Estructura y replicacin del material gentico Dr Antonio

Estructura y replicación del material genético Dr. Antonio Barbadilla 1 Tema 6: Estructura y replicación del material genético 1

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 3 D 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 Dr. Antonio Barbadilla 2 Tema 6: Estructura y replicación del material genético 2

La transformación bacteriana en Streptococcus pneumoniae (Griffith 1928) Rugosa Muerte por neumonía Cepa resistente Lisa Dr. Antonio Barbadilla No muere 3 Tema 6: Estructura Muere y replicación del material genético 3

¿Cuál es el Principio transformante? Principio Rugosa Lisa Dr. Antonio Barbadilla 4 Tema 6: Estructura y replicación del material genético 4

Colin Mac. Leod El elemento transformante es el DNA (1944) Maclyn Mc. Carty Oswald Avery Ver animación experimento tranformación bacteriana Dr. Antonio Barbadilla Tema 6: Estructura y replicación del Sólo DNA produce transformación 5 material genético 5

Experimento de Alfred Hershey y Martha Chase con fagos (1952) Bacteriófago T 4 El DNA es el material infeccioso Dr. Antonio Barbadilla 6 Tema 6: Estructura y replicación del material genético 6

Componentes de los ácidos nucleicos adenina timina guanina citosina Dr. Antonio Barbadilla 7 Tema 6: Estructura y replicación del material genético 7

Reglas de Chargaff 1. Proporción de purinas = Proporción de pirimidinas A+G=C+T 2. A=T 3. G=C Dr. Antonio Barbadilla 8 Tema 6: Estructura y replicación del material genético 8

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 Dr. Antonio Barbadilla 9 Tema 6: Estructura y replicación del material genético 9

1953. Año culminante: Dos líneas de evidencia: • Reglas de Chargaff • Fotografías de difracción de rayos X Dr. Antonio Barbadilla 10 Tema 6: Estructura y replicación del material genético 10

Significado reglas de Chargaff Dr. Antonio Barbadilla 11 Complementariedad de las basesy replicación del Tema 6: Estructura material genético 11

Difracción de rayos X Hemoglobina Linus Pauling Dr. Antonio Barbadilla 12 Tema 6: Estructura y replicación del material genético 12

Interpretación del patrón difracción de rayos X del DNA Rosalind E. Franklin Dr. Antonio Barbadilla 13 Crick del Tema 6: Estructura y replicación material genético 13

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 Tema 6: Estructura y replicación del 14 material genético 14 cadenas Dr. Antonio Barbadilla

Dr. Antonio Barbadilla 15 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 15 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 20 Dr. Antonio Barbadilla 16 70 80 90 100 110 Temperatura de fusión (desnaturalización) Tema 6: Estructura y replicación del material genético 16

Dr. Antonio Barbadilla 17 Hélices levógiras y dextrógiras Tema 6: Estructura y replicación del material genético 17

Dr. Antonio Barbadilla 18 DNA-B dextrógira Tema 6: Estructura y replicación del material genético 18

Ver artículo Nature 1953 Dr. Antonio Barbadilla 19 Tema 6: Estructura y replicación del material genético 19

Dr. Antonio Barbadilla 20 Tema 6: Estructura y replicación del material genético 20

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 Dr. Antonio Barbadilla 21 Tema 6: Estructura y replicación del material genético 21

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 m. RNA (transcripción) Dr. Antonio Barbadilla 22 Tema 6: Estructura y replicación del material genético 22

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 Dr. Antonio Barbadilla 23 Tema 6: Estructura y replicación del material genético 23

Una estructura tan bonita tenía, por fuerza, que existir Dr. Antonio Barbadilla 24 Tema 6: Estructura y replicación del material genético 24 J. Watson

Una estructura tan bonita tenía, por fuerza, que existir J. Watson Dr. Antonio Barbadilla 25 Tema 6: Estructura y replicación del material genético 25

El DNA contiene información digital cuaternaria en secuencias unidimensionales de monómeros A, T, G, C (cristal aperiódico) 26 Dr. Antonio Barbadilla Tema 6: Estructura y replicación del material genético 26

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 helicoidal asombrosa, infinidad de vez formas sencillo, infinidad de formas cada más bellasvez cada y maravillosas más bellas y maravillosas Charles Darwin Dr. Antonio Barbadilla 27 Tema 6: Estructura y replicación del material genético 27

Dr. Antonio Barbadilla 28 Tema 6: Estructura y replicación del material genético 28

Replicación del DNA Dr. Antonio Barbadilla 29 Tema 6: Estructura y replicación del material genético 29

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. Dr. Antonio Barbadilla 30 Tema 6: Estructura y replicación del material genético 30

Posibles modelos de replicación Dr. Antonio Barbadilla 31 Tema 6: Estructura y replicación del material genético 31

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 Dr. Antonio Barbadilla 32 Tema 6: Estructura y replicación del material genético 32

Dr. Antonio Barbadilla 33 Tema 6: Estructura y replicación del material genético 33

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 Dr. Antonio Barbadilla 34 Tema 6: Estructura y replicación del material genético 34

Las polimerasas conocidas añaden nucleótidos solamente en la dirección 5’ 3’ 3’ 5’ Dr. Antonio Barbadilla 35 Tema 6: Estructura y replicación del material genético 35

Dr. Antonio Barbadilla 36 Tema 6: Estructura y replicación del material genético 36

¿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 Dr. Antonio Barbadilla 37 Tema 6: Estructura y replicación del material genético 37

Adición 5’ 3’ Dr. Antonio Barbadilla 38 Tema 6: Estructura y replicación del material genético 38

P P P OH PP P P OH OH 3’ 5’ PP + H 2 O P P P 39 OH OH P PP OH Dr. Antonio Barbadilla Tema 6: Estructura y replicación del material genético 39

Adición 3’ 5’ (hipotética) Dr. Antonio Barbadilla 40 Tema 6: Estructura y replicación del material genético 40

P P OH P P + H 2 O P P PP OH PP P P P OH 5’ 3’ P PP P P 41 P PP OH OH Dr. Antonio Barbadilla Adición 3’ 5’ (hipotética) Tema 6: Estructura y replicación del material genético 41

Corrección de errores Dr. Antonio Barbadilla 42 Tema 6: Estructura y replicación del material genético 42

P P P POH PP P P OH 3’ 5’ PP + H 2 O P P P 43 OH OH Dr. Antonio Barbadilla Adición 5’ 3’ Tema 6: Estructura y replicación del material genético 43

OH P P PP 44 POH Dr. Antonio Barbadilla P P OH 5’ 3’ Adición 3’ 5’ (hipotètica) Tema 6: Estructura y replicación del material genético 44

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) Dr. Antonio Barbadilla 45 Tema 6: Estructura y replicación del material genético 45

Dr. Antonio Barbadilla 46 Tema 6: Estructura y replicación del material genético 46

Dr. Antonio Barbadilla 47 Tema 6: Estructura y replicación del material genético 47

Polimerasa III Polimerasa I Dr. Antonio Barbadilla 48 Tema 6: Estructura y replicación del material genético 48

¿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 Dr. Antonio Barbadilla 49 Tema 6: Estructura y replicación del material genético 49

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 Tema 6: Estructura y replicación del 50 Dr. Antonio Barbadilla 50 material genético

El replisoma: una maquinaria de replicación extraordinaria Dr. Antonio Barbadilla 51 Tema 6: Estructura y replicación del material genético 51

El replisoma: una maquinaria de replicación extraordinaria Dr. Antonio Barbadilla 52 Tema 6: Estructura y replicación del material genético 52

El replisoma: una maquinaria de replicación extraordinaria DNA pol III + abrazadera beta -> Enzima procesiva Dr. Antonio Barbadilla 53 Tema 6: Estructura y replicación del material genético 53

El replisoma: una maquinaria de replicación extraordinaria Dr. Antonio Barbadilla 54 Tema 6: Estructura y replicación del material genético 54

Topoisomerasas Dr. Antonio Barbadilla 55 Tema 6: Estructura y replicación del material genético 55

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 Dr. Antonio Barbadilla 56 Tema 6: Estructura y replicación del material genético 56

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 Dr. Antonio Barbadilla 57 Tema 6: Estructura y replicación del material genético 57

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 Dr. Antonio Barbadilla 58 Tema 6: Estructura y replicación del material genético 58

Links de interés q. Watson-Crick original paper (1953 Nature) q. Trabajos estelares del descubrimiento de la doble hélice q. DNA: el secreto de la vida (Animación) q. Celebración 50 aniversario descubrimiento de la doble hélice en la UAB q. DNA Structure q. The Search for DNA - The Birth of Molecular Biology q. Image Library of Biological Macromolecules - DNA berkeley q. DNA Learning Center q. Beginner's guide to Molecular Biology q. Glosario de Genética molecular q. DNA Replication q. Animación de la replicación Dr. Antonio Barbadilla 59 Tema 6: Estructura y replicación del material genético 59