Tema 2.- El material hereditario. Estructura y organización del material hereditario en los seres vivos. Replicación de los ácidos nucleicos.

Transcripción

1 Tema 2.- El material hereditario. Estructura y organización del material hereditario en los seres vivos. Replicación de los ácidos nucleicos. ALFREDO DE BUSTOS RODRÍGUEZ 1

2 1865 Gregor Mendel 1884 Se aíslan las histonas del núcleo Kossel determina que el ADN contiene bases nitrogenadas 1910 Phoebus Levene propone la teoría del tetranucleótido 1927 Griffith sienta las bases para la caracterización del material hereditario 1944 Avery, MacLeod y McCarthy demuestran que el ADN es el principio transformación 1952 Hershey y Chase demuestran que el ADN es el material genético de los fagos Se reconoce que el núcleo es la base física de la herencia 1869 Friedrich Miescher descubre la nucleína (ADN) en los núcleos de los linfocitos 1900 Hugo De Vries, Carl Correns y Erich von Tschermak redescubren el trabajo de Mendel 1948 Chargaff descubre la regularidad en la proporción de bases del ADN 1950 Wilkins y Franklin estudian la estructura del ADN mediante difracción de rayos X Watson y Crick proponen un modelo de estructura secundaria del ADN 1956 Fraenkel-Conrat y Singer demuestran que algunos virus utilizan el ARN con material genético La determinación de la naturaleza del material hereditario fue un proceso largo de casi 100 años durante los cuales se fueron teniendo poco a poco los datos necesarios que concluyeron en la identificación del ADN. 2

3 Para que una molécula sea considerada como el material hereditario debe de presentar cuatro características principales: -. Sea portadora de información y de manera estable -. Sea capaz de multiplicarse, es decir, replicarse y transmitirse de células madres a hijas. -. Debe de permitir la expresión de esa información y por medios sencillos sin gran coste de energía. -. Debe de permitir una ligera variación para que se de la evolución. Todas estas características permiten que el material hereditario lleve a cabo sus dos principales funciones: -. Mantenimiento de la especie -. Evolución 3

4 Streptococcus pneumoniae Colonia lisa (IIIS) IIIS vivas (virulentas) Inyección El ratón muere Griffith (1927) Colonia rugosa (IIR) IIR vivas (no virulentas) Inyección El ratón sobrevive IIIS muertas por calor Inyección El ratón sobrevive IIR vivas y IIIS muertas por calor Inyección El ratón muere Análisis de los tejidos Se recuperan IIIS vivas 4

5 Células IIIS en medio de cultivo líquido Centrifugación Células IIIS centrifugadas en la base del tubo Muerte por calor Homogeneización de las células Recuperación del filtrado de IIIS Extracción de los carbohidratos y lípidos Tratamiento con desoxirribonucleasa Tratamiento con ribonucleasa Tratamiento con proteasa Avery, MacLeod y McCarty (1944) Células IIR + Filtrado de IIIS tratado con DNasa Ensayo de transformación Células IIR + Filtrado de IIIS tratado con RNasa Células IIR + Filtrado de IIIS tratado con Proteasa Células IIR + Filtrado de IIIS No se produce transformación Se produce transformación Se produce transformación Se produce transformación Sólo células IIR Células IIR + Células IIIS Células IIR + Células IIIS Células IIR + Células IIIS Conclusión: el ADN es el factor activo Conclusión: el ARN no es el factor activo Conclusión: las proteínas no son el factor activo Control: IIIS contiene el factor activo Células IIIS Células IIR 5

6 Estructura de los ácidos nucleicos Los ácidos nucleicos son polímeros y son el ADN (ac. desoxirribonucleico) y el ARN (ac. ribonucleico). Ambos están formados por unas unidades estructurales denominadas nucleótidos. Los nucleótidos constan de tres componentes esenciales: una base nitrogenada, un azúcar pentósido (azúcar con cinco carbonos) y un grupo fosfato. A la unión sólo de un azúcar y una base se le denomina nucleósido. Bases nitrogenadas Anillo de pirimidina Citosina (C) Uracilo (U) Timina(T) Anillo de purina Guanina (G) Adenina (A) 6

7 Azúcares pentósidos: Ribosa (en el ARN) y Desoxirribosa (en el ADN) Ribosa Desoxirribosa Enlaces entre los componentes de los nucleótidos Nucleósido Nucleótido 7

8 Unión entre dos nucleótidos Extremo 5 Enlace fosfodiéster 3-5 Extremo 3 8

9 MODELO DE WATSON Y CRICK Diámetro 1.- El ADN está formado por dos cadenas de polinucleótidos que están enrolladas alrededor de un eje central, formando una doble hélice que gira hacia la derecha (dextrógira). 2.- Las dos cadenas son antiparalelas, con orientaciones 5-3 opuestas. 3.- El esqueleto de azúcar y el grupo fosfato se sitúan hacia el exterior del eje mientras que las bases se sitúan perpendicularmente hacia el interior apiladas unas sobre otras a una distancia de 3,4Å. 4.- Las bases de las dos cadenas se aparean formando enlaces de tipo puente de hidrógeno y siempre se aparean una A con una T y una G con una C. 5.- Cada vuelta completa de hélice tiene una longitud de 34 Å, es decir, 10 nucleótidos. Vuelta completa 34Å Surco mayor Surco menor Esqueleto azúcar-fosfato Par de bases nitrogenadas 6.- La molécula de ADN tiene un surco mayor y otro menor. 7.- El diámetro es de 20 Å. Eje central 9

10 Estructura y tipos de ARN. Grupo Fosfato Base Azúcar Ribosa Tipos de ARN ARN ribosómico (ARNr) ARN de transferencia (ARNt) ARN mensajero (ARNm) 10

11 Organización del material hereditario en los seres vivos Microfotografías electrónicas del fago λ (a) y de su ADN aislado (b). El cromosoma mide 17μm de longitud mientras que la cápside tiene unos lados de menos de 0,1μm. En la fotografía, los fagos se ha aumentado cinco veces más que el ADN. El tamaño del ADN bacteriano es mucho mayor que el de la célula bacteriana y se encuentra muy plegado en una serie de bucles enrollados. 11

12 Núcleo del nucleosoma 1400 nm Cromosoma metafásico Cromátida (700 nm de diámetro) Fibra de cromatina (300 nm de diámetro) Histona H1 Solenoide (30 nm de diámetro) Dominios enrollados Histonas ADN espaciador ADN (2 nm de diámetro) Nucleosomas (disco plano de 6 nm x 11 nm) Octámero de histonas pares de bases de ADN 12

13 Replicación del ADN Es el proceso por el cual, a partir de una molécula de ADN de una célula en división se obtienen dos moléculas idénticas, cada una de las cuales se distribuye para formar las dos células hijas. División Celular Replicación Segregación cromosómica Citocinesis 13

14 Modelos de replicación Conservativa Semiconservativa Dispersa Semiconservativa: cada molécula de ADN replicada consistiría en una cadena vieja y otra nueva Conservativa: una vez sintetizadas las nuevas cadenas, estas se unirían entre si para forma una molécula mientras que las viejas se volverían a reunir para volver a formar la molécula original. Dispersa: las cadenas parentales se dispersarían entre las dos nuevas después de la replicación. 14

15 3 5 ADN polimerasa I Desoxinucleótido trifosfato (A, T, C o G) cebador 3 Molde de ADN (dnmp) x y su complementario parcial (dnmp) n (cebador) 5 cebador 3 El complementario a la cadena molde se alarga en un nucleótido (n+1) Pirofosfato inorgánico 5 3 Cadena molde El extremo 5 se une al extremo 3 3 Cadena en crecimiento 5 Precursor (nucleótido trifosfato)

16 Funciones de las tres ADN Polimerasas ADN Polimerasa I: Elimina el cebador y rellena el hueco dejado por este. ADN Polimerasa II: Participa en la reparación del ADN cuando ha sido dañado por distintos agentes como la luz UV. ADN Polimerasa III: Es la enzima responsable de la polimerización de la cadena nueva. 16

17 Cadena nueva Cadena molde Cadena nueva Cadena molde Cadena molde Cadena nueva La cadena nueva aumenta en un nucleótido Unión del grupo 5 fosfato del dntp entrante al grupo 3 OH del último nucleótido de la cadena nueva Se forma un enlace fosfodiéster Desoxirribonucleósido trifosfato (dntp) Se liberan iones fosfato La cadena nueva aumenta en un nucleótido Durante la replicación se sintetiza ADN nuevo a partir de desoxirribonucleósidos trifosfato (dntps). 17

18 En eucariotas, existen muchos orígenes de replicación, en cada uno de los cuales se formará una burbuja de replicación (flechas). 18

19 Burbuja de replicación Origen ADN helicasa Origen Horquilla izquierda Origen Horquilla derecha Burbuja de replicación Desenrollamiento ADN girasa ADN helicasa Proteínas de unión a cadena simple Desenrollamiento Horquilla izquierda Horquilla derecha Desenrollamiento Desenrollamiento La ADN helicasa desenrolla el ADN a través de su unión a la cadena en cada horquilla de replicación. 19

20 Cebador (ARN) Dirección de la síntesis Molde expuesto 5 3 Horquilla de replicación Dirección de la síntesis Cebador (ARN) Molde expuesto 3 5 Cebador (ARN) Dirección de la síntesis Molde expuesto 5 3 Horquilla de replicación Dirección de la síntesis Desenrollamiento Cebador (ARN) Molde expuesto 3 5 La síntesis del ADN se produce en las dos cadenas molde del ADN en forma simultánea, pero dirección opuestas. 20

21 En la cadena molde inferior, la síntesis del ADN avanza en forma continua en la dirección 5-3 igual que el desenrollamiento ADN recién sintetizado Cadenas molde Desenrollamiento y replicación En la cadena molde superior, la síntesis del ADN se inicia en la horquilla y avanza en dirección opuesta, por lo que molde se agota con rapidez La síntesis del ADN se vuelve a iniciar sobre la cadena superior, y se aleja cada vez más la horquilla hasta que se queda sin molde La síntesis del ADN sobre esta cadena es discontinua, los fragmentos cortos de ADN producidos se llaman fragmentos de Okazaki Fragmentos de Okazaki Cadena retrasada Síntesis discontinua del ADN Cadena líder Síntesis continua del ADN 21

22 Desenrollamiento y replicación Cadena líder Origen Cadena retrasada Desenrollamiento y replicación Cadena retrasada Origen Cadena líder En la replicación se forma una burbuja de replicación en la que se produce la síntesis bidireccional del ADN. 22

23 Cadena líder Origen Cadena retrasada Girasa Helicasa Origen Cadena retrasada Primasa Horquilla izq. Horquilla dcha. Cadena retrasada Origen Cadena líder Desenrollamiento Desenrollamiento Cadena retrasada Síntesis de ADN Cadena líder Cebador para la cadena retrasada Desenrollamiento Cebador para la cadena retrasada Cadena líder Continúa la síntesis de ADN Desenrollamiento Cadena líder Cadena retrasada Cebadores Cebadores Desenrollamiento Desenrollamiento Cadena retrasada Cadena líder La primasa es una ARN polimerasa que sintetiza extensiones cortas de ribonucleótidos denominados cebadores. 23

24 Subunidad β de la abrazadera deslizante Proteínas de unión a cadena sencilla Molde de la cadena adelantada Dímero de ADN polimerasa III 3 5 Fragmentos de Okazaki Cebador de ARN 5 3 Helicasa Molde de la cadena retrasada ADN girasa 24