntre ambos extremos y estructura central están los dominios “coil” que permiten la interacción entre los extremos y las moléculas de ATP Hay de 2 tipos:cohesinasycondensinas.Además de la participación de lakleisinapara la hidrólisis → del ATP Proteínas SMC en eucariotas: cohesinas, condensinas y kleisina Cohesinas Condensinas Implicadas en la unión de cromátidas → → Esenciales para la condensación de los hermanasenlareplicaciónyenelmantenimiento cromosomas durante la mitosis. de la unión durante la compactación en la metafase (proceso esencial para la correcta segregación de los cromosomas en la división celular). Forma un anillo con la kleisina, quese puede expandir o contraer por hidrólisis ATP. 29 BIOLOGÍA MOLECULAR Y GENÓMICA 2024-2025 Isidoro y Gema Navarro ntes del comienzo de la replicación, las cohesinas se meten alrededor de los cromosomas cerca del A centrómero para evitar que se separen las cromátidas hermanas. Durante la fase G2, las condensinas se introducen para ayudar a condensar el DNA n la metafase, se llega al grado máximo de condensación y comenzarán a separarse las cromátidas; E por tanto, se eliminan las cohesinas y condensinas con ayuda de la enzima “separasa” para descondensar el DNA. Genomas extranuclear en mitocondrias y cloroplastos eoría endosimbiótica de Lynn Margulis→ explicación de la presencia de orgánulos con su propio T material genético dentro de la células Células eucariotas mamíferos→ bacteria aeróbica Células eucariotas vegetales→ cianobacteria fotosintética 30 BIOLOGÍA MOLECULAR Y GENÓMICA 2024-2025 Isidoro y Gema Navarro Comparación del genoma eucariota con el de E.coli E. coli Eucariotas Prácticamente la totalidad del DNA es → ElDNAtienemuchassecuenciasrepetidasyla → codificante y de copia única mayoríadeestasrepeticionesnocodificanningún → Los genes están dispuestos de manera producto génico continua.HaymuypocoDNAnocodificanteentre → La mayoría de los genes son de copia única los genes → Los genes estánseparadosunosdelosotros → Los genes son continuos, no están porlaslargassecuenciasintergénicasdeDNAno fragmentados codificante → Los genes están interrumpidos por largos fragmentos de DNA no codificante (intrones); no son continuos. Genoma procariota: muchos genes procariotas están agrupadas en operones ➔ ¿Qué son los operones? → Son agrupaciones de genes con funciones relacionadas, que es regulan y se expresan conjuntamente → Expresan un RNAm común que dará lugar a diferentes proteínas (policistrónicos). j:Eloperóndelalactosaestáformadopor3genesestructurales(Z,Y,A),ungenreguladorestructural e (i) y un promotor, encargado del control de la expresión (p). LasproteínasquecodificansuRNAm:la permeasa y la transacetilasa, participan en el metabolismo de la lactosa. TIpos funcionales de DNA en los cromosomas eucariotas → DNA codificante de proteínas y RNAs:exones, intrones, UTRs, pseudogenes. (35 %) DNAintergénico:DNArepetitivodisperso(retrotransposones,LINEs,SINEsyLTRs,ytransposones → de DNA) y DNA repetitivo agrupado y otro (satélites, microsatélites y minisatélites). (65 %) 31 BIOLOGÍA MOLECULAR Y GENÓMICA 2024-2025 Isidoro y Gema Navarro ➔ P seudogenes: tiene aspecto de gen pero no codifica. Son registros de la evolución antes podrían haber sido funcionales, pero ya no. ➔ Microsatélites:se encuentran en los centrómeros y telómeros. ➔ L INEs, LTRs SINEs y DNA transposones: son elementos móviles que pueden cambiar de lugar. Características de los genes En los genes (eucariota y procariotas distinguimos: - Una secuencia estructural -> que se transcribe y codifica por RNAs o proteínas - Unas secuencias reguladoras-> controlan la transcripción de las secuencias estructurales Los genes eucariotas son genes fragmentados por: - exones:secuenciascodificantesdelgen(50-200pb)queseencuentranenelRNAMmaduro— NA codificante D - intrones: secuencias no codificantes del gen de tamaño variable (0,5-5 Kb) que no se ncuentran en el RNAm maduro — DNA no codificante. e 32 BIOLOGÍA MOLECULAR Y GENÓMICA 2024-2025 Isidoro y Gema Navarro Genoma: DNA codificante - Cadena codificante con sentido - Cadena no codificante (molde) de la transcripción - Se enumera la cadena codificante del gen a partir del extremo 5’. El nucleótido 1 es el 1r ucleótido que se transcribe. n - La secuencia de nucleótidos del DNA no se alinean con la del RNA maduro ni con los aa : xisten secuencias transcritas, pero no traducidas, los intrones. e Genes eucariota Secuencias que codifican por un producto génico: todos los tipos de RNAs y de proteínas del organismo Tienen una localización determinada en los cromosomas. En el genoma haploide encontramos: - Genes de copia única:no repetidos que codifican por la mayoría de la proteínas - enes moderadamente repetidos (familias génicas clásicas) :que codifican por a RNAs G (RNAt, RNAr) y algunas proteínas (histonas) - Familias multigénicas Genes multicopia codificantes: familia génica clásica Los genes de algunos RNAs (RNAr, RNAt) y de algunas proteínas (histonas) están agrupados en → unidades de repetición ( aprox. 5,8 Kb para las histonas), dispuestas en tándem. → Todos los genes son funcionales. Se expresan todas las repeticiones con RNAm independientes. Codifican productos que se necesitan en mucha cantidad y que se han de sintetizar rápidamente en → un determinado momento del ciclo celular. 33 BIOLOGÍA MOLECULAR Y GENÓMICA 2024-2025 Isidoro y Gema Navarro Familias multigénicas Conjunto de genes relacionadosevolutivayfuncionalmente.Codificanparaproteínasconfunciones → relacionadas y se disponen agrupados frecuentemente en la misma región del cromosoma (cluster). Ej.: hemoglobina. Siendo genes funcionales, no se expresan todos al mismo tiempo, sino → alternativamente en diferentes estados de desarrollo. La presencia de pseudogenes en las familias multigénicas es el resultado de cómo se han → originado, a partir de un gen ancestral por procesos de replicación-mutación-selección. Hemoglobina en humanos Embrión (saco vitelino) Feto (hígado y melsa) Adulto (médula ósea) Hb G ower I (mayoritaria Hb F (mayoritaria H b A (mayoritariaα₂β₂) ζ₂ε₂) α₂γ₂) Hb A2 (minoritariaα₂δ₂) Hb Gower II (α₂ε₂) Hb Portland I (ζ₂γ₂) Hb Portland II (ζ₂β₂) Polimorfismo génico → Variante genética común en la población, estable y heredable → Un locus es polimórfico cuando la variabilidad afecta a más de 1% de la población El 75%delgenomacodificanteesmonomórfico:genesúnicossinvariabilidadentreindividuos,que → definen la especie y sus características morfológicas. El resto, 25%, es polimórfico. → El polimorfismo puede tener o no efectos fenotípicos. 34 BIOLOGÍA MOLECULAR Y GENÓMICA 2024-2025 Isidoro y Gema Navarro → El polimorfismo con efecto fenotípico puede ser: Fisiológico → Tamaño, color de ojos, grupo sanguíneo. Susceptible a enfermedades Cáncer, Alzheimer, enfermedades → metabólicas,etc. Predisposición a partir de adicciones o → A fármacos, drogas, alcohol, tabaco. dependencias Pseudogenes procesados CopiasdeDNAapartirdeRNAsmaduros,sintetizadosportranscripción → inversa (transcriptasa inversa), que se han integrado en el genoma. Son genes silenciosos que no se pueden expresar porque no tienen → regiones promotores funcionales (región de control de la expresión). Transcriptasa inversa: una polimerasa de DNA con molde de RNA EsunapolimerasadeDNAqueutilizaRNAconmolde.Latranscriptasainversa → está presente en: Retrovirus Retrotransposones LTR Telomerasa DNA repetitivo →DNA disperso:por todo el genoma siguiendo una distribución aparentemente alazar. →DNA agrupado:son repeticiones de unidades dispuestas en tándem/ grupo: DNA satélite DNA minisatélite y microsatélite Repetición de unidades altamente repetitivas → → Muy polimórfico (centenares de miles pb) agrupados enregiones del genoma, con telómeros y centrómeros. → Presenta muchos cambios e n el nº de repeticiones entre individuos e incluso en la → En tándem de unidades de 5-200pb secuencia. Se utilizan como “imprentas” de DNA para → pruebas forenses y de paternidad 35 BIOLOGÍA MOLECULAR Y GENÓMICA 2024-2025 Isidoro y Gema Navarro Minisatélite Microsatélite Repeticionesentándemdeunidaddehasta25 → → Repeticionesentándemdeunidadesdehasta pb que ocupan hasta 20 kb 13 pb que ocupan hasta 125 pb. Muchos microsatélites tienen grande → polimorfismo entre individuos de una especie e incluso entre loslos2cromosomahomólogosde un individuo. DNA disperso repetitivo: “genes accesorios” Sonsecuenciasmoderadamenterepetidas(2-100.000)ydispersasenelgenomaqueaparentemente → no tienen funciones claras para el organismo. SongenesintegradosenelgenomaportransposiciónapartirdeunacopiadeRNAportranscripción → inversa: Pseudogene procesados Elementos móviles oTRANSPOSONES. ○ Retrotransposones LINEs ○ Retrotransposones SINEs ○ Retrotransposones LTR (similares a retrovirus) ○ Transposones de DNA 36
