Biología Molecular Y Genómica 2024-2025 (Tema 1 II) PDF
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Isidoro y Gema Navarro
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This document covers DNA structure, including primary and secondary structure, and the role of topoisomerases. It explores the rules of base pairing and how the composition of DNA bases varies across species.
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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
