Transcript Tema 6: Estructura y replicación del material genético

Estructura y replicación
del material genético
Dr. Antonio Barbadilla
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Tema 6: Estructura y replicación del
material genético
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Objetivos tema 6:
Estructura y replicación del material
genético
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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material genético
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La transformación bacteriana en
Streptococcus pneumoniae (Griffith 1928)
Rugosa
Muerte por neumonía
Cepa resistente
Lisa
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No muere
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Muere y replicación del
material genético
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¿Cuál es el Principio transformante?
Principio
Rugosa
Lisa
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Colin MacLeod
El elemento transformante
es el DNA (1944)
Maclyn McCarty
Oswald
Avery
Ver animación
experimento
tranformación
bacteriana
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Tema 6: Estructura y replicación del
Sólo DNA produce transformación
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material genético
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Experimento de Alfred Hershey y Martha
Chase con fagos (1952)
Bacteriófago T4
El DNA es el
material
infeccioso
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Componentes de los ácidos nucleicos
adenina
timina
guanina
citosina
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Reglas de Chargaff
1. Proporción de purinas = Proporción de pirimidinas
A+G=C+T
2.
A=T
3.
G=C
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material genético
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1953. Año culminante:
J. Watson y F. Crick resuelven la
estructura tridimensional del DNA
(Nature 171: 737-738)
Watson y yo hemos
encontrado el
secreto de la vida
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material genético
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1953. Año culminante:
Dos líneas de evidencia:
•Reglas de Chargaff
•Fotografías de difracción de rayos X
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Significado reglas de Chargaff
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Complementariedad de
las
basesy replicación del
Tema
6: Estructura
material genético
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Difracción de rayos X
Hemoglobina
Linus Pauling
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Interpretación del patrón difracción de rayos X del DNA
Rosalind E.
Franklin
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Crick del
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material genético
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Modelo en metal
del DNA
J. Watson y F. Crick
Concluyen: 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
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material genético
14 cadenas
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La estructura se mantiene gracias
a enlaces de hidrógeno entre las
bases nitrogenadas que se
encuentran orientadas hacia el
interior
de las cadenas
Tema 6: Estructura
y replicación
del
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Doble hélice, formada
por cadenas orientadas
en direcciones opuestas
(antiparalelas).
material genético
Desnaturalización del DNA
•Separación de las dos hebras por calor
•Una mayor proporción G-C tiene una mayor
temperatura de desnaturalización (‘fusión’)
Porcentaje G + C
100
80
60
40
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70
80
90
100 110
Temperatura de fusión (desnaturalización)
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Hélices levógiras y dextrógiras
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DNA-B dextrógira
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Ver artículo
Nature
1953
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material genético
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La estructura del DNA suministra una
explicación
asombrosamente
simple del fenómeno de la herencia
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
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material genético
Esencial a la relación
íntima entre estructura
molecular y función
genética del DNA es el
concepto de molde
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)
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material genético
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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
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J. Watson
Una estructura
tan bonita tenía,
por fuerza, que
existir
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material genético
J. 25
Watson
El DNA
contiene información
digital cuaternaria en
secuencias unidimensionales
de monómeros A,T,G,C
(cristal26 aperiódico)
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material genético
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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
unacomienzo
molécula tan
sencillo, infinidad
helicoidal
asombrosa,
de formas
infinidad
cada
de vez
formas
más
bellasvez
cada
y maravillosas
más bellas y maravillosas
Charles Darwin
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Replicación del DNA
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material genético
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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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material genético
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Posibles modelos de replicación
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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
•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
• y  principal en replicación
•,  y  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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material genético
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Las polimerasas
conocidas añaden
nucleótidos
solamente en la
dirección 5’  3’
3’
5’
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material genético
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¿Por qué no hay una enzima que
polimerice en la dirección 3´-> 5?
No funcionaría la corrección de errores por
falta de un trifosfato que suministre la
energía de enlace covalente azúcar-fosfato
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Adición 5’3’
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P
P
P
P
P
P
P
P
P
P
P
P
P
P
P
P
OH
OH
3’
5’
PP
+ H2O
P
P
P
P
P
P
P
P
P
P
P
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OH
OH
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Adición 3’5’
(hipotética)
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P
P
P
P
OH
P
P
P
P
P
P
P
P
P
P
P
P
P
P
+ H2O
OH
P
P
P
PP
P
OH
5’
3’
OH
P
P
P
41
P
P
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Adición 3’5’
(hipotética)
Tema 6: Estructura y replicación del
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Corrección de errores
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P
P
P
P
P
P
P
P
P
P
P
P
P
P
P
P
P
OH
OH
3’
5’
PP
+ H2O
P
P
P
P
P
P
P
P
P
P
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OH
OH
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Adición 5’3’
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OH
P
P
P
P
P
P
P
P
P
P
P
P
P
OH
5’
3’
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Adición 3’5’
(hipotètica)
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material genético
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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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material genético
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Polimerasa III
Polimerasa I
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material genético
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¿Por qué el cebador es RNA?
El cebador es más proclive al error, por
lo que debería eliminarse y el RNA
puede detectarse y eliminarse
fácilmente por la DNApol I
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Replicación del DNA (3)
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
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material genético
El replisoma: una maquinaria de replicación extraordinaria
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El replisoma: una maquinaria de replicación extraordinaria
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El replisoma: una maquinaria de replicación extraordinaria
DNA pol III + abrazadera beta -> Enzima procesiva
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El replisoma: una maquinaria de replicación extraordinaria
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Topoisomerasas
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Replicación del DNA (4)
•Origen de replicación:
•Secuencia reconocida (Ori C en E. coli) por
proteínas iniciadoras. Varios orígenes en
eucariotas
•La replicación es bidireccional
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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material genético
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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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Links de interés
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
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