Estructura y replicación del material genético

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Dr. Antonio Barbadilla

Tema 6: Estructura y replicación del material genético

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Estructura y replicación Estructura y replicación del material genéticodel material genético

http://biologia.uab.es/dgm/cv/barbadilla prados.asp

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Estructura y replicación del material Estructura y replicación del material genéticogenético

Deberán quedar bien claros los siguientes puntos:

•Cómo se descubrió la naturaleza química del material hereditario•La composición química de los ácidos nucleicos•La estructura 3D del DNA: naturaleza complementaria y antiparalela de la doble cadena del ácido desoxirribonucleico (DNA)•La extraordinaria capacidad explicativa del modelo del DNA de la función biológica fundamental de esta molécula•La replicación semiconservativa•Enzimología de la replicación


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La transformación bacteriana en La transformación bacteriana en Streptococcus pneumoniaeStreptococcus pneumoniae (Griffith 1928) (Griffith 1928)

No muere Muere

Muerte por neumonía Cepa resistente

Rugosa

Lisa


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¿Cuál es el Principio transformante?¿Cuál es el Principio transformante?

Rugosa Lisa

Principio


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El elemento transformante El elemento transformante es el DNA (1944)es el DNA (1944)

Oswald Avery

Colin MacLeodMaclyn McCarty

Ver animación Ver animación experimentoexperimento

tranformación tranformación bacterianabacteriana

Sólo DNA produce transformación


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Experimento de Alfred Hershey y Martha Experimento de Alfred Hershey y Martha Chase con fagos (1952)Chase con fagos (1952)

Bacteriófago T4

El DNA es el material infeccioso


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Componentes de los ácidos nucleicosComponentes de los ácidos nucleicos

citosina

guanina

adenina

timina


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Reglas de ChargaffReglas de Chargaff

1. Proporción de purinas = Proporción de pirimidinas

A + G = C + T

2. A = T

3. G = C


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1953. Año culminante:1953. Año culminante:J. Watson y F. Crick resuelven la J. Watson y F. Crick resuelven la

estructura tridimensional del DNA estructura tridimensional del DNA (Nature 171: 737-738)(Nature 171: 737-738)

Watson y yo hemos encontrado el

secreto de la vida


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Dos líneas de evidencia:

•Reglas de Chargaff

•Fotografías de difracción de rayos X

1953. Año culminante:1953. Año culminante:


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Significado reglas de Chargaff

Complementariedad de las bases


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Difracción de rayos X

Linus Pauling

Hemoglobina


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13Crick

Rosalind E. Franklin

Interpretación del patrón difracción de rayos X del DNA


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Modelo en metal Modelo en metal del DNAdel DNA

ConcluyenConcluyen: La estructura del DNA es una doble hélice, formada por cadenas orientadas en direcciones opuestas (antiparalelas). La estructura se mantiene gracias a enlaces de hidrógeno entre las bases nitrogenadas que se encuentran orientadas hacia el interior de las cadenas

J. Watson y F. CrickJ. Watson y F. Crick


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Doble hélice, formada por cadenas orientadas en direcciones opuestas (antiparalelas).

La estructura se mantiene gracias a enlaces de hidrógeno entre las

bases nitrogenadas que se encuentran orientadas hacia el

interior de las cadenas


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20

40

60

80

100

70 80 90 100 110

Porc

enta

je G

+ C

Temperatura de fusión (desnaturalización)

Desnaturalización del DNA

•Separación de las dos hebras por calor•Una mayor proporción G-C tiene una mayor temperatura de desnaturalización (‘fusión’)


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Hélices levógiras y dextrógiras


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18DNA-B dextrógira


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Ver artículoVer artículoNatureNature19531953


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La estructura explica:

•La naturaleza de la secuencia lineal de los genes (información digital cuaternaria en secuencias unidimensionales de monómeros A,T,G,C)•El mecanismo de replicación exacta de los genes•La naturaleza química de las mutaciones•Por qué la mutación, la recombinación y la expresión génica son fenómenos separables a nivel molecular

La estructura del DNA suministra una La estructura del DNA suministra una explicación asombrosamente explicación asombrosamente

simple del fenómeno de la herenciasimple del fenómeno de la herencia


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La complementariedad de las bases nitrogenadas permite que la secuencia de una cadena sencilla de DNA actúe como un molde para la formación de una copia complementaria de DNA (replicación) o de mRNA (transcripción)

Esencial a la relación Esencial a la relación íntima entre estructura íntima entre estructura

molecular y función molecular y función genética del DNA es el genética del DNA es el

concepto de molde concepto de molde


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Y ahora las declaraciones de Watson y Crick sobre el ADN. Esto es para mí la prueba verdadera de la existencia de Dios

Salvador Dalí

Antes pensábamos que nuestro futuro estaba en las estrellas. Ahora sabemos que está en nuestros genes.

James Watson


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Una estructura tan bonita tenía, por fuerza, que

existir

J. Watson


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Una estructura tan bonita tenía, por fuerza, que existir

J. Watson


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El DNA contiene información digital cuaternaria en secuencias unidimensionales de monómeros A,T,G,C(cristal aperiódico)


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Hay grandeza en esta concepción de la vida,... que mientras este planeta ha ido girando según la constante ley de la gravitación, se han desarrollado y se están desarrollando, a partir de un comienzo tan sencillo, infinidad de formas cada vez más bellas y maravillosas Charles Darwin

Hay grandeza en esta concepción de la vida,... que mientras este planeta ha ido girando según la constante ley de la gravitación, se han desarrollado y se están desarrollando, a partir de una molécula helicoidal asombrosa, infinidad de formas cada vez más bellas y maravillosas Charles Darwin


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Replicación del DNA Replicación del DNA


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25 de Abril 1953

It has not escaped our notice that the specific pairing we have postulated immediately suggests a possible copying mechanism for the genetic material.


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Posibles modelos de replicaciónPosibles modelos de replicación


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Replicación del DNA Replicación del DNA •Semiconservativa: una cadena sirve de molde para una nueva cadena

•El experimento de M. Meselson y F. Stahl (1958) demuestra que la replicación es semiconservativa

Mathew Meselson Frank Stahl


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Replicación del DNA Replicación del DNA •Enzimas que sintetizan (replican) el DNA

•E. coli •DNA polimerasa I (rellena huecos y repara)•DNA polimerasa II y III (función principal en la síntesis)

•Añade bases en ambas cadenas en la dirección 5’ → 3’•Requiere un 3’ OH final

•Eucariotas •5 polimerasas

∀α y β principal en replicación∀δ, ε y γ exonucleasas

•Corrección de pruebas: actividad 3’ → 5’ exonucleotídica. Sustituye bases mal emparejadas (10-5) por correctas (10-7); mecanismos de reparación adicionales la reducen hasta 10-10


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Las polimerasas conocidas añaden

nucleótidos solamente en la

dirección 5’ → 3’

5’3’


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No funcionaría la corrección de errores por falta de un trifosfato que suministre la

energía de enlace covalente azúcar-fosfato

¿Por qué no hay una enzima que polimerice en la dirección 3´-> 5?


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Adición 5’3’


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P P P P PPP

PP

P

OH

PP

P

PP

P

PP

OH

PP

OHPP

PP + H2O

PP

OHPP

P P P PPP

P P

OH

PP

P

PP

PPP

P

OH

P

PP

5’ 3’


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Adición 3’5’(hipotética)


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PP + H2O

P PP

PP

OH

PPP

PP

P

P

PPPPPP

OH

PP

POH P P

P

OH

P P

PP

OH

PP PP

PPPPPPPP

PPPP

OH

PPPP

3’ 5’

Adición 3’5’(hipotética)


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Corrección de errores


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PP

P P

OH

PP

P

PP

P

PP

P P P P P P

OH

PP

OHPP

PP + H2O

PP

P P

OH

PP

P

PP

PPP

P P P P P

OH

P

PP

5’ 3’

P

Adición 5’3’


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PP

PP

OH

PPP

PP

P

PP

PPPPPP

OH

POH P P

3’ 5’

P

Adición 3’5’(hipotètica)


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Replicación del DNA (2)Replicación del DNA (2)•Replicación: continua (cadena adelantada, cebador sólo inicio) y discontinua (cadena retrasada)

•Discontinua•Cebador (pequeño RNA 2-60 nucleótidos añadido por enzima primasa o RNA pol que provee 3’ OH. •Fragmento de Okazaki por DNA pol III (1500 bp en procariotas y 150 en eucariotas)•Pol I elimina cebador 3’ -> 5’ y llena huecos (gap)•Ligación (DNA ligasa, enlace fosfodiéster)


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Polimerasa III

Polimerasa I


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El cebador es más proclive al error, por lo que debería eliminarse y el RNA

puede detectarse y eliminarse fácilmente por la DNApol I

¿Por qué el cebador es RNA?


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El replisoma: complejo enzimático de la replicación que coordina la síntesis de las dos cadenas, maquinaria molecular•Dímero de la DNA pol III (núcleos catalíticos)•Primosoma: formado por dos enzimas

•Primasa •Helicasa (desenrolla el DNA)

•Proteína de unión a cadena sencilla, ssb (Unión Y, estabiliza el DNA de cadena sencilla)•Topoisomerasas tipo I (rotura una cadena) y II (rotura de dos cadenas) junto a DNA ligasa -> Relajación del superenrollamiento

Replicación del DNA (3)Replicación del DNA (3)


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El replisoma: una maquinaria de replicación extraordinaria


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DNA pol III + abrazadera beta -> Enzima procesiva



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Topoisomerasas


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•Origen de replicación: •Secuencia reconocida (Ori C en E. coli) por proteínas iniciadoras. Varios orígenes en eucariotas•La replicación es bidireccional

Replicación del DNA (4)Replicación del DNA (4)

Horquilla replicación


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En el DNA nuclear de eucariotas hay muchos orígenes de replicación (~500 en levaduras y 60000 en mamíferos). Cada

unidad de replicación es un replicón. La replicación es bidireccional


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En el DNA nuclear de eucariotas hay muchos orígenes de replicación (~500 en levaduras y 60000 en mamíferos). Cada

unidad de replicación es un replicón. La replicación es bidireccional


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Watson-Crick original paper (1953 Nature) Trabajos estelares del descubrimiento de la doble hélice DNA: el secreto de la vida (Animación)Celebración 50 aniversario descubrimiento de la doble hélice en la UAB DNA Structure The Search for DNA - The Birth of Molecular Biology Image Library of Biological Macromolecules - DNA DNA berkeley DNA Learning Center Beginner's guide to Molecular Biology Glosario de Genética molecular DNA Replication Animación de la replicación

Links de interés


http://www.nature.com/nature/dna50/watsoncrick.pdf

http://www.nature.com/nature/dna50/archive.html

http://biologia.uab.es/genomica/swf/dna.htm

http://dna50anys.uab.es/

http://molvis.sdsc.edu/dna/index.htm

http://www.accessexcellence.org/RC/AB/BC/Search_for_DNA.html

http://www.imb-jena.de/IMAGE_DNA.html

http://www.ucmp.berkeley.edu/glossary/gloss3/dna.html

http://www.dnalc.org/

http://www.rothamsted.ac.uk/notebook/courses/guide/

http://www.ornl.gov/sci/techresources/Human_Genome/glossary/index.shtml

http://en.wikipedia.org/wiki/DNA_replication

http://207.207.4.198/pub/flash/24/menu.swf

Education

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