Tema 3. Ácidos nucleicos. 1.Estructura. Todas las formas de vida existentes sobre la tierra utilizan ácidos nucleicos para el almacenamiento de la información genética. A excepción de algunos virus, la biomolécula de almacenamiento de información utilizada es el ácido desoxirribonucleico (ADN). Por su función de almacenamiento de la información genética, el DNA (ADN) podría ser considerado como la biomolécula mas importante de los sistemas biológicos. Pero, el ADN es solo una parte de la arquitectura de básica de la vida. Otros dos tipos de biomoléculas juegan un papel fundamental en la vida, y son: el ácido ribonucleico (ARN) y las proteínas. Y estas moléculas constituyen el dogma centras de la biología molecular, según el cual, el DNA almacena información que controla todos los procesos celulares. La mayor parte de la estructura y la bioquímica de las células se debe a las proteínas. Sin embargo, la información no puede fluir directamente del DNA a las proteínas, aquí entra en acción el RNA. La información genética es traspasada del DNA al RNA en la transcripción. A continuación, la secuencia de RNA se traduce en una secuencia de proteínas en el ribosoma. Componentes de los ácidos nucleicos. Los ácidos nucleicos son componentes lineales cuya unidad repetitiva son los nucleótidos. Cada nucleótido consta de tres componentes: Un Fosfato (en carbono 5 ) Un azúcar de las clases de las pentosas. Una base nitrogenada. El azúcar pestosa en el DNA es el 2-desoxi-D-ribosa y en el RNA es el D-ribosa. En ambos casos la base esta unida a la posición 1 del azúcar mediante un enlace β-n-glucosídico. En los ácidos nucleicos hay dos tipos de bases nitrogenadas: Purinas: Adenina, guanina. Pirimidinas: Citosina, uracilo(rna), timina(dna). La citosina va emparejada con la timina en el DNA y con el uracilo en el RNA. Y la citosina a emparejada con la guanina tanto en el DNA como en el RNA. La doble hélice. El DNA consta normalmente de dos cadenas polinucleotídicas antipararelas. Enlaces fosfodiester, conexión 5 a 3. Las cadenas de los ácidos nucleicos que contienen alrededor de 50 nucleótidos suelen denominarse oligonucleótidos, mientras que las mas larga se denominan polinucleótidos. El enlace fosfodiéster une el grupo 5 -hidroxilo de un residuo al 3 -hidroxilo del siguiente. Si un extremo de un polinucleótido termina en 5, el otro termina en 3. Estos enlaces se establecen entre residuos de purina de una hebra y los residuos de pirimidina de la otra. Esto da lugar a dos tipos de pares de bases: adenina-timina y guanina-citosina. Esta relación entre las bases de la doble hélice se designa como complementariedad. Las bases son complementarias, porque cada base de una de las cadenas esta apareada por puentes de hidrógeno con la base complementar de la otra cadena. Para cada adenina que se proyecta en el eje común de la doble hélice, debe proyectarse una timina desde la cadena opuesta para llenar exactamente el espacio de las cadenas formando puentes de hidrógeno con la adenina. Estas
especifidades en la formación de los puentes de hidrógeno aseguran que la secuencia completa de una cadena sea complementaria de ka secuencia de la otra cadena. El exterior de la doble hélice está constituido por las cadenas azúcar-fosfato de las hebras anti paralelas del DNA. El entrelazado de la dos hebras antiparalelas produce una estructura que tiene dos surcos helicoidales distintos entre las cadenas azúcar-fosfato. Uno de los surcos es mas ancho (surco mayor) que el otro (surco menor). La doble hélice es el primer nivel de organización del DNA. ADN. El DNA o ADN se tiene como unidades de medida los pares de bases (bp). Propiedades: Replicación: cada cadena sirve como molde para la síntesis de un complementaria, de acuerdo a las reglas de apareamiento de bases. Información: especificada por la secuencia de nucleótidos, puede ser copiada a RNA. Mutación: re emplazamientos, inserción selección de nucleótidos alteran la secuencia. Gen. Partícula de material genético que, junto con otras, se halla dispuesta en un orden fijo a lo largo de un cromosoma, y que determina la aparición de los caracteres hereditarios en los seres vivos. Un gen se expresa cuando se transcribe activamente y se traduce. Los genes incluyen las regiones adyacentes reguladoras. El gen tiene una región no codifican, que tiene una función desconocida, y otra región codificante. Alrededor hay de los genes puede haber o DNA basura o DNA funcional. Organización del DNA. El DNA está muy organizado, con varios grados de empaquetamiento: En los eucariotas, el DNA está organizado en unos segmentos lineales denominados cromosomas. Los cromosomas son mucho mayores que una célula, por lo tanto, para caber dentro del núcleo se encuentran compactados más de 8000 veces, en una estructura organizada. En el cromosoma nativo, el DNA forma un complejo con el RNA y una masa de proteína de dimensiones aproximadamente iguales. Estos complejos de DNA-RNA-proteína se denominan cromatina. La mayoría de proteínas de la cromatina son histonas. Las histonas son una familia sumamente conservada de proteínas que participan en el plegamiento y empaquetarmiento del DNA, y hay diversos tipos de histonas: H1, H2A, H2B, H3 y H4. Las modificaciones de las histonas afectan a la expresión génica. Las histonas son ricas en aminoácidos y con carga positiva (lisina y arginina). Estas cargar positivas interactúan con los grupos fosfato ácidos cargados negativamente de las hebras de DNA para disminuir así la repulsión electrostática y permitir un empaquetado mas apretado del DNA. Las histonas se asocian y forman un complejo llamado nucleosoma. Los nucleosomas son los bloques que forman la cromatina. Cada nucleosoma esta contiene dos moléculas de H2A, H2N H3 y H4, junto con una molécula de H1. Formando nucleosoma la densidad de empaquetado del DNA aumenta unas 7 veces aproximadamente. Las partículas de nucleosoma están a su vez organizadas en filamentos de cromatina. Estos filamentos se construyen enrollando las partículas de nucleosoma en una estructura solenoide con forma de muelle que tiene unos 6 nucleosoma pr muelle. Este solenoide esta estabilizado por las asociaciones cabeza-cola de la historia H1. Empaquetamiento de nivel superior: bucles de solenoides se unen a un soporte proteico para formar fibras de diámetro mayor. Superenrollamiento: como preparación para la división, los cromosomas se condensan extremadamente.
Ácidos Nucleicos 2: Replicación del DNA. Replicación del DNA. La replicación ocurre en la fase S del ciclo celular. La replicación en semiconservativa, donde cada hebra de DNA sirve como molde para la síntesis de la hebra complementaria. La síntesis del DNA ocurre en replicones, que son un origen de replicación + dos horquillas de replicación divergentes. Cada horquilla de replicación contiene un complejo enzimático que incluye la DNA polimerasa. La replicaron duplica el DNA, respetando la información genética codificada en la secuencia de bases. La replicaron requiere un molde que suministre la información de la secuencia. Gracias a la complementariedad de las hebras, con una A de una cadena apareada siempre con una T de la otra, y al igual del G y C, las dos hebras pueden separarse y cada una servir de molde para la síntesis de una nueva hebra complementaria. Este proceso se conoce como replicación semiconservadora por que la mitad de la molécula DNA parental se conserva en cada una de las nuevas hélices, apareada con la hebra complementaria recién sintetizada. Pero, para la síntesis de DNA con el molde no es suficiente. LAS DNA polimerasas, los enzimas que canalizan la adición de mononucleótidos, requieren cebadores. Las DNA polimerasas, en lugar de unir los dos primeros nucleótidos para iniciar una cadena, añaden nucleótidos a un cebador ya existente que suministra el residuo 3 -hidroxilo. Polimerización del DNA. La polimerización del DNA requiere: ATP, GTP, TTP, CTP. molde de cadena sencilla. primer cebador con un grupo hidroxilo en 3 libre para unir al nucleótido siguiente. DNA polimerasa, Mg+². Y otras enzimas además de la DNA polimerasa: - el primosoma: contiene la RNA primasa. - ligasa. - helicasa. - girasa (topoisomerasa). Horquillas de replicación del DNA. La separación de las hebras complementarias, que permite que cada una de ellas sirva de molde para una nuera hebra complementaria, crea una estructura denominada horquilla de replicación. Hay que recordar que las hebras apareadas del DNA tienen polaridad opuesta, por lo tanto una de las hebras hijas esta orientada con el extremo 3 hacia la horquilla, mientras que en la otra hebra es el extremo 5 el que esta orientado hacia la horquilla. Los nucleótidos siempre se añaden a los extremos 3. La polaridad diferente de las hebras supone un problema en la replicación. La hebra con su extremo 3 orientado hacia la horquilla puede ser extendida simplemente por adición secuencias
de nuevos nucleótidos a su extremo; esta hebra se denomina conductora o continua. El problema surge en la otra hebra, ninguna DNA polimerasa catalina la adición de nucleótidos en el extremo 5 de una cadena. Sin embargo, a escala macroscópica el proceso se lleva a cabo correctamente. Esto se soluciona sintetizando una de las hebras en una serie de fragmentos cortos, cada uno en la dirección normal de 5 a 3. Esta síntesis se denomina discontinua o retrógrada. Los pequeños fragmentos de los que esta hecha la hebra retrógrada se denominan fragmentos de Okazaki. los fragmentos de Okazaki de las células humanas tienen entre 130 y 200 nucleótidos. Estos fragmentos son unidos por una ligasa de DNA. Síntesis semiconservadora del DNA. La síntesis del DNA ocurre en las horquillas de replicación. Las hebras parentelas se separan y cada una sirve como molde para la síntesis de una nueva cadena hija. Las hebras de DNA crecen mediante ciclos repetidos de adición de nucleótidos a los extremos 3 de las cadenas. Esta reacción esta canalizada por una DNA polimerasa. Las otras enzimas implicadas en el proceso de síntesis de DNA son: Primosoma que contiene una RNA primasa: síntesis de fragmentos cortos y complementarios de RNA(cebadores) necesarios para la indización de la polimerización. Ligasa, que sirve para unir fragmentos de Okazaki adyacentes. Helicasa para desenrollar el DNA en la horquilla de replicación. Girasa, es un tipo de topoisomerasa, para relajar los superenrollamientos formados durante el desenrollamiento. Orígenes de replicación. Los orígenes de la replicación son las secuencias específicas donde empieza la replicación. Hay muchos orígenes de replicación en cada cromosoma, replicones, que consisten en un origen de replicaron y dos horquillas de replicación divergentes. Telómeros. Los telómeros son los extremos físicos de los cromosomas lineares eucariotas. En cada ronda de replicación, la hebra retrasada se acorta una vez eliminado el primero. En la mayoría de los organismos estudiados, los telómeros contienen secuencias largas compuestas por repeticiones simples de DNA en tándem. Estas repeticiones terminales están muy conservadas; de hecho, todos los vertebrados parecen contener la misma secuencia repetida en sus telómeros: (TTAGGG)n Replicadas por la telomerasa. - Un tipo de transcriptasa reserva. - Añade copias múltiples de una repetición simple y no codificante. - Copiado a partir de un molde de RNA pequeño. Extensión de los telómeros por la telomerasa. La telomerasa es una enzima que canaliza la adiciono de nuevas repeticiones teloméricas de 6 nucleótidos al extremo 3 de una cadena de DNA.La telomerasa es un complejo ribonucleoproteico del que es parte una corta cadena de RNA. El RNA de la telomerasa, sirve de molde para la reacción, mientras que el componente proteico actúa como transcriptasa inversa y sintetiza DNA usando RNA de molde. Por lo tanto, los telómeros son mantenidos por las telomerasa, la telomerasa se une al extremo 3 por puentes de hidrógeno entre el pequeño RNA y los últimos nucleótidos de la hebra. Se sintetiza una nueva repetición de 6 nucleótidos usando el RNA de molde. La telomerasa se disocia
y se re asocia para añadir otro hexámero. Los telómeros sufre procesos de acortamiento y de adición de nuevas repeticiones por la telomerasa. Aunque la longitud de los pelómeros no permanezca constante, se evita el acortamiento progresivo añadiendo nuevas repeticiones. La telomerasa también restablece el fragmento de cadena sencilla en el extremo 3. Las células diferenciadas que ya no se dividen, o que se tienen que dividir un cierto numero de veces, no expresan la telomerasa. La expresión de la telomerasa suele expresarse en las células tumores, lo que les permite devidirse indefinidamente sin acatamiento de los cromosomas. Ideas clave. La replicación del DNA es previa y necesaria para la división celular. El DNA se replica usando cada cadena como molde para la síntesis de la cadena complementaria. Una cadena se sintetiza continuamente, la otra discontinuamente. Todos los nucleótidos se añaden al extremo 3 de la cadena que se está sintetizando. Los cromosomas replicados se reparten entre las células hijas durante la mitosis. La meiosis distribuye los cromosomas replicados a cuatro células hijas haploides mediante dos divisiones nucleares y celulares.