8/18/2019 DNA Genomas
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2010 Enrique Castro 1
DNA, genes y cromosomasDNA, genes y cromosomas
➢ Estructura del DNA Nucleótidos: estructura, nomeclatura y
propiedades Estructuras secundarias Estructura supersecundarias
➢ Dinámica del DNA Estabilidad y desnaturalización del DNA Parámetros topológicos y estabilidad Topoisomerasas
➢ Estructura de cromatina y cromosomas Cromatina: organización nucleosómica Estructura de cromosomas: centrómeros y
telómeros➢ rganización genómica
!enomas: DNA codi"icante y no codi"icante Estructura molecular del gen
Para © Enrique CastroLos trabajos de tercerosretienen su licencia original
2010 Enrique Castro #
Basenitrogenada
Azúcar fosfato
ribosa
desoxi-ri
bosa
enlace
β-glucósido
nucleósido
nucleótido
Estructura de nucleósidos y nucleótidosEstructura de nucleósidos y nucleótidos
RNA
DNA
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2010 Enrique Castro $
*Nucleósido y nucleótido son nombres genéricos que incluyen tanto
las formas ribo- como las desoxirribo-
RNAuridilatouridinaUracilo
RNADNA
Timidilatodesoxitimidilato
Timidinadesoxitimidina
Timina
RNA
DNA
Citidilato
desoxicitidilato
Citidina
desoxicitidina
Citosina
Pirimidinas
RNA
DNA
Guanilato
desoxiguanilato
Guanosina
desoxiguanosina
Guanina
RNA
DNA
Adenilato
desoxiadenilato
Adenosina
desoxiadenosina
Adenina
Purinas
%cido nucleicoNucleótido&Nucleósido&'ase
RNA
DNA
Inosinato
desoxi-inosinato
inosina
desoxiguanosina
Hipoxantina
Nomenclatura de nucleósidos y nucleótidosNomenclatura de nucleósidos y nucleótidos
2010 Enrique Castro (
Funciones de nucleótidosFunciones de nucleótidos
Constituyente de los ácidos nucleicos)
Acoplador en intercambios energ*ticos
Act+an como seales -u.micas)
Componente estructural de co"actores/coenzimas
cA0P
NAD
ATP
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2010 Enrique Castro 2
Estructuras de nucleobases mayoritariasEstructuras de nucleobases mayoritarias
Ca"e.na (1,3,7-trimetil-antina!
2010 Enrique Castro 3
Estructuras de nucleobases minoritariasEstructuras de nucleobases minoritarias
0ás "recuentes en DNA 0ás "recuentes en 4NA
Ca"e.na (1,3,7-trimetil-antina!
"racilo en #$% (desaminaci&n de C! ribo-'imidina en $%
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2010 Enrique Castro 5
N N
N N
NH2
R
N N
N NH+
NH2
R
N N
NNH
O
NH2
R
N N
NN
O
NH2
R
N N
NH +
NH
O
NH2
R
N
NH
O
O
H!
RN
N
O
O
H!
R
N
N
O
NH2
R
N
NH+
O
NH2
R
Adenina
guanina
citosina
timina
pKa=3.8
pKa=2.4 pKa=9.4
pKa=9.5
pKa=4.5
N1
N7
N3
N3
Propiedades ácido-base de los ácidos nucleicosPropiedades ácido-base de los ácidos nucleicos
➢ El grupo "os"ato es "uertemente ácido• 6os"atos totalmente ionizados a p7 "isiológico
8p9a1);<• Carga neta negati=a• 4epulsión entre cadenas dependiendo de >
)oni*aci&n a+ectaa la estabilidad de
la doble lice
➢ ?as bases pueden ionizarse• Carga neta depende del p7• Carga aumenta solubilidad• Capacidad de "ormar pd@ depende del p7
Protonaci&n en $ c.clico s/2
#es/rotonaci&n +ormas enol
2010 Enrique Castro
Formas tautómeras de las nucleobasesFormas tautómeras de las nucleobases
6ormas mayoritarias8BB:1<
6ormas minoritarias
citosina
guanina
adenina
timina
ólo *stas "ormanpares atsonCricF
Nue=as ionizacionesalternati=as
#elin 7e ig 212
%/areamientos$ 4atson-Cric56mutaciones
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2010 Enrique Castro B
Espectros de absorción de luz por nucleótidosEspectros de absorción de luz por nucleótidos
➢ Absorción caracter.stica en GH• 0áIimo a #3; nm (di+erencial de /rote.nas 20 nm!• >denti"icación y cuanti"icación
2010 Enrique Castro 1;
Conformaciones de ribosa en nucleótidosConformaciones de ribosa en nucleótidos
➢ 4otación del anillo "uranosa• C de ribosa tetra*dricos• eparación "os"atos C$JC2J• Proyección de 7 en C#J
➢ 4otación del enlace glucos.dico• >mpedimentos est*ricos en syn
8pre"ieren anti<• !0P pre"iere syn 8P2JN7#<
)m/edimento estricobase-ribosa
#istanciaentre +os+atos
Pro8ecci&n del -9
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2010 Enrique Castro 11
"
!#
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$#
"
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$#"
!#
$#""
OH
"
!#
$#
"
!#
$#
"
!#
$#
"
!#
$#
"
!#
$#
""
H2O
%idrólisis
EItremo 2K
&oli'erización
$#
!#
N(" + H2O N)"+ ""i
*, -!. /01'ol
DNAn + N)" DNAn+. + H2,
*, +2$ /01'ol
DNAn + N(" DNAn+. + ""i
*, - /01'ol
""i + H2O 2 "i
*, -!. /01'ol
Quí mica de la polimerización de DNAQuí mica de la polimerización de DNA
3nlace
fosfodi4ster
!5-$5
EItremo $K
Enlace+os+odister 3:-;:
2010 Enrique Castro 1#
Estabilidad del esqueleto fosfodiésterEstabilidad del esqueleto fosfodiéster
➢ 7idrólisis espontánea• 0uy lenta en DNA (t
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2010 Enrique Castro 1$
"
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OH
A ( (
A ( (
&A&(&&&(&
6 A&(&&&(&& 7
A((
$# !#
$# !#
Convenios de escritura de secuencias (nucleótidos)Convenios de escritura de secuencias (nucleótidos)
a7
b7
c7
d7
8ie'&re $59!5
• Re&licación
• (ranscri&ción
• (raducción
6orma más com+nsiempre 2J $J
2010 Enrique Castro 1(
Plegamiento en doble hélice de oligonucleótidosPlegamiento en doble hélice de oligonucleótidos
➢ Estructura• 7elicoidal• 0icelar: "os"atoribosa eIteriores,
bases interiores• 7ebras no opuestas: surcos
➢ Topolog.a• 7*lice doble• DeItrógira• Antiparalelas• Complementarias
urco
mayor
urcomenor
2J $J 2J $J
$J 2J $J 2J
:osfatos
cargados
exteriores
Bases
%idrófobas
interiores
Dextrógira
anti&aralela
4eglas de C@arga"" >% ? >' , >@ ? >C> Purinas ? > Pirimidinas
Autoreplicati=a
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2010 Enrique Castro 12
● "uentes de %idrógeno de ;atson-ric/<
● Autore&licati=a<
ATGCATGCATGC
TACGTACGTACG
ATGCATGCATGC
TACGTACGTA
ATGCATGCAT
TACGTACGTACG
$#
$#
!#
!#
$# !#
$#!#
"uentes de
%idrógeno
>&urinas? >&iri'idinas?
>A? >(?
>? >?
Complementariedad entre basesComplementariedad entre bases
● Reglas de %argaff<
2010 Enrique Castro 13
surco
'enor surco
'a@or
Grupos superficiales y surcos en el DNA dúplexGrupos superficiales y surcos en el DNA dúplex
:osfatos<
interacciones
electrostticas
ines&ecficas
urco mayor:lectura de secuencia8pd@ espec."icos
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2010 Enrique Castro 15
Estructuras secundarias de polinucleótidosEstructuras secundarias de polinucleótidos
➢ Estructuras intercon=ertibles• 0onocatenarios: @*lice o=illo• 'icatenarios: A L ' M• Tricatenarios: 7
3structura secundaria
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2010 Enrique Castro 1B
H-DNA: triples hélices dextrógirasH-DNA: triples hélices dextrógiras
6unciones:● 4elaOamiento super@elicoidal● 4ecombinación
"ebra suelta
(&)
DNA d+pleI
DNAd+pleI
H-DNAtri&le
● H4lice tri&le dextrógira● A&area'ientos de Hoogsteen● Hebras asi'4tricas< sólo "ur 1 sólo "ir
2010 Enrique Castro #;
H-DNA: apareamientos de HoogsteenH-DNA: apareamientos de Hoogsteen
ApareamientoatsonCricF
Hebra"ur
Hebra
"ur
Hebra
"ir
Hebra"ir Hebra
"ir5
Hebra
"ir5
Apareamiento7oogsteen
Apareamiento7oogsteen
ApareamientoatsonCricF
Gnión de $ @ebra 8PirJ<a grupos eIpuestos ensurco mayor del d+pleI
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2010 Enrique Castro #$
DNA curvado: TATA-binding proteinDNA curvado: TATA-binding protein
T'P reconoce secuencia poliA en promotore une al DNA en con"ormaciónagudamentemente cur=ada
2010 Enrique Castro #(
DNA, genes y cromosomasDNA, genes y cromosomas
➢ Estructura del DNA Nucleótidos: estructura, nomeclatura y
propiedades Estructuras secundarias Estructura supersecundarias
➢ Dinámica del DNA Estabilidad y desnaturalización del DNA Parámetros topológicos y estabilidad Topoisomerasas
➢ Estructura de cromatina y cromosomas Cromatina: organización nucleosómica Estructura de cromosomas: centrómeros y
telómeros
➢ rganización genómica !enomas: DNA codi"icante y no codi"icante Estructura molecular del gen
8/18/2019 DNA Genomas
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2010 Enrique Castro #2
Estabilidad de la doble héliceEstabilidad de la doble hélice
6uerza iónica, >
Especi"icidad: pd@Estabilidad: apilamiento
Transición@*liceo=illo
re=ersible
➢ T*rmino entálpico, Q7• 4epulsión electrostática de Pi
• Puentes de @idrógeno intercatenarios
• >nteracción RR por apilamiento de bases
Q! Q7 TQ
➢ T*rmino entrópico, Q• 4estricción en rotación de enlaces
• ?iberación de agua por apilamiento(E+ecto idro+&bico!
➢ 6actores -ue a"ectana la estabilidad
• Temperatura• 6uerza iónica• p7
• 6ormadores de pd@• Detergentes• ol=entes orgánicos
p7
urea+ormamida
Calor, T
Q7apilamiento S 1332 F/mol Q7pd@ S 8#,$< U 1# F/mol
detergentessol=entes org)
2010 Enrique Castro #3
,
,
A 2 ,
Desnaturalización del DNA: efecto hipercrómicoDesnaturalización del DNA: efecto hipercrómico
nati=o6frio7
Desnaturalizado
6caliente7
2,2
Kongitud de ondaC n'
A b s o r b a n c i a
.F$
.F,
,F$
El apilamiento inter"ierecon absorción GH: A
#3;
E"ecto @ipercrómico:Aumento A#3; al calentar
Desapilamiento de bases
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2010 Enrique Castro #5
Desnaturalización térmica del DNADesnaturalización térmica del DNA
('< te'&eratura
de fusión
El DNA se funde al calentar
Rehibrida la enfriar
T m= H S
(ransición
fuerte'ente
coo&erati=a
(' (
, + /Llog6M7 + L67 + βL6:7
Tm aumenta
con V8!C<
2010 Enrique Castro #
El DNA se desnaturaliza en medio fuertemente básico (o ácido)El DNA se desnaturaliza en medio fuertemente básico (o ácido)
?a ionización de las bases a"ecta a lospuentes de @idrógeno de atsonCricF
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2010 Enrique Castro #B
HibridaciónHibridación
#elin e ig 21D, 222
%sociaci&n /or secuencia
com/lementaria local
Etensi&n dela/areamiento
>denti"icación mediantesonda de @ibridación
Calentado6todo en ebra sim/le
onda6egmento corto marcado
En+riado6
.brido natio-sonda
iltrado6Eliminar sondasno unidas (cortas!
2010 Enrique Castro $;
Superenrollamiento del DNASuperenrollamiento del DNA
●"ro&iedad to&ológica● 8in rotura de enlaces co=alentes● Mn=ariable a defor'aciones
●3xtre'os fiPos● DNA circular ● "untos de anclaPe in'ó=iles
Topoisómeros de DNA circular
Densidad superenrollamiento, W →
plecton*mico
solenoidal
En soluci&n
En la clula(mAs com/acto<
intercon.ertibles
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2010 Enrique Castro $1
Topologí a del superenrollamientoTopologí a del superenrollamiento
K/
(Q + ;
r
Link Twist Write
enlace giro torsi!n (Stryer)
ligamiento torsi!n retorcimiento (Lehninger)
liga"!n torsi!n retorcimiento (Mathews)
enlace torsion retorcimiento (Devlin)
liga"!n giro #uperenrollamiento
Diapositivas
: superenrollamiento
T: giro de @*lice
?: nX de crucesdel plano
?F: Parámetro topológicoNX enteroConstante (etremos +ijos!
T, : Parámetros geom*tricos=ariables 8intercon=ertibles<no enteros
2010 Enrique Castro $#
Interconversión tensión-giro-superhéliceInterconversión tensión-giro-superhélice
DNA relaPado
K, J
DNA tenso
K/ G
( J
; ,-. =uelta
(ensión* ,
*K/
*(Q + *;
r
K S ( + ;
( G
; , ( J
; -.
*;r
8u&erenrolla'iento
*(Q
:usión local
*K/-.
!, G,
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2010 Enrique Castro $$
Relajación de tensiones superhelicoidalesRelajación de tensiones superhelicoidales
● a'bios confor'acionales<
● )ecanis'os enzi'ticos< (o&oiso'erasas
recluta'iento
acti=ación
Cambio topológico Caracter.sticas de lasecuencia
6usión local 8QT: 1/1; pb< 4icas en AT
Paso a MDNA 8QT: #/1; pb< Alternando PurPir
Paso a 7DNA Q ? 7ebras Pur/Pir
Estructurascruci"ormes
Q ? pal.ndromos
G SC =k ⋅
$ 8u&erenrolla'iento
reuiere energa= L
k
L%
DNA celular W S ;,;3
2010 Enrique Castro $(
Topoisomerasas: catálisis de cambios en Lk Topoisomerasas: catálisis de cambios en Lk
• (i&o M< orte 'ono%ebra *K T.
• (i&o MM< orte de doble %ebra *K -2
3ucariotas< antitu'orales
6ca'&totecina7&rocariotas< antibióticos
6cF Nalidxico7
Topoisomerasas cromosómicasTopoisomerasas replicati=as 8no=obiocina<
U"
V (@r
"U
V(@r
Mnter'ediario
co=alente
Mnter'ediario co=alenteA("asas
A("asas
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2010 Enrique Castro $2
DNA, genes y cromosomasDNA, genes y cromosomas
➢ Estructura del DNA Nucleótidos: estructura, nomeclatura y
propiedades Estructuras secundarias Estructura supersecundarias
➢ Dinámica del DNA Estabilidad y desnaturalización del DNA Parámetros topológicos y estabilidad Topoisomerasas
➢ Estructura de cromatina y cromosomas Cromatina: organización nucleosómica Estructura de cromosomas: centrómeros y
telómeros➢ rganización genómica
!enomas: DNA codi"icante y no codi"icante Estructura molecular del gen
2010 Enrique Castro $3.. n'
$F$ n'
DNA empaquetado: cromatinaDNA empaquetado: cromatina
I nor'al6,F.$ ) Wl7
I baPa
:ibras de
cro'atina6!, n'7
uentas
en rosario6., n'7
/ibra de 0N1
Núcleo de %istonas
oct'ero
DNA ligadoS 1(3 pbcompacto, estable
DNA de coneIiónS 1222 pbsensible a nucleasa
Nucleoso'a
7istona 71mantiene el DNAconector
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2010 Enrique Castro $5
Estructura del nucleosomaEstructura del nucleosoma
Histonas
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2010 Enrique Castro $B
!, n'
:ibra de
cro'atina
de !, n'
71 "iOa DNA71 enrollamiento solenoidal(J nGuelta!
Histona H.
Brazo de unión.$-$$ &b
Estructura de las fibras de cromatina 30 nmEstructura de las fibras de cromatina 30 nm
o'&actación DNA< x.,,
2010 Enrique Castro (;
Estructura de cromosomas en interfaseEstructura de cromosomas en interfase
➢Cromosoma inter"ásico•1 mol*cula DNA•'ucles cromatina $; nm•Anclados a andamiaOe por 0A4 •Transcripcionalmente acti=o
1ndamia7e del cromosoma
ecuencias espec."icasde unión80A4s, A4s<
.-!L.,J &b
X !-., c'
CL.,I &b 1
cro'oso'as
X 2F2 '
DNA: una Knica molcula lineal
'ucles: •icos 91, 9=@, 'o/o))•#escondensables•E/resables
Topo >>71
8/18/2019 DNA Genomas
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2010 Enrique Castro (1
Estructura de cromosomas mitóticosEstructura de cromosomas mitóticos
➢Cromosoma mitótico•1 mol*cula DNA•Altamente condensado•Condensinas•Transcripcionalmente inacti=o) No eIpresable
Condensinas• !randes compleOos prote.nas 0C• ATPasas)
• Gnen DNA por eItremos globulares• @idrolizan ATP• "orman bucles deItrógiros de DNA
2010 Enrique Castro (#
Estructura de los elementos funcionales básicosdel cromosoma
Estructura de los elementos funcionales básicosdel cromosoma
teló'ero teló'erocentro'ero
AR8
0+ltiples (1G3-300 5/b!4icas en AT (+Acil +usi&n!
Mnicio de re&licación
Ynión al uso 'itótico
segregación 'itótica
"re=enir degradaciónanclaPe de re&aradores
Hebra rica en (
3xtensión !5
X. /&bHebra rica en A
Re&eticiones telo'4ricas
.-$, /&b
Re&eticiones de
secuencias (3KRe&eticiones desecuencias 3N
ACAAACT ACAAACT5;;pb
4eiterado Y1; Fpb
5' AGGGTT AGGGTT AGGGTT AGGGTT AGGGTT AGGGTT AGGGTT 3'
3' TCCCAA TCCCAA TCCCAA TCCCAA 5'
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2010 Enrique Castro ($
Telómeros de mamí ferosTelómeros de mamí feros
"rotección de la
degradación
anclaPe dere&aradores
5'TTAGGG
3'AATCCC
d.mero T461 liga a cadarepetición telom*rica
D.meros T461se unen entre si: plegado
'ucle TPA4P
T46# estimulain=asión de @ebra $J
5'AGGGTT AGGGTT AGGGTT AGGGTT AGGGTT AGGGTT AGGGTT 3'
3'TCCCAA TCCCAA TCCCAA TCCCAA 5'
Alineamientode DNA d+pleI
>n=asión por eItensión $J8Dloop<
2010 Enrique Castro ((
Visualización molecular de bucles-TVisualización molecular de bucles-T
oet M Ed 2011
8/18/2019 DNA Genomas
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2010 Enrique Castro (2
DNA, genes y cromosomasDNA, genes y cromosomas
➢ Estructura del DNA Nucleótidos: estructura, nomeclatura y
propiedades Estructuras secundarias Estructura supersecundarias
➢ Dinámica del DNA Estabilidad y desnaturalización del DNA Parámetros topológicos y estabilidad Topoisomerasas
➢ Estructura de cromatina y cromosomas Cromatina: organización nucleosómica Estructura de cromosomas: centrómeros y
telómeros➢ rganización genómica
!enomas: DNA codi"icante y no codi"icante Estructura molecular del gen
2010 Enrique Castro (3
teló'ero teló'erocentro'ero
Re&eticiones de
secuencias (3K Re&eticiones de
secuencias 3N
Otras
re&eticiones
Organización génica en procariotas y eucariotasOrganización génica en procariotas y eucariotas
Procariotas Eucariotas
ro'oso'as . 6+ &ls'idos7 'uc%os
(o&ologBa circular lineal
'RNAs "olicistrónicosin &rocesa'iento
)onocistrónicogran &rocesa'iento
Mntrones No 8i
DNA no-codificante No 8i
3'&aueta'iento ligero )u@ co'&acto
6%istonas7
ro'oso'a lineal
ro'oso'a circular
origen
8/18/2019 DNA Genomas
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2010 Enrique Castro (5
DNA genómico y tamaño del genomaDNA genómico y tamaño del genoma
=irus
%ongos
a=es
.,! ., .,$ ., .,G .,J .,I .,., .,.. .,.
DNA genó'ico 6&b &or geno'a %a&loide7
%aba
E. coli
le=adura
tiburón
Drosophila
Xenopus
Ho'bre
!F2L.,I &b
"rocariotas
3ucariotas
"eces cartilaginosos
bacterias
&lantas
insectos
'oluscos
"eces óseos
re&tiles
'a'feros
anfibios
C. elegans
1B);;;H. sapiens
#1)2;;
!enoma:•ConOunto de genesdel organismo
Halor C:•DNA total por c*lula@aploide
ParadoOa de C:•Ausencia de correlación
C Z[Y compleOidad•DNA no codi"icante
2010 Enrique Castro (
Tipos de DNA eucariótico: por funciónTipos de DNA eucariótico: por función
DNA repetiti=o
DNA copia +nica
0oderadamente reiterado
Altamentereiterado
!enes 4NA
EIpresión de genes4egulación g*nica
4olestructural
4ep) CEN4ep TE?
transcrito
Gag, pol env
8/18/2019 DNA Genomas
25/27
2010 Enrique Castro (B
Tipos de DNA eucariótico: por repeticiónTipos de DNA eucariótico: por repetición
➢DNA de copia +nica longitud copias V genoma @umano•!enes +nicos de prote.nas ariable 1 N1;>
•Pseudogenes (16! ariable 1 N0>
• >ntrones y seales de control ariable 1 N2>
•Espaciadores (Hjun5I! N2;>
➢DNA moderadamente reiterado•!enes en tándem prote.nas ariable 3-30 N0;>
•!enes en tándem 4NA ariable 10-100 N0;-1>
•4epeticiones intercaladas
•Transposones de DNA 2-3 5b 3O10; N3>
•4etrotransposones con ?T4 J-11 5b O10; N>
•4etrotransposones sin ?T4
•?>NE J- 5b JO10; N21> ?1•>NE 100-300/b 1JO10J N13> Alu
➢DNA altamente reiterado•DNA secuencia simple, 4 1-;00 /b 10;-10J N1-1;> DNA sat*lite
•4epeticiones in=ertidas D 02-1 5b 2O10J N;->
4ep) CEN4ep TE?
4olestructural
4ep) CEN4ep TE?
8 )b9 8:8 co$ias
$b9 8 co$ias
, - - 2 $b
; en tndem
y reiterado
DNAmó=il
Hirusintegrados
2010 Enrique Castro 2;
Estructura molecular del genEstructura molecular del gen
&ro'otor
&otenciadores
intronesexones
adenilación
$5 !5
No funcional
8eZales de
control $5
8eZales de
control !5
en
8/18/2019 DNA Genomas
26/27
2010 Enrique Castro 21
Genes eucarióticosGenes eucarióticos
2010 Enrique Castro 2#
Organización del DNA codificanteOrganización del DNA codificante
Kisozi'a.$ /B no 'RNAno 'RNA
, /B
8ecuencias Alu
● enes si'&les
8/18/2019 DNA Genomas
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2010 Enrique Castro 2$
Clusters de las globinas: LINES y SINESClusters de las globinas: LINES y SINES
oet M Ed 2011
8ecuencias Alu
en a'bas direcciones
3le'entos K.
en a'bas direcciones