Universidad Nacional Autónoma de México

Transcripción

1 Universidad Nacional Autónoma de México Facultad de Química Curso Genética y Biología Molecular (1630) Licenciatura Químico Farmacéutico Biológico Dra. Herminia Loza Tavera Profesora Titular de Carrera Departamento de Bioquímica Lab 105, Edif E hlozat@unam.mx

2 Objetivos del tema III. DNA Y CROMATINA (5 h) 1. Descubrimiento de los ácidos nucleicos como material genético 2. Composición y estructura de los ácidos nucleicos El alumno... Conocerá la estructura de los ácidos nucleicos y de los cromosomas. Reconocerá la estructura normal de los cromosomas y comprenderá las implicaciones de las aberraciones cromosómicas en la generación de enfermedad y en el proceso evolutivo Discutirá los experimentos y evidencias que llevaron a pensar en los ácidos nucleicos como material genético. X 2.1. Conocerá la estructura de las bases nitrogenadas X (purinas y pirimidinas) y azúcares (ribosa y desoxiribosa) presentes en los ácidos nucleicos Reconocerá la estructura de nucleósidos y nucleótido. X 2.3. Discutirá los datos experimentales en que se basaron X Watson y Crick para postular el modelo de la doble hélice Entenderá la complementariedad de bases y el X antiparalelismo de las cadenas de desoxiribonucleótidos en el modelo B de Watson-Crick para la estructura del DNA Comparará el DNA-B con otros modelos dextrógiros y con el DNA-Z Analizará la existencia de apareamientos intracadena en las moléculas de RNA y de DNA que generan estructuras tallo-asa y cruciformes Conocerá los diferentes tipos de RNA y sus características y funciones. X X Conocimiento Comprensión Aplicación X

3 Objetivos del tema 3. Organización y estructura de los genomas El alumno Conocerá las características generales de los genes y genomas bacterianos y de sus virus 3.2. Discutirá el súper enrollamiento del DNA en los cromosomas bacterianos y virales X X Conocimiento Comprensión Aplicación 4. Estructura y organización de los cromosomas 3.3. Reconocerá la existencia de diferentes tipos de secuencias de acuerdo a su grado de repetición: alta y moderadamente repetidas (en tándem y dispersas) y de copia única Entenderá la organización general de las secuencias codificantes y no codificantes de los genomas eucariontes Comparará la estructura de los genomas de organelos (mitocondria y cloroplasto) con los nucleares y de procariontes Conocerá la estructura y organización del cromosoma procarionte (nucleoide) Conocerá la estructura y organización de los cromosomas eucariontes Reconocerá a la cromatina eucarionte como un complejo dinámico de ribonucleoproteínas y DNA Conocerá las características principales y funciones de las proteínas histonas y no histonas de la cromatina Entenderá la estructura de los nucleosomas como subunidad estructural y funcional básica de la cromatina Discutirá los modelos propuestos para los niveles superiores de organización de los cromosomas y sus características Relacionará la estructura de la cromatina con los términos eucromatina, heterocromatina constitutiva y facultativa Conocerá la estructura y funciones de las regiones especializadas de los cromosomas: centrómeros, telómeros y los organizadores nucleolares. X X X X X X X X X X X

4 DESCUBRIMIENTO DE LOS ÁCIDOS NUCLÉICOS COMO MATERIAL GENÉTICO DNA: molécula de la herencia Las características que debe poseer una molécula para ser considerada como portadora de la herencia son: Almacenar información: código genético Transferir la información de manera fidedigna: replicación La naturaleza hereditaria de cada organismo está definida por su genoma, el cual consiste de largas secuencias de ácidos nucleicos que proporcionan la información necesaria para construir al organismo.

5 La transformación Frederick Griffith, 1928 Streptococcus pneumoniae Cepa S letal Cepa R inocua S:lisa Posee cubierta de polisacáridos R:rugosa No posee cubierta de polisacáridos

6 El DNA como principio transformante Avery, MacLeod y McCarty, 1944.

7 La actividad transformante no es destruida por calor, proteasas o RNasas, pero sí por DNasas DNA

8 Experimento de Hershey y Chase, 1952 Bacteriofago T-2

9 Experimento de Hershey y Chase, 1952 (Experimento de la licuadora) Infección de E. coli con el fago T2 Crecer E. coli en medio con: 32 P 35 S Lisis de las bacterias y obtención de los fagos marcados diferencialmente

10 32 P Se usan los fagos marcados para infectar E. coli 35 S Desprendimiento de los fagos por agitación Replicación del bacteriofago La progenie contiene DNA marcado

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12 COMPOSICIÓN Y ESTRUCTURA DE LOS ÁCIDOS NUCLÉICOS DNA RNA ácido desoxirribonuléico ácido ribonucléico

13 El RNA es de cadena sencilla El DNA es de cadena doble

14 Los monómeros que constituyen a los ácidos nucléicos son los nucleótidos

15 Los nucleótidos están constituídos por Fosfato Pentosa (ribosa o desoxiribosa) Base nitrogenada

16 Estructura del DNA El DNA es una doble hélice Las bases nitrogenadas se aparean de manera complementaria

17 En el RNA las bases también se pueden aparear de manera complementaria

18 Nucleósido Nucleótido

19 Nomenclatura de los nucleótidos Base Nucleósido Nucleótido Ácido Nucléico Purinas Adenina A Adenosina Adenilato RNA Desoxiadenosina Desoxiadenilato DNA Guanina G Guanosina Guanilato RNA Pirimidinas Desoxiguanosina Desoxiguanilato DNA Citosina C Citidina Citidilato RNA Desoxicitidina Desoxicitidilato DNA Timina T Desoxitimidina Desoxitimidilato DNA Uracilo U Uridina Uridilato RNA

20 Experimentos de difracción de rayos X del DNA Modelo de la doble hélice del DNA Rosalind Franklin y Maurice Wilkins James Watson y Francis Crick, 1953.

21 Datos experimentales en los que se basaron Watson y Crick para proponer el modelo de la doble hélice: Difracción de Rayos X El diámetro de la molécula es el mismo a todo lo largo Estructura cíclica repetitiva Reglas de Chargaff La cantidad de adenina es la misma que la de timina: A=T La cantidad de guanina equivale a la de citosina: G=C La cantidad de bases púricas es la misma que las bases pirimídicas: A+G=T+C Pero la cantidad de A+T G+C

22 5 GATC fosfato Enlace fosfodiester Diámetro constante 20 Å Escalera de caracol: los azúcares y fosfatos a los lados y las bases planas al centro, perpendiculares al eje Doble cadena antiparalela Giro a la derecha Los nucleótidos se unen por enlaces fosfodiéster Las cadenas se unen por puentes de hidrógeno DNA 3 hidroxilo Las cadenas presentan polaridad

23 La doble cadena de DNA es antiparalela y presenta...complementariedad entre bases A T G C Bases nitrogenadas: interior Fosfatos: exterior Cadenas anti-paralelas Extremo 5 : PO 4 Extremo 3 : OH

24 Surco menor Surco menor Surco mayor Surco mayor

25 Diferentes tipos de DNA

26 Algunas estructuras que puede formar la doble hélice

27 Apareamientos intra-cadena Tallo-asa

28 Cruciformes

29 Apareamientos inter-cadena

30 Propiedades de los ácidos nucleicos: las bases nitrogenadas absorben luz a 260 nm

31 Propiedades del DNA: desnaturalización y renaturalización Efecto hipercrómico El contenido de GC influye en las propiedades del DNA, especialmente sobre la temperatura de desnaturalización y alineamiento % GC Tm

32 A mayor contenido de G-C, mayor es la temperatura de desnaturalización (Tm)

33 Molécula de DNA mostrando zonas desnaturalizadas (flechas) Microfotografía electrónica

34 La renaturalización de los ácidos nucleicos está en función de su secuencia. Dos DNAs provenientes de especies diferentes hibridarán si tienen regiones con homología.

35 Técnicas de estudio del DNA basadas en la hibridación de los ácidos nucléicos Southern blot: hibridación DNA-DNA Northern blot: hibridación RNA-DNA

36 Visualización del DNA en un gel Bromuro de etidio: Gel de agarosa teñido con EtBr para ver el DNA Agente intercalante entre las bases nitrogenadas que fluoresce a la luz UV

37 DNA circular y lineal En procariontes su genoma está contenido en una sola molécula de DNA circular y presenta Doble hélice superenrrollamiento En eucariontes cada cromosoma contiene una molécula de DNA lineal. Secuencias únicas (genes); secuencias repetidas (no codificantes) Circular Superenrollado Éste se encuentra empacado en nucleosomas, los que a su vez se agrupan para constituir los cromosomas

38 RNA La estructura primaria es similar a la del DNA pero desoxirribosa timina (T) monocatenario (casi siempre) ribosa uracilo (U) Ribosomal: forma parte del ribosoma participa en la síntesis de proteínas Tipos de RNA Mensajero: es una copia del gen que se debe traducir en proteína, la cual se va a sintetizar en el ribosoma Transferencia:molécula adaptadora cuya función es acoplar el código del RNA que se presenta en nucleótidos al código de la proteína que está en aminoácidos.

39 ORGANIZACIÓN Y ESTRUCTURA DE LOS GENOMAS 1. Un gene es un segmento de DNA que al expresarse da un producto funcional que puede ser una proteína o un RNA. 2. Un genoma es el conjunto de genes que contiene la información necesaria para que una célula pueda existir y reproducirse, es decir, son todos los genes de un organismo. 3. Los genomas de eucariontes son muy grandes y mucha de su estructura corresponde a regiones que no codifican para ningún producto funcional (secuencias no-codificantes) 4. Algunas de estas secuencias no codificantes son secuencias espaciadoras entre los genes 5. Otras secuencias no codificantes (intrones) interrumpen a genes 6. Algunos genes se repiten muchas veces en el genoma, formando familias de genes (eucariontes).

40 Genoma viral Bacteriófago lambda DNA o RNA Cadena sencilla ó doble Virus del mosaico de tabaco

41 1 cromosoma (nucleoide) DNA circular doble cadena no tiene núcleo Genoma bacteriano (4.2 x 10 6 pb)

42 Comparación de Genomas

43 Tamaño relativo de los genomas de distintos organismos Pares de Bases

44 Por qué los genomas son tan grandes?

45 Tipos de DNA en los genomas Secuencias: No repetidas Moderadamente repetidas Altamente repetidas

46 No hay correspondencia entre tamaño del genoma y la complejidad del mismo

47 Cuántos genes se necesitan para formar un organismo?

48 Qué tan similares somos a otros organismos?

49 Complejidad de los genomas eucariontes

50 Organización de unidades transcripcionales en procariotes y eucariotes

51 Los genes eucariontes contienen intrones Intornes: secuencias que no se traducen y deben ser eliminadas del mensaje maduro) El gene se transcribe completo produciendo un prerna El prerna debe procesarse para quitar los intrones (splicing) El mrna maduro no contiene intrones

52 El tamaño de los genes varía mucho entre eucariotes y procariotes El genoma en procariontes es más compacto que el de los eucariontes

53 Relación entre el tamaño del gen y del mrna en varias especies Especie # exones Long. media del gen (kb) Long. media del mrna (kb) Haemophilus influenzae Methanococcus jannaschii Saccharomyces cerevisiae Aspergillus nidulans Caenorhabditis elegans Drosophila melanogaster Aves Mamíferos

54 ESTRUCTURA Y ORGANIZACIÓN DE LOS CROMOSOMAS Los cromosomas procariontes son circulares cerrados covalentemente DNA cromosomal (nucleoide) Plásmidos Muchas bacterias además de poseer su genoma que es una sola molécula de DNA, presenta plásmidos que son moléculas de DNA de menor tamaño que presentan replicación autónoma.

55 Formas topológicas del DNA circular cerrado (topoisómeros)

56 Topoisomerasas Enzimas que regulan la tensión en la molécula de DNA, meten o quitan giros sobre la misma molécula Tipo I: Cortan una de las cadenas de DNA No requieren ATP Introducen incrementos de 1 en Lk Tipo II: Cortan ambas cadenas de DNA Requieren ATP Introducen incrementos de 2 en Lk Girasa superenrollamiento negativo en procariontes (desenrrolla)

57 Superenrrollamiento del DNA bacteriano Dentro de la bacteria el DNA está superenrrollado

58 Organización del cromosoma bacteriano DNA superenrrollado Proteínas que unen al DNA Bacteria en división

59 En bacterias la transcripción del DNA a RNA y su posterior traducción ocurre de forma acoplada El genoma bacteriano NO tiene secuencias repetitivas Los genes por lo regular NO están interrumpidos Tiene sólo UN origen de replicación

60 En eucariontes los organelos mitocondria y cloroplasto tienen su propio material genético Teoría endosimbióntica Los cloroplastos y las mitocondrias provienen de bacterias de vida libre que fueron secuestradas por células eucarióticas Algunos genes de estos organelos han sido pasados al núcleo por lo cual requieren de la actividad transcripcional del núcleo para tener algunas proteínas que requieren para funcionar correctamente

61 Cloroplasto

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63 El DNA mitocondrial no tiene regiones intergénicas Mitocondria

64 DNA mitocondrial

65 EUCARIONTE PROCARIONTE

66 Tipos de Cromatina Eucromatina Heterocromatina La Eucromatina es transcripcionalmente activa La Heterocromatina es electrodensa y es transcripcionalmente inactiva

67 Constitutiva: NO se expresa. Incluye secuencias cortas repetidas (DNA satélite). Papel estructural en el cromosoma: centrómeros y telómeros. Heterocromatina Facultativa: Puede ocupar cromosomas enteros inactivos en un tipo celular, y expresados en otro. P. ej. Compensación de dosis del cromosoma X

68 Unidad básica del DNA eucarionte La estructura que forma la fibra de 10 nm es el nucleosoma DNA enrollado en histonas: 147 pb El nucleosoma incluye al DNA enrollado a histonas + DNA unidor: 200 pb

69 Estructura del nucleosoma

70 Composición de los nucleosomas El DNA que rodea a la médula de histonas (147 pb) + DNA unidor: en total 200pb El núcleo es de 8 histonas: 2 H2A, 2 H2B, 2 H3, y 2 H4 Una histona H1 se encuentra uniendo entre si los nucleosomas Las histonas son proteínas básicas (ricas en Lys y Arg que se unen al DNA) Empaquetamiento de 6 X por nucleosoma

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72 Interacciones entre las histonas y el DNA en eucariontes Contenido de Lys y Arg de las histonas HISTONA %LYS %ARG H H2A H2B H H Esquema de una sección de la cromatina

73 El octámero de histonas se asocia por interacciones hidrofóbicas Un nucleosoma consiste en 147 pb de DNA enrrollados en el octámero de histonas.

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76 Solenoide: segundo nivel de organización de la cromatina

77 El DNA se encuentra empacado en los cromosomas eucariontes Segmento de doble hélice DNA + Histonas = Nucleosomas El DNA extendido de una célula de mamífero mediría aproximadamente 1 mt delongitud Empaquetamiento de nucleosomas. Cromatina de 30 nm Sección de cromosoma en forma extendida Octámero de Histonas: H2A; H2B; H3;H4 Sección de cromosoma en forma condensada Cromosoma en metafase

78 Diferentes niveles de organización y grado de compactación del DNA de eucariontes

79 Cada especie tiene un número característico de cromosomas Organismo Especie # diploide Humano Homos sapiens 46 Gato Felis catus 38 Bovino Bos taurus 60 Perro Canis familiaris 78 Caballo Eqqus caballus 64 Mosca fruta Drosophila melanogaster 8 Chícharo Pisum sativum 14 Arroz Oryza sativa 24 Frijol Phaseolus vulgaris 22 Maíz Zea mays 20

80 Heterocromatina y eucromatina Heterocromatina: Segmentos del cromosoma que se tiñen fuertemente y permanecen visibles, prácticamente, durante todo el ciclo celular. Hay pocos genes en estas regiones y por lo tanto, baja actividad transcripcional. Regiones supercondensadas. Secuencias repetitivas de DNA, regiones no transcribibles en el genoma. Eucromatina: Segmentos del cromosoma que no son visibles durante la telofase e interfase, sólo en metafase. Regiones que se condensan y se descondensan. Corresponde a regiones menos compactas y en las que hay una mayor densidad génica. Hay mayor actividad transcripcional.

81 Un cromosoma típico

82 Qué se necesita para tener un cromosoma estable? Secuencias únicas (genes) Repetidas dispersas y múltiples orígenes de replicación centrómero telómeros varios origenes de replicación

83 Importancia del centrómero En él se unen las fibras del huso acromático para repartir equitativamente los cromosomas.

84 Centrómeros Son regiones repetitivas de DNA ( pb) n Constituyen el sitio de unión de las fibras del huso mitótico. Componen del 1% al 3% de la secuencia de un genoma. Su posición varía en los distintos cromosomas.

85 Secuencia centromérica en S. cerevisiae

86 Telómeros Se encuentran en los extremos de los cromosomas eucraiónticos. Se requieren para la replicación y estabilidad de los cromosomas. Son secuencias repetidas de DNA, en humanos: -TTAGGG- que se repite entre 250 a 1,500 veces.

87 Características del telómero Hay hexanucleótidos repetidos entre 1000 y 1700 veces en los extremos 3 del DNA de cada cromosoma

88 Los ribosomas están constituidos de RNA y proteínas

89 En el nucléolo se sintetizan los RNA ribosomales a partir de los genes que los codifican

90 Organizadores nucleolares Nucleolus organizer region (NOR). Regiones cromosomales alrededor de las cuales se forma el nucléolo. Región particular de un cromosoma asociada con el nucléolo después de que el núcleo se divide. Esta región contiene varios repetidos en tándem de genes de RNA ribosomal. En humanos los NOR contienen genes para el 5.8S, 18S y 28S rrna agrupados en los brazos cortos de los cromosomas 13, 14, 15, 21 y 22 (los cromosomas acrocéntricos).