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Ácidos Nucleicos(ADN y ARN)
Salvador Resino García
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Ácidos Nucleicos

• DNA (ácido desoxirribonucleico)
• RNA (ácido ribonucleico)

• -Ácido fosfórico
• Pentosa (ribosa o desoxirribosa)
• -Bases nitrogenadas

• Cada monómero de ácido nucleico es un nucleótido
  formado por la unión del ácido fosfórico azucar
  (ribosa, desoxiribosa) base nitrogenada

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Enlace fosfodiester

• Ácido fosfórico
• - Une los nucleótidos entre sí asociando las
  pentosas de dos nucleótidos consecutivos
• - La unión se produce con el carbono 3 de un
  nucleósido con el carbono 5 del siguiente
• - Enlace de alta energía muy estable.

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Azúcar y base nitrogenada
DNA Y RNA (Diferencias)
5
e.g., AMP is a ribonucleotide, dAMP is a
deoxyribonucleotide
6
DNA ESTRUCTURA DE LA DOBEL HELICE
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Composición en bases del DNA en algunas especies
A G C T Hombre, H.sapiens 0.29 0.18 0
.18 0.31 Bovino, Bos taurus 0.26 0.24 0.23 0.27 L
evadura, S.cerevisiae 0.30 0.18 0.15 0.29 Mycobact
erium sp. 0.12 0.28 0.26 0.11
Reglas de Chargaff
1. La relación purinas/pirimidinas es igual a 1
Es decir, AG CT 2. En todos los DNA
estudiados, la proporción molar de A es igual
a la de T, y la de G igual a la de C. Es
decir, A T y G C
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Modelo de Watson-Crick
9
Modelo de Watson-Crick
3. El eje ribosa-fosfato se sitúa hacia el
exterior de la doble hélice, en contacto con el
solvente
4. Mientras que las bases nitrogenadas (anillos
planares) se sitúan, apiladas, hacia el interior
de la estructura, en un entorno hidrofóbico
10
Modelo de Watson-Crick
5. Las bases están situadas en planos
aproximadamente perpendiculares al eje mayor de
la doble hélice. La distancia entre planos es de
0.34 nm
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Modelo de Watson-Crick

• 6. Cada base interacciona con su opuesta a través
  de enlaces de hidrógeno, y de manera que
• Adenina (A) sólo puede nteraccionar con timina
  (T) (y viceversa), a través de dos puentes de
  hidrógeno.
• Guanina (G) sólo puede nteraccionar con citosina
  (C) (y viceversa), a través de tres puentes de
  hidrógeno

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Modelo de Watson-Crick
10. El eje de la doble hélice no pasa por el
centro geométrico del par de bases. Esto
determina que la hélice presente un surco ancho y
un surco estrecho
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Modelo De WATSON-CRICK

• Cada molécula de DNA está formada por dos largas
  cadenas de polinucleótidos que corren en
  direcciones opuestas formando una hélice doble
  alrededor de un eje imaginario central. De esta
  forma la polaridad de cada cadena es opuesta
• Cada nucleótido está en un plano perpendicular al
  de la cadena polinucleótida
• Las dos cadenas se encuentran apareadas por
  uniones de hidrógeno establecidas entre los pares
  de bases
• El apareamiento es altamente específico. Existe
  una distancia física de 11 A entre dos moléculas
  de desoxirribosa en las cadenas opuestas (sólo se
  pueden aparear una base púrica con una
  pirimídica. A-T G-C entre A y T hay dos puentes
  de hidrógeno y entre G-C hay tres. Son imposibles
  otras uniones)
• La secuencia axail de bases a lo largo de una
  cadena de polinucleótidos puede variar
  considerablemente, pero en la otra cadena la
  frecuencia debe ser complementaria

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Modelo De WATSON-CRICK
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Interacciones débiles que mantienen la estructura
del DNA
3
5
1. Enlaces de hidrógeno entre bases
complementarias 2. Interacciones hidrofóbicas
entre planos de bases contiguos (int. de
apilamiento, stacking) 3. Interacciones iónicas
del fosfato con moléculas electropositivas
(histonas, poliaminas, etc.)
5
3
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Curvas de fusión Estudio de estabilidad del DNA
Tm temperatura a la cual el 50 del DNA es
fusionado
Base de muchas técnicas de biología molecular.
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G-C content determines melting temperature
varies among organisms

La desnaturalización térmica del DNA sigue una
curva sigmoide. El punto medio, Tm, está
relacionado con el contenido en GC. Así, la
muestra B tiene un mayor contenido en GC que A.
La Tm es característica de cada especie
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Implicaciones genéticas del modelo
1. El material genético ha de ser lineal y
aperiódico el DNA cumple esa condición. 2.
El apareamiento de bases sugiere un modelo para
la replicación del mismo de forma que las dos
moléculas hijas son idénticas a la parental
5-CGTTGCAATTGCGAT-3 3-GCAACGTTAACGCTA-5
5-CGTTGCAATTGCGAT-3 3-GCAACGTTAACGCTA-5
5-CGTTGCAATTGCGAT-3 3-GCAACGTTAACGCTA-5
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Implicaciones genéticas del modelo
3. La reactividad de las bases y la estructura
general del DNA explican perfectamente la
acción de los mutágenos químicos 4. La
tautomería de las bases explica en parte las
tasas de mutación espontánea
Par Timina (ceto) - Adenina
Par Timina (enol) - Guanina
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(No Transcript)
21
DNA-A
DNA-Z
1. Doble hélice plectonémica y levógira 2. Zonas
de secuencia alternante -GCGC- 3. Conformación de
G es syn- en lugar de anti- 4. Más estrecha y
larga que DNA-B
1. Doble hélice plectonémica y dextrógira 2.
Planos de bases oblicuos respecto al eje de la
doble hélica 3. Propio de RNAs en doble hélice, o
de híbridos DNA-RNA 4. Más ancha y corta que DNA-B
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Superhélices de DNA
El DNA se presenta habitualmente en forma de
superhélices, cuando la doble hélice, a su vez,
se enrolla sobre sí misma. Esto permite el
empaquetamiento de la molécula en el interior de
la célula o del núcleo celular.
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DNA circular plasmidos,genoma bacteriano
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Nucleosomas

• DNA mide aproximadamente 2 metros de largo.
• Estructura repetitiva de cromatina.
• Estructura beads-on-string.
• Forma dada por la H1
• Zig-Zag
• Lineal
• Modelo del Solenoide.
• Histonas 2H2a, 2H2b, 2H3, 2H4
• DNA aprox. 196 pares de bases

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Histonas

• Hay 5 tipos diferentes H1, H2A, H2B, H3 y H4.
• Poseen un alto grado de conservación entre
  organismos.
• La histona H3 es la mejor conservada, también lo
  son la H2A y H2B, no así la H1.
• Hay dos fuentes de variabilidad
• Reiteración génica
• Modificación post-traslacional
• La principal modificación en las histonas es la
  acetilación, importante rol en la actividad
  génica.
• Entre otras modificaciones se encuentra la
  metilación y la fosforilación de residuos como
  Ser, Treonina, Lys, His.

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5
ESTRUCTURA DEL RNA
2-OH en la pentosa
Uracilo en lugar de timina
-Constituido por ribonucleótidos (nucleótidos de
ribosa) -Los ribonucleótidos se unen entre sí,
igual que en el DNA, a través de un ácido
fosfórico en sentido 5?3 -El RNA es casi
siempre monocatenario
3
27
RNA

• Los distintos tipos de RNA permiten la expresión
  fenotípica del DNA
• Como mensaje genético que determina la secuencia
  de aminoácidos en la síntesis de proteína RNA
  mensajero o mRNA
• Como molécula que activa a los aminoácidos para
  poder ser incorporados en una nueva proteína RNA
  de transferencia o tRNA
• Como elemento estructural básico de las
  partículas encargadas de llevar a cabo la
  síntesis proteica, los ribosomas RNA ribosómico
  o rRNA

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Características

• Reactividad química El RNA, al tener el grupo
  2-OH, es mucho más reactivo químicamente que el
  DNA. En concreto, puede ser completamente
  hidrolizado por álcali a una mezcla de 2- y
  3-nucleótidos.
• Estructura tridimensional Las formas en doble
  hélice del RNA adoptan la configuración A (en
  lugar de la B, propia del DNA), así como los
  híbridos DNA-RNA. La pentosa aparece en forma
  endo-3 (y no endo-2)
• En el RNA son frecuentes las bases y nucleósidos
  anómalos

Bases anómalas
Nucleósidos anómalos
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Características

• Tamaño molecular aun con ser grande, es de
  bastante menor tamaño que el DNA. Está presente
  en todas las células, sean del tipo que sean.
• RNA como material genético Algunos virus tienen
  como material genético el RNA. Entre éstos, los
  hay que a partir de su RNA sintetizan un DNA
  complementario mediante una enzima conocida como
  transcriptasa inversa. Son los retrovirus.
• RNA como enzima Algunos RNA son capaces de
  catalizar reacciones químicas del mismo modo que
  las enzimas (ribozimas).
• Participa en el procesado del transcrito primario
  para dar lugar al RNA mensajero o mRNA,
• Participa en la formación de enlace peptídico en
  la síntesis de proteínas.

30
RNAt
31
Secondary structure diagram
Tertiary structure diagram
Tetrahymena rRNA intron
Cr.LSU rRNA intron
32
Replicación del DNA
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Características

• El DNA es el portador del mensaje genético
• La cantidad de DNA en las células de individuos
  de la misma especie es constante
• Cuanto más compleja es la especie mayor cantidad
  de DNA contiene
• La luz ultravioleta de 360 nm es la más absorbida
  por el DNA y la qué provoca más mutaciones
  (reconocidas por una descendencia anormal)
• Debido a la temporalidad de los seres vivos para
  que una especie no se extinga ha de haber al
  menos un momento en el que la información
  biológica (características morfológicas y
  fisiológicas) se replique y a partir de esas
  copias aparezcan los descendientes.

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El proceso de duplicación del DNA es controlado
enzimáticamente, asegurando así una alta
fidelidad en la información que contiene la
copia. Entre las enzimas que participan en el
proceso de replicación o duplicación del DNA
tenemos DNA polimerasa, participa en la
replicacion y reparación del DNA. Topoisomerasas,
desenrollan al DNA. Helicasas, separan las dos
hebras del DNA para que cada una actúe como
molde. Primasas, sintetizan al RNA cebador usando
como molde una hebra del DNA. Nucleasas, rompen
una de las hélices, dando lugar a un origen de
replicación, reparan lesiones del DNA. Ligasas,
unen fragmentos de DNA adyacentes a través de
enlaces fosfodiester.
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Características de la Replicación del DNA

• La duplicación consiste en la disociación de las
  dos cadenas de forma que cada una sirve como
  molde para la síntesis de dos hebras
  complementarias, produciéndose dos moléculas de
  DNA con igual constitución molecular
• Es semiconservativa ya que al final de la
  duplicación, cada molécula de DNA presenta una
  hebra original y una hebra nueva.
• Es bidireccional, ya que a partir de un punto
  dado, la duplicación progresa en dos direcciones.
  
• La replicación avanza adicionando mononucleótidos
  en dirección 5' ? 3'
• Es semidiscontinua, ya que en una de las hebras
  (hebra conductora) sesintetizan filamentos
  bastante grandes y de forma continua, mientras
  que en la otra (hebra retardada) la síntesis es
  discontinua, ya que se van sintetizando
  fragmentos pequeños que se disponen de manera
  separada.

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Gen

• Un gen es un fragmento de ácido nucleico que
  tiene información para un determinado carácter y
  ocupa una posición fija en el hilo de DNA
  (LOCUS).
• Para un mismo locus puede haber más de un tipo de
  información. Cada información que hay en un mismo
  locus se le llama ALELO

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Alteración en la Secuencia de Nucleótidos
mutaciones

• Las mutaciones posibilitan la aparición de
  individuos distintos
• Existe la posibilidad de que alguno de los nuevos
  individuos se adapte a las posibles variaciones
  ambientales
• Las mutaciones aparecen por acción de agentes
  externos (radiaciones, agentes químicos, virus,
  etc.) o causa interna (error de copia,
  entrecruzamientos, recombinación genética).

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La Expresión del Mensaje Genético

• Las instrucciones para construir las proteínas
  están codificadas en el DNA y las células tienen
  que traducir dicha información a las proteínas.
  El proceso consta de dos etapas

1.- En el núcleo se pasa de una secuencia de
bases nitrogenadas de un gen DNA a una secuencia
de bases nitrogenadas complementarias que
pertenecen a un mRNA (TRANSCRIPCIÓN)
2.- En los ribosomoas se pasa de una secuencia
de ribonucleótidos de mRNA a una secuencia de
aminoácidos (TRADUCCIÓN)
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El Código Genético

• Existen 20 aminoácidos diferentes y sólo 4
  nucleótidos en el mRNA. Se pueden construir 64
  tripletes mediante combinaciones con repetición
  de los 4 nucleótidos tomados de tres en tres. A
  cada triplete se le llama CODÓN
• Es universal, pues lo utilizan casi todos los
  seres vivos conocidos. Solo existen algunas
  excepciones en unos pocos tripletes en bacterias.
• No es ambiguo, pues cada triplete tiene su propio
  significado
• Todos los tripletes tienen sentido, bien
  codifican un aminoácido o bien indican
  terminación de lectura.
• Está degenerado, pues hay varios tripletes para
  un mismo aminoácido, es decir hay codones
  sinónimos.
• Carece de solapamiento,es decir los tripletes no
  comparten bases nitrogenadas.
• Es unidireccional, pues los tripletes se leen en
  el sentido 5-3.

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El Código Genético
   
       
 
41
Organización básica del material genético en
bacterias
Las bacterias contienen una sola molécula de DNA
circular en su citoplasma, que posee todos los
genes necesarios para la vida de la bacteria. No
está contenido en un núcleo.
Plásmido o DNA extracromosómico, que es opcional
según especie y cepa, y confiere nuevas
propiedades a la bacteria
Genoma bacteriano o DNA cromosómico, que es una
sola molécula bicatenaria circular
De forma opcional, puede poseer elementos
genéticos extracromosómicos, adquiridos
por procesos de intercambio genético entre
bacterias. Se trata de los plásmidos. Estos
elementos poseen la propiedad de conferir nuevas
capacidades a la bacteria, y pueden replicarse
de forma autónoma respecto al DNA cromosómico.
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Organización básica del Genoma Bacteriano
El DNA cromosómico se organiza para constituir
genes, con escaso material intergénico La mayor
parte de estos genes se presentan de forma única
en el genoma. Es el caso de los factores de
virulencia proteicos o exotoxinas
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Organización básica del Genoma Bacteriano
La mayor parte del genoma bacteriano está
constituido por genes que codifican proteínas
estructurales, enzimas metabólicas o factores de
virulencia. Se encuentran habitualmente en una
sola copia, lo que hace que una mutación en los
mismos condicione una función bacteriana.
El genoma contiene, a su vez, múltiples copias de
los genes que codifican el RNA ribosómico
16S, que forma parte de la subunidad menor del
ribosoma. Estos genes tienen secuencias
muy conservadas entre las distintas familias
bacterianas, así como regiones muy
divergentes, incluso dentro de la misma especie
bacteriana. Por ello, su estudio permite
establecer relaciones filogenéticas entre
bacterias, y determinar la variabilidad genética
de las distintas poblaciones de una especie.
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Organización básica del Genoma Humano
Los genes eucariotas contienen secuencias
codificantes denominadas exones, separadas entre
sí por otras no codificantes llamadas intrones.
Durante el procesamiento del mRNA, se eliminan
las secuencias de los intrones, fenómeno conocido
como corte-empalme o splicing
Cada exón suele corresponderse con un dominio de
la cadena polipeptídica. El dominio es una
región del polipéptido con una localización y
función definida dentro de la proteína final y la
célula. Una proteína tiende a estar constituida
por varias cadenas, por lo que entran en juego
varios genes
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Organización básica del Genoma Humano
46
Organización básica del Genoma Humano
47
Organización básica del Genoma Humano
48
Qué aplicaciones tiene el análisis de ácidos
nucleicos en Microbiología?
DNA
RNA
Se emplea para confirmar la presencia de
patógenos en muestras clínicas y, en ocasiones,
para cuantificarlos
Se emplea para cuantificar la expresión de
factores de virulencia microbianos, o para
cuantificar RNA-virus
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Qué aplicaciones tiene el análisis de ácidos
nucleicos en enfermedades genéticas de herencia
mendeliana?
DNA
RNA
Se emplea para confirmar la presencia de
mutaciones causantes de la enfermedad, ya sea
prenatal o de forma posterior al nacimiento
No suele utilizarse en el diagnóstico de rutina
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Qué aplicaciones tiene el análisis de ácidos
nucleicos en la susceptibilidad a enfermedades
multifactoriales?
DNA
RNA
Se emplea para confirmar la presencia de
polimorfismos favorecedores de la enfermedad
(asma, infarto, ...), para la detección de
mutaciones en genes asociados a cáncer familiar,
y para mutaciones del DNA en tejidos tumorales
Se utiliza, aún de forma experimental, para
estudiar las diferencias en la expresión de genes
entre tejidos sanos y tumorales, empleando los
microarrays o microchips