E S T R U C T U R A Y F U N C IÓ N N D E L A D N(97 2003)

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INSTITUCIÓN EDUCATIVA “JULIO CÉSAR GARCIA”ÁREA DE CIENCIAS NATURALES Y EDUCACIÓN AMBIENTAL

PROFESOR: EDUARDO JAIME VANEGAS LONDOÑO

ESTRUCTURA Y FUNCIÓN DEL ADN

¿QUÉ ES UN GEN?• Es una secuencia de nucleótidos en la

molécula de ADN, equivalente a una unidad de transcripción.

• Contiene la información, a partir de la cual se sintetiza un polipéptido, una enzima, un ácido ribonucleico: mensajero, de transferencia o ribosomal.

• En el genoma humano la mayoría de los genes son únicos y se expresan en forma independiente. Los genes segregan cuando ocurre la meiosis.

DOGMA CENTRAL DE LA BIOLOGÌA MOLECULAR

Hebra molde

Transcripción

Traducción

Naturaleza del material hereditario.

Los ácidos nucleicos y sus componentes

Los ácidos nucleicos son macromoléculas con estructura de polímero lineal, donde los monómeros son nucleótidos. Cada nucleótido está formado por un azúcar pentosa, un fosfato y una base nitrogenada. Las bases pueden ser purinas (de doble anillo), como la Adenina y la Guanina...

ADENINA (A) GUANINA (G)

También pueden ser pirimidinas, de anillo sencillo, como la timina y la citosina, en el ADN; y la citosina y el uracilo en el ARN

TIMINA (T) URACILO (U) CITOSINA (C)

12

3 4

5

6

Pentosa del ADN: Desoxirribosa

ATENCIÒN: Un hidrógeno en la posición 2’

3’

5’

Desoxirribunucleótido

La molécula de ADN es una doble hélice antiparalela (Watson y Crick 1953)

Fosfatos van unidos al azúcar en el C-5’ y el C-3’

Hebras antiparalelas

Punta 3’ librePunta 5’ libre

ACIDOS NUCLEICOS

La función codificante del ADN está determinada por la secuencia de sus nucleótidos (bases)

Hebra molde

Hebra líder

Hebra retardada

EL ADN es la molécula que permite perpetuar la vida: REPLICACIÓN DEL ADN

REPLICACIÓN• Las ADN polimerasas requieren como

sustrato la punta 3’ hidroxilo libre de una base apareada para catalizar la unión de otro nucleótido.

• El OH libre se une al 5’-fosfórico del deoxinucleósido 5’ trifosfato, liberándose un pirofosfato inorgánico

ADN polimerasas, ligasas….• ADN polimerasas de alta fidelidad dirigidas

por ADN: dos de ellas replican los cromosomas, () específica para la hebra retardada porque tiene una subunidad primasa, () líder y elongación de la hebra retardada, otras dos reparan el ADN ( y ), y una de ellas replica y repara el ADN mitocondrial ().

• tienen actividad 3’ - 5’ exonucleasa• y tienen actividad de reparación del ADN

de tipo excisión de nucleótidos y de bases.

ADN-POLIMERASAS…..• ADN polimerasas propensas a errores dirigidas

por ADN: un grupo grande que replica con muy baja fidelidad. La tasa de error de la polimerasa (iota) es 20.000 veces mayor que la de . Se expresan en cantidades altas en el sistema inmune, implicadas en la hipermutabilidad en linfocitos B y T.

• ADN polimerasas dirigidas por ARN: usan como molde una hebra de ARN: transcriptasas reversas.

• Ej: Actividad polimerasa en la enzima telomerasa (Tert) que replica la parte final de los extremos lineales de los cromosomas.

Transcriptasa reversa endógena, que ocasionalmente puede convertir ARN en ADNc e integrarlo al genoma.

PROTEINAS PRINCIPALES REPLICACIÓN

• Topoisomerasas: rompen una hebra y la tensión del enrrollamiento de la hélice se relaja

• Helicasas: completan el desenrrollamiento• ADN polimerasas: complejos agregados de

diferentes proteínas.• Primasas: sintetizan los iniciadores de ARN que se

necesitan para iniciar la replicación• Ligasas: sellan las lagunas dejadas por las

ribonucleasas cuando remueven los primers, catalizan la unión fosfodiester entre nucleótidos adyacentes.

• Proteinas de unión a la hebra sencilla del ADN: estabilizan la horquilla de replicación.

Estructura tridimensional de una helicasa: un hexámero con seis sitios de enlace al ATP. La hidrólisis secuencial de

estos ATPs permite el desenrrollamiento de la doble hélice.

La ADN polimerasa

SÍNTESIS DEL PRIMER DE ARN POR UNA PRIMASA

En eucariontes los fragmentos de Okasaki tienen 200 nucleótidos, los primeros unos 10.Los iniciadores de ARN se eliminan mediante una ARNasaespecífica que reconoce dobles hélices híbridas ARN-ADNLa laguna es llenada por una polimerasa y la unión finalmente es realizada por una ligasa

La ligasa acopla la hidrólisis de un ATP para hacer más favorable la reacción de unión entre el fosfato y el hidroxilo libre, liberando al final un AMP.

Efecto de las proteínas de enlace con la hebra sencilla del ADN

ESTRUCTURA DE LAS PROTEINAS DE ENLACE A LA HEBRA SENCILLA

MODELO DE LA PROTEÍNA HUMANA

Horquilla de replicación en los mamíferos: Dos polimerasas diferentes en la hebra retardada, primero empieza la pol

sintetizando el primer de ARN algo del ADN porque tiene una subunidad primasa, luego sigue trabajando la pol en la

elongación del fragmento

REPARACIÓN DEL ADN

TIPOS DE DAÑO AL ADNMecanismos endógenos:1. Pérdida de bases tipo purinas por ruptura

espontánea del enlace con el azúcar 5000/día/célula humana

2. Deaminación espontánea de citosinas y adeninas produce uracilo e hipoxantina

3. Moléculas con oxígenos reactivos atacan los anillos de las bases nitrogenadas

4. La ADN polimerasa puede incorporar bases equivocadas en la replicación

5. Errores en la replicación o recombinación provocan fracturas en el ADN

AGENTES EXTRACELULARES1. Radiaciones ionizantes: rayos gamma

y rayos X causan rupturas en la doble hélice

2. Luz UV causa la formación de los dímeros de timina

3. Químicos ambientales como agentes alquilantes y otras sust químicas forman aductos con las bases del ADN: hidrocarburos, productos naturales como las aflatoxinas.

11_21.jpg

11_21_2.jpg

MECANISMOS DE DETECCIÓN Y REPARACIÓN DE DAÑOS AL ADN

• Sistemas enzimáticos para reconocer, eliminar y reparar daños inducidos al ADN se han descrito y estudiado bien en bacterias

• El estudio de los síndromes hereditarios de predisposición al cáncer ha permitido ampliar el conocimiento en el ser humano

DEL ADN A LAS

PROTEÍNAS

TRANSMISIÓN DE LA INFORMACIÓN • La transmisión se lleva a cabo

principalmente gracias a la existencia de los ácidos ribonucleicos o ARNs

• ARN mensajero (lineal de hebra simple)

• ARN de transferencia• ARN ribosomal• Y a las ARNs polimerasas

Ribonucleótido

ATENCION:

Grupo hidroxilo en la posición 2’

URACILO sustituye a la TIMINA

La secuencia correspondiente a una unidad de transcripción en el ADN se transcribe en una hebra complementaria de ARN, llamada transcrito primario, a partir del cual, por modificaciones post-transcripcionales , se origina el ARN mensajero

TRANSCRIPCIÒN

La ARN polimerasa se activa cuando forma un complejo con los factores de transcripción o elementostrans. La interacción de estos entre sí, y con las secuencias reguladoras del ADN(los factores cis) es la que determina donde, cuando y con qué rapidez ocurre la transcripción

Región reguladora EXON 1 EXON 2 EXON 3 EXON 4 EXON n Región reguladora

PROMOTOR

5` 3`

Intrón 1 Intrón 2 Intrón 3

Unidad de transcripción

Secuencia que no se traduce Secuencia que no se traduce

MODELO SIMPLIFICADO DE UN GEN HUMANO

Dra. Patricia Cuenca BergerINISA

Después del procesamiento postranscripcional del ARN transcrito primario, la secuencia de ARNm corresponde a las secuencias de los exones y las no codificantes

(UTRs).

PROCESAMIENTO POSTRANSCRIPCIONAL DEL ARN

• Corte en 5’ y unión de un “cap”(5-metilguanosina), para proteger del ataque de las exonucleasas, facilitar el transporte núcleo-citoplasma, y el anclaje del ARNm al ribosoma

• Corte en 3’ y unión de una cola de poli-A (200 AMP), confiere estabilidad y ayuda en la traducción

• Eliminación de los intrones, por formación de un complejo snARNs-proteinas: “spliceosoma”, el cual es específico. La especificidad de la reacción está dada por la complementaridad de las bases entre los pequeños ARNs nucleares y el ARN transcrito primario

ARN de transferencia activado: cargado con el aminoácido correspondiente

CODIGO GENETICO ARNm

DOGMA CENTRAL DE LA BIOLOGÌA MOLECULAR

Hebra molde

Transcripción

Traducción

TRADUCCIÓN

ARN --- Proteína

Cuatro monómeros de aminoácidos

Reacción de condensación

Polipéptido

Enlace peptídico catalizado por el complejo enzimático localizado en el ribosoma

01_03.jpgESTRUCTURA GENERAL DE UN AMINOÁCIDO

POLARES Cargados

Sus moléculas están parcialmente cargadas

01_03_2.jpgPolares neutros

En sus residuos tienen grupos aminos, hidroxilos o sulfidrilos

01_03_3.jpgNo polares o hidrofóbicos

Estructura primaria(Secuencia lineal)

Residuos de los distintos aminoácidos

Estructura secundaria(forma adoptada espontáneamente)

Estructura terciaria(Forma tridimensional: globular,tubular, como una rueda, etc.)

Las proteínas sufren transformaciones post-traduccionales

Estructura cuaternaria: combinación de monómeros

Anemia falciforme:

Hemoglobina

HbA se transformaen HbS

La mutación es un cambio del segundonucleótido en el codón 6 en la subunidad beta

Adenina por timina

Ácido glutámico por valina

HbS Selección NaturalVentaja heterocigotoMalaria

Variaciones en la secuencia de bases del ADN que no causan alteraciones funcionales patológicas, son alelos o polimorfismos del gen existentes en la población (>1%)

Alteraciones en la secuencia de bases del ADN que alteran la función normal (produciendo patología) del producto génico

son mutaciones

MUTACIONES • Germinales o constitucionales:

• El individuo las adquiere por herencia de sus padres, puede ocurrir de novo en una célula germinal de alguno de los padres.

• Todas las células del cuerpo llevan la misma mutación• Ejemplo: enfermedades hereditarias

• Somáticas:

• Se adquiere en el transcurso de la vida• Es portada únicamente por la célula afectada y sus células

hijas. El individuo es un mosaico.• Ejemplo: cáncer

•CLASES DE MUTACIONES:

Sustitución de bases:

1- Sustituciones sinónimas (otro codón : mismo aa)2- Mutaciones sin sentido (cambio a codón STOP)3- Mutaciones de sentido equivocado: sustitución del aa en la proteina4- Mutaciones en el sitio de corte y empalme del ARN.

•Otros tipos de mutaciones:

a- Mutaciones de cambio en el marco de lectura - deleciones - duplicaciones o insersionesb- Mutaciones dinámicas

•La patología molecular intenta explicar porque un cambio genético dado podría resultar en un fenotipo clínico particular.

16_01.jpg

Pérdida de función del gen PAX3: Síndrome de Waardenburg tipo I, sordera y anormalidades pigmentarias

Diferentes tipos de mutaciones afectan al gen, todas causan pérdida de función y el mismo resultado clínico

Cambio fenotípico por dos mecanismos:

1- pérdida o reducción de la función normal.2- el producto podría adquirir una nueva función.

•¿Por qué las mutaciones tienen diferentes tipos de herencia, dominantes, recesivas, etc?

Las leyes de Mendel se cumplen en la herencia de algunos rasgos y enfermedades humanas, las que son codificadas por un solo gen.

Leyes de Mendel: redescubiertas 1900Modelo de la doble hélice del ADN: 1953

Mutaciones hereditarias:¿Dominante o recesiva?

Mutaciones recesivas llevan a un producto génico con función reducida o con pérdida de función.

- Para la mayoría de los genes, es suficiente el producto de uno de los alelos (la mitad) para que se lleve a cabo la función normal. Por eso es que la mayoría de los errores innatos del metabolismo son recesivos.

Mutaciones dominantes llevan a un producto génico con ganancia de función.- La ganancia de función causa fenotipos dominantes porque la presencia del producto normal no previene que el producto mutado se “comporte” anormalmente.

La adquisición de una nueva función es un evento raro en enfermedades hereditarias, pero muy común en cáncer

•Clases de mutaciones:

Sustitución de bases:

1- Sustituciones sinónimas (otro codón : mismo aa)2- Mutaciones sin sentido (cambio a codón STOP)3- Mutaciones de sentido equivocado: sustitución del aa en la proteina4- Mutaciones en el sitio de corte y empalme del ARN.

•Otros tipos de mutaciones:

a- Mutaciones de cambio en el marco de lectura - deleciones - duplicaciones o insersionesb- Mutaciones dinámicas

•La patología molecular intenta explicar porque un cambio genético dado podría resultar en un fenotipo clínico particular.

16_01.jpg

Pérdida de función del gen PAX3: Síndrome de Waardenburg tipo I, sordera y anormalidades pigmentarias

Diferentes tipos de mutaciones afectan al gen, todas causan pérdida de función y el mismo resultado clínico

Cambio fenotípico por dos mecanismos:

1- pérdida o reducción de la función normal.2- el producto podría adquirir una nueva función.

•¿Por qué las mutaciones tienen diferentes tipos de herencia, dominantes, recesivas, etc?

Las leyes de Mendel se cumplen en la herencia de algunos rasgos y enfermedades humanas, las que son codificadas por un solo gen.

Leyes de Mendel: redescubiertas 1900Modelo de la doble hélice del ADN: 1953

Mutaciones hereditarias:¿Dominante o recesiva?

Mutaciones recesivas llevan a un producto génico con función reducida o con pérdida de función.

- Para la mayoría de los genes, es suficiente el producto de uno de los alelos (la mitad) para que se lleve a cabo la función normal. Por eso es que la mayoría de los errores innatos del metabolismo son recesivos.

Mutaciones dominantes llevan a un producto génico con ganancia de función.

- La ganancia de función causa fenotipos dominantes porque la presencia del producto normal no previene que el producto mutado se “comporte” anormalmente. La adquisición de una nueva función es un evento raro en enfermedades hereditarias, pero muy común en cáncer

Variabilidad de los genesGen Tamaño N° exonesARNt 100 pb 2-globina 1.600 pb 3colágenoVII 31.000 pb 118Distrofina 2.400.000 pb 79Genes dentro de genes:Ej: el intrón 27 del gen NF1 contiene 3 genesGenes que se sobreponen: Ej: algunos genes mitocondriales

Proteoma• Es el set de genes que codifican para proteínas Distribución por su función en el GH:• Procesos ADN (replic, trans, trad.) 22%• Metabolismo 17%• División celular 12%• Defensa 12%• Regulación y señales 12%• Estructura 8%• Función desconocida 17%