Biología Molecular, 2º MED, USP CEU. PDF

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Apuntes cogidos en clase.
El profesor fue Gonzalo León Espinosa. ...

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CRISTINA ALVARADO CUDÓS Y TERESA BARRERA YUDEGO. 2º USP CEU (2018-2019). MED

BIOLOGÍA MOLECULAR. 4/09/18 1.ESTRUCTURA Y FUNCIÓN DE LOS ÁCIDOS NUCLEICOS. El Dogma Central de la Biología Molecular se refiere a 3 procesos claves:  Replicación: se replica el DNA.  Transcripción: obtener y sintetizar una molécula de RNA a partir de información contenida en el DNA. Si se trata de un mRNA, la cadena se puede traducir, formando proteínas; pero hay distintos tipos de RNA que no se transcriben.  Traducción. Se habla de retrotranscripción cuando a partir de RNA se obtiene DNA; es un proceso inverso a la transcripción. La replicación y la transcripción tienen lugar en el núcleo de la cel, mientras que la traducción tiene lugar en el citoplasma de la misma. Componentes y estructuras de los AN. Los AN son polímeros de nucleótidos; un nucleótido está formado por un Pi y un nucleósido, formado a su vez por:  Pentosa: ribosa ( RNA) o desoxirribosa ( DNA). La diferencia se encuentra en el grupo hidroxilo del C2, que en el caso de la desoxirribosa solo hay un H.  Bases nitrogenadas: purinas ( A,G) y pirimidinas ( C, T, U)1. El Pi tiene carácter acido, mientras que el azúcar lo presenta neutro y la BN básico; predomina el carácter acido del Pi. Las bases nitrogenadas son apolares o hidrófobas; no obstante presentan dipolos ( átomos con cierta polaridad) o ciertos grupos aminos, muy importantes a la hora de establecer enlaces entre ellas, dando lugar a puentes de Hidrógeno (son enlaces débiles). La adenina con la timina puede formar dos puentes de hidrogeno. El 1º enlace que se forma es entre el C1 del azúcar con uno de los N de las BN; es un enlace covalente denominado N-glicosílico. Existe una diferencia dependiendo del tipo de base que es ( enlace 1,9 en caso de las purinas y 1,1 en el de las pirimidinas). Se forma el nucleósido. A continuación se enlaza el nucleósido con el Pi; es un enlace covalente de tipo fosfoéster, entre el grupo hidroxilo del Pi con el C5 del azúcar, con desprendimiento de una molécula de agua. Se forman los nucleótidos.2 Para formar el polímero en si, se forma un enlace covalente de tipo 3,5-fosfoDIéster. Se une el C3 de una pentosa con el C5 de la siguiente, y así sucesivamente. Se forma tanto en el DNA como en el RNA. 1 Recordar U: RNA/ T: DNA. 2 Los tipos de ribo y desoxirribonucleótidos están en las diapositivas.

Una molec de DNA se escribe en dirección 5´ 3´, con el orden de las bases nitrogenadas entre medias. En el 5 se encuentra el fosfato libre. A veces solo aparece la secuencia de bases, por lo que se supone que se ha representado en dicha dirección. Las características generales del RNA y del DNA son las siguientes:  Carácter hidrófilo, por los grupos fosfato y el OH de las pentosas; son compuestos polares, por lo que podrán establecer enlaces de hidrogeno con el agua y disolverse en ella, en contraposición con las BN, que son apolares. Cuando todo se junta en la molécula de DNA pesa más el carácter hidrófilo, por lo que el Pi queda expuesto al exterior, y las BN protegidas en el interior. Por ello se dice que la molécula global de DNA tiene un carácter hidrófilo.  Carácter acido, por los grupos Pi y carga negativa a pH fisiológico; gracias a la interacción iónica de los Pi con las histonas, pts ricas en aas de carga positiva( Arg y Lys), la molécula se puede plegar y almacenar en un espacio muy reducido. Es decir, el DNA tiene carga negativa, lo que constituye la base de su plegamiento.  Rigidez, por los enlaces fosfoDIéster en conjunto.  Viscosidad; la rigidez unida a la gran longitud en relación al diámetro de la molécula le confiere viscosidad.  Carácter aromático: absorbe la luz UV a un máximo de 260 nm, que permite medir la Abs del DNA en una solución de laboratorio y conocer cuanto ( concentración) DNA hay en dicha solución ( a más Abs, más BN). Hay que tener en cuenta también la Abs 280nm, porque pts como el Trp también son aromáticas y absorben a esa longitud de onda; por lo que si se mide a 260 puede haber un cierto error. Se mide en ambas longitudes por la fiabilidad.  Son moléculas muy estables, sobre todo el DNA, porque este no tiene un OH activo químicamente como la ribosa y porque forma una doble hélice. Además, si en un medio se añade un ácido se provoca la ruptura de TODOS los enlaces covalentes si es fuerte y solo los N-glicosílicos si es débil ( antes los de las purinas). En medio básico solo se rompen los enlaces fosdodiéster del RNA y no del DNA, por la doble hélice. Cuando una molec se desnaturaliza quiere decir que se rompen los enlaces de hidrogeno entre las BN, quedando las hebras separadas. DNA Función: almacenamiento de la información genética y la expresión de esta para sintetizar RNA, programado en el espacio y en el tiempo, es decir, donde y cuando se expresa el RNA. Definir la individualidad de un organismo, excepto en los gemelos. Características:  Desoxirribosa.  A,G,T y C.  Gran tamaño.  En el núcleo,  En mitocondrias y cloroplastos.  Molec bicatenaria.  Es una doble hélice dextrógena.3

3 Falta una.

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La estructura del DNA se estudió por difracción de rayos X por Francis y Wilkins; esta teoría fue postulada por Watson y Crick en 1953. Se intuyeron ciertas características como que es una molec bicatenaria, el carácter hidrofílico o las cadenas antiparalelas. Por la difracción de rayos X se descubrió que en el DNA hay una repetición periódica de estructuras, en aspa ( hélice) y una distancia determinada. Es decir, se descubrió que era una estructura helicoidal con doble periodicidad a lo largo del eje de 0,34 ( distancia entre bases ) y 3,4 nm ( paso de hélice: distancia para dar una vuelta completa de DNA). Descubrieron que H es la distancia entre base y P es el paso de hélice. Esto dio pie a postula que la estructura en aspa lleva a saber que existía una estructura en hélice. La estructura en aspa indicaba que existía una estructura en hélice. Se confirmo con unos análisis químicos de composición de BN llevados a cabo por Chargaff, junto con los estudios de hidrofobia y de hidrofilia de las molecs. Las reglas de Chargaff son:  Si se divide la cantidad de A por la cantidad de T el valor tiene que ser 1; es decir que la cantidad de A y T es la misma y la cantidad de C y G es igual.  Si se divide las pirimidinas entre las purinas es igual a 1.  Si se divide aminobases ( A y C) entre oxobases ( T y G) es igual a 1. Además, A+T/G+C no puede ser igual a 1. Esto se cumple para cualquier molec bicatenaria de DNA, pero no se aplica al RNA. Después se descubrió la distribución exacta de los componentes. Todos estos estudios dieron a entender que había una complementariedad de bases nitrogenadas, que tenían estar unidas entre si y orientadas hacia el interior de la hélice. Al ver la complementariedad, se estudiaron las posibilidad de formar puentes de Hidrógeno; entre la A y la T solo se pueden formar 2 puentes y entre la C y la G se forma un puente triple de Hidrógeno. La desnaturalización del DNA implica la ruptura de los puentes de Hidrógeno pero NO la de los enlaces fuertes covalentes ( N-glicosílico, éster…). Implica una perdida de estructuras 3ª y 2ª dejando la 1ª. El DNA es capaz de renaturalizarse y ser funcional. El DNA se puede desnaturalizar por un aumento de temperatura (90 grados) o un cambio en el pH. Geometría de los pares de bases ( diaps). Las BN, en función de los puentes de Hidrógeno que se forman tienen las siguientes características:  Los puentes de Hidrógeno van a ser siempre perpendiculares al eje.  La distancia entre los átomos del enlace y entre los componentes son ctes, siempre las mismas.

Distancias constantes entre los diversos componentes permitirá la asociación de las dos cadenas de una única forma y es que sean antiparalelas, es decir, la dirección va 5’ 3’, pero en el otro lado la dirección 5’3’ están en sentido contrario y esto nos lleva a ver que las hebras son distintas, pues en la replicación del ADN, cada hebra es diferente. Se ha visto el giro que tienen realizar las BN para formar la doble hélice; es un giro de 34,6º. Sentido biológico de la complementariedad: -La complementariedad de las bases permite al organismo no cometer errores en la replicación. -Que las bases estén en el interior de la molécula supone una protección de estas para que no formen otros enlaces, de ataques químicos. -La duplicación genética de las 2 hebras facilita la corrección de errores tras la replicación. En la doble hélice por la distribución de la molec hay un momento que al dar la vuelta se genera un hueco, que se llama surco mayor. Al seguir girando se forma otro hueco más pequeño, que se llama surco menor. A través del surco mayor, el espacio que se genera es suficiente para que algunas pts, como factores de transcripción, puedan interaccionar con el DNA. El diámetro, en relación al gran tamaño en relación con la rigidez de los enlaces fosfodiéster hace que sea viscoso. Resumen de las características de la conformación B del DNA ( diaps). Destacan dos características nuevas:  El enlace N-glicosílico puede ser anti o sin, en el DNA es anti.  La conformación por la desoxirribosa es C2’ endo. Existen otras conformaciones del DNA:  A-DNA; la diferencia con el B-DNA es que el A parece aplastado. Es más pequeño con un diámetro más grande. Aparece cuando hay híbridos de RNA-DNA o en regiones bicatenarias de RNA.  Z-DNA; parece que el B-DNA se ha estirado. La función tiene que ver con procesos de regulación y recombinación génica ( se cree eso). Tabla de comparación de los modelos clásicos de DNA. Variantes del B-DNA: C2´endo: el C2 parece que está fuera del plano. Es la conformación de la desoxirribosa. Característico de B-DNA. C3´endo: el C3 parece que está fuera del plano. Hace que los grupos fosfato estén un poco más juntos y, por tanto, las BN también. Es característico del A-DNA. Cambia el giro, los pares de vueltas… ( estudiar lo que está en negrita en las diaps). El enlace N-glicosílico puede presentar una conformación anti o una syn ( la BN rota un poco y está más hacia la izqda). Se encuentra en el Z-DNA, para las guaninas. (ejemplo del tubito de plastilina).

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ADN con estructura cruciforme o de horquilla; en regiones de la secuencia de DNA que son palíndromas ( es igual lo que lea en una hebra de izqda a dcha de lo que lea de dcha a izqda en la otra hebra). Pueden ser palíndromos de simetría puntual o interrumpidos; en estos en el centro del palíndromo hay una secuencia discontinua ( imagen diap). En los 1º se obtiene una estructura cruciforme sin bucles por la interacción de BN entre si ( enlaces de Hidrógeno intracatenarios). En los 2º se genera una estructura cruciforme con bucles, hay BN que no se pueden unir, porque no son complementarias. Son señales de reconocimiento para enzimas de restricción o factores de transcripción. En el DNA y el RNA monocatenarios ( una sola hebra), si hay un palíndromo, se da una horquilla en vez de una estructura cruciforme.  H-DNA: es una triple hélice formada en una región de DNA rica en C y T; está implicada en la regulación de la expresión génica, concretamente en la represión de la transcripción. De modo que el enlace que se forma en el triple hélice hace que las bases interaccionen por puentes de Hidrógeno, débiles; pero se llaman enlaces de Hidrógeno de Hoogsteen, pero el enlace es igual que los clásicos. Es decir, la interacción del enlace es la misma; pero como no es el que describieron Watson y Crick, se le llama de otra forma. 4  G4-DNA: se llama G4 porque es una estructura que se forma por unión de 4G. Aparece en regiones ricas en C y G. 4 G interaccionan entre si dentro de una misma hebra; presenta uniones intracatenarias; se establecen enlaces de Hidrógeno, que como no son los clásicos se conocen como enlaces de Hoogsteen. Se encuentran en las regiones promotoras y en los telómeros. Su función es reguladora de la meiosis y procesos de recombinación. Actualmente está en estudio. 5 

PROPIEDADES Es una molec muy estable por las interacciones entre las BN. Las interacciones entre BN se establecen por enlaces de Hidrógeno, que son enlaces débiles; pero al ser el ADN una molec tan grande, presenta muchos pdH; estos enlaces mantienen unidas las dos hebras. Tanta cantidad confiere a la molec una gran estabilidad. Las BN son hidrófobas por lo que se localizan en el interior de la hélice, dejando a los grupos fosfato interaccionar con el agua, lo que convierte al ADN en soluble. Interacción de apilamiento, por las fuerzas de van der Waals, son interacciones inespecíficas que ocurren entre los heterociclos que forman las BN entre ellas. El numero de interacciones es tan grande que aporta mucha estabilidad a la molec. 6 NIVELES DE ORGANIZACIÓN DEL DNA. Cuando se habla de B-DNA se habla de una estructura relajada; un estado estable de mínima energía. El ratio de empaquetamiento es 1 y dos nm de diámetro; en contraposición al cromosoma metafásico cuyo ratio es de 50000 y un diámetro de 1 micra. 4 Ver diapositivas, bucles de la tripe hélice… 5 artículo diapositiva y PubMed. 6 Resumen diap.

Al hablar de condensación hay que tener en cuenta lo que es el superenrollamiento: giro sobre si mismo de la doble hélice y lo que es el empaquetamiento: el plegamiento del DNA a través de la interacción con pts ( es una interacción electrostática del DNA con pts histónicas o no histónicas, que son las HMG: high minority group). Esta interacción se puede producir porque el ADN tiene carga negativa, gracias a los grupos fosfato y las histonas tienen carga positiva, por presentar aas como Arg o Lys. Esta interacción tiene mucho que ver con el ciclo celular. En la interfase fase S tiene lugar la replicación del DNA, por lo que tiene que haber una descondensación de este. Por otra parte, el DNA se condensa cuando la cel entra en mitosis, es decir, cuando va a ceder sus cromosomas a sus cels hijas. Cede cromosomas, la forma más condesada del DNA. Empaquetamiento del DNA: De la doble hélice se forma una fibra de 10nm; se forman nucleosomas, que se unen por DNA espaciador, gracias a la interacción entre el DNA y las histonas. Al formar la fibra se aumenta 6 veces el grado de compactación del DNA. El nucleosoma está formado por una histona rodeada de 200 pares de bases. Se llama fibra de 10nm porque ese es su diámetro. También se llama collar de cuentas, de perlas… En el nucleosoma se ve el DNA con histonas, donde se distinguen la histona 1 ( H1) y el octámero de histonas ( 2a, 2b, 3 y 4). Esta fibra es lo que se empieza a conocer como cromatina ( DNA unido a histonas). El siguiente grado de empaquetamiento se llama fibra de 30nm o solenoide. Es el superenrollamiento de la fibra de 10nm. El ratio de empaquetamiento es 40 veces mayor. Los nucleosomas se van ordenando de 6 en 6, dejando un eje central donde se alinean las H1 que estaban formando parte de cada nucleosoma. El superenrollamiento del solenoide se obtiene la eucromatina; el ratio de empaquetamiento es de 680 veces y el ancho de unos 300nm. Se da sobre un esqueleto de proteínas no histónicas ( protaminas: presentes en los espermatozoides… No están muy estudiadas). La eucromatina está relacionada con la transcripción; es el último grado de compactación en el que se puede dar la transcripción. Normalmente se encuentra el DNA en forma de eucromatina. Se forman asas o bucles, que constituyen uds de transcripción; hay un asa que tiene la información genética para codificar las pts que están relacionadas funcionalmente con el DNA. Cada asa codifica para ciertas pts en concreto. Si se condesa la eucromatina se obtiene heterocromatina, que es transcripcionalmente inactiva. Al condensar esta se obtiene el cromosoma metafásico; el ratio de empaquetamiento del cromosoma es de 50000 veces y un diámetro de 1 micra. Solo se da en mitosis. DNA MITOCONDRIAL También hay DNA en las mitocondrias; en forma de un único cromosoma con algunas copias, que se encuentran en la matriz mitocondrial, anclada a la mim. Es bicatenario y circular, como el DNA que se encuentra en procariotas. En una cel se podrían encontrar entre 200-2000 copias de este DNA. El 93% del mDNA es codificante; tiene 37 genes capaces de codificar 2 rRNA y 22 tRNA; 13 pts de la cadena respiratoria.

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Esto apoya la Teoría Endosimbiótica. El DNA no codificante tiene función reguladora, como la secuencia que juega un papel importante en el origen de la replicación. RNA Es una molec intermediaria de la expresión génica. Algunos RNAs se traducen a pts. Funciones:  Transmisión de la información génica: mRNA, tRNA.  Soporte estructural de orgánulos  Regulación  Actividad enzimática. Características:  Azúcar: ribosa.  BN: A, G, C y U.  Menor tamaño y variable.  Molec monocatenaria y lineal: no se cumplen las leyes de Chargaff ( faltan) Los principales tipos de RNA son:  mRNA: es una copia complementaria, con U, del molde del DNA. Una vez que se transcribe forma un prerRNA, para el proceso de la traducción. Este proceso incluye la cola Poli A y la adición de la caperuza en el extremo 5´. Estas modificaciones están involucradas en la estabilidad de la propia molec, para poder transportarlo del núcleo al ribosoma…  tRNA: tiene un papel adaptador, activa, transporta los aas y los sitúa. Se habla de un tRNA activo, cuando tiene un aa activo en el extremo 3´. Entonces se llama amioacil-tRNA, se puede especificar que aa es. Interacciona con el mRNA por complementariedad de bases, gracias al brazo anticodón. En el tRNA se distingue un brazo aceptor, donde se une el aa; el brazo T o asa 1, el brazo D o asa 3 y el brazo anticodón. En 3D el tRNA tiene forma de L; destaca el brazo D, que tiene relación con la unión del tRNA al ribosoma. Hay otros nucleótidos aparte de los comunes, llamados infrecuentes, que aparecen en el tRNA, como la dihidrouridina, que no interacciona con otra base, formando un bucle, da nombre al brazo D. En el brazo T hay dos nucleótidos infrecuentes más: la ribotimidina y la pseudouridina. El grado de aparición en los RNA es muy pobre, pero aparecen.  rRNA: realmente sirve para dar soporte estructural a los ribosomas. La subunidad mayor de un ribosoma presenta rRNA 5s, 5,8s,28s y unas 49 pts. La s hace referencia al coeficiente de sedimentación, en relación con el tamaño. La s de la subunidad mayor es de 60. La subunidad menor está formada por rRNA 18s y 33 pts. Su s es de 40. 7 Otros son:  microRNA: bloquean la expresión génica.  siRNA: en terapia génica.  snRNA.  scRNA. 7 Resumen en diaps (hay 2). Ojo examen: diferencias entre DNA y RNA.

  

Ribointerruptores: bloquean la expresión génica. Ribozimas. RNA de orgánulos ( mitocondria; mt y cloroplastos; cp).

BIOLOGÍA MOLECULAR. 14/09/18 2. ORGANIZACIÓN Y ELEMENTOS DEL GENOMA. En cuanto al genoma eucariótico se distingue DNA de copia única y DNA repetitivo. Dentro de cada uno se diferencia el que es codificante del que no lo es; entendiendo por codificante a la formación de una pt. En el genoma eucariótico se observa material genético en orgánulos ( 1 cromosoma circular con varias copias) y en el núcleo(cromosomas lineales en número variable según la especie; H46). Un gen es un conjunto de regiones del DNA, estructurales y reguladoras, necesarias para codificar y expresar un producto génico, sea un RNA maduro del cualquier tipo o una pt funcional. El genoma humano se termino de secuenciar en 2003 tras 13 años de estudio. CLASIFICACIÓN DEL GENOMA

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En el genoma, el DNA de copia única constituye 50-60% aprox; el repetitivo es menor. Dentro del DNA de copia única hay DNA codificante ( estructural; exones, que codifican pts o RNA o regulador; que controla la expresión del gen) y no codificante ( intrones o DNA intragénico o DNA intergénico). El DNA repetitivo también codifica en un pequeño %. Hay parte disperso y parte agrupado. Esto es DNA nuclear, no aplica a las mitocondrias; en estas no hay casi DNA repetitivo. Las pts mitocondriales se pueden sintetizar por el DNA mitocondrial y el nuc...