Gentica molecular Cuenta de correo de la asignatura

Genética molecular • Cuenta de correo de la asignatura genmol@gmail. com • email: dhgrasso@yahoo. com/dgrasso@cnia. inta. gov. ar

2 evaluaciones, 2 fechas de cada uno: - Son equivalentes!, no hay distinción entre las fechas - Se puede utilizar ambas fechas para mejorar la nota 1 evaluación parcial de TPs Régimen de promoción tal como lo establece la Universidad ! al menos 6 en cada evaluación y el promedio de ambas debe dar al menos 7

Bases moleculares de la Herencia Las primeras preguntas de la herencia Aristóteles (384 -322 AC) Ambos padres contribuyen a la creación de los hijos a través de la mezcla de sangres o humores. Herencia mezcladora: • mezcla de caracteres de los padres en cada generación • explica que los miembros de una especie se parezcan Kirk y Michael Douglas

Las reglas de la herencia Analiza la herencia de características simples en arvejas La herencia se debe a elementos discretos que no se mezclan y aparecen en proporciones estables y repetibles 1865 Gregor Mendel

1869 Friedrich Miescher 1881 Albrecht Kossel Estudia células blancas presentes en pus de vendas de heridas abiertas. • Obtiene un precipitado de núcleos, del que aisla una sustancia rica en fósforo que llamó nucleína • Esta sustancia se aisla de distintos tipos de células • Está compuesta por H N C y O • La nucleína contiene proteínas y porciones no proteicas (ácidos nucleicos). • Los ácidos nucleicos se pueden descomponer en azúcares y compuestos ricos en nitrógeno (purinas y pirimidinas). Diferencias entre ARN y ADN 1905 -1939 Estructura de los nucleótidos Enlaces entre nucleótidos Phoebus Levene

¿ Qué evidencias experimentales indican que los ácidos nucleicos están asociados a la información genética?

Las Primeras evidencias 1928: Frederick Griffith Infección con pneumococos rugosas Lisas virulentas

El ADN como principio transformante Avery, Mac. Leod & Mc. Carty (1944)

Alfred Hershey y Martha Chase (1952) Determinaron que el ADN es el material genético en el bacteriófago T 2

La naturaleza química de los ácidos nucleicos

Cuando se realiza la hidrólisis completa de los ácidos nucleicos, se obtienen tres tipos de componentes principales: • Azúcar, en concreto una pentosa. • Ácido fosfórico • Bases nitrogenadas: púricas y pirimidínicas

Además de las bases nitrogenadas anteriormente descritas, se han encontrado otras bases nitrogenadas en algunos virus o formando parte de algunos tipos especiales de ARNs. Ejemplos de algunas de estas bases púricas poco corrientes son: • Hipoxantina, • Xantina, • 2 -metiladenina, • 6 -metil-aminopurina. Entre las bases pirimidínicas podríamos citar la 5 -metilcitosina (propia del ADN) y la 5 -hidroximetil citosina (HMC) que sustituye a la citosina en los fagos T-pares. En los ARN de transferencia (ARN-t) se encuentran la Ribotimidina, Dihidrouridina, Seudouridina e Inosina (I).

Base Nitrogenada Adenina Guanina Citosina Timina Uracilo Nucleósido Nucleótido Adenosina Guanidina Ácido Adenílico Ácido Guanílico Citidina Timidina Uridina Ácido Citidílico Ácido Timidílico Ácido Uridílico

Algunas bases pueden ionizarse a bajo o alto p. H Adenosina p. Ka = 3. 8 Citidina p. Ka = 4. 5 Guanosina p. Ka = 2. 4 Guanosina p. Ka = 9. 4 Las bases están sujetas a tautomerización

La estructura del ADN

REGLAS DE CHARGAFF PARA ADN DE DOBLE HÉLICE • La proporción de Adenina (A) es igual a la de Timina (T). A = T. La relación entre Adenina y Timina es igual a la unidad (A/T = 1). • La proporción de Guanina (G) es igual a la de Citosina (C). G= C. La relación entre Guanina y Citosina es igual a la unidad ( G/C=1). • La proporción de bases púricas (A+G) es igual a la de las bases pirimidínicas (T+C). (A+G) = (T + C). La relación entre (A+G) y (T+C) es igual a la unidad (A+G)/(T+C)=1. • Sin embargo, la proporción entre (A+T) y (G+C) era característica de cada organismo, pudiendo tomar por tanto, diferentes valores según la especie estudiada. Este resultado indicaba que los ácidos nucleicos no eran la repetición monótona de un tetranucleótido. Existía variabilidad en la composición de bases nitrogenadas

Procedencia del ADN A G C T 5 -Me-C Timo de Bovino 28, 2 21, 5 21, 2 27, 8 1, 3 Esperma de bovino 28, 7 22, 2 20, 7 27, 3 1, 3 Germen de trigo 27, 3 22, 7 16, 8 27, 1 6, 0 Saccharomyces 31, 3 18, 7 17, 1 32, 9 - Escherichia coli 26, 0 24, 9 25, 2 23, 9 - Mycobacterium tuberculosis 15, 1 34, 9 35, 4 14, 6 - ØX 174 24, 3 24, 5 18, 2 32, 3 - T 3 23, 7 26, 2 27, 7 23, 5 - T 5 30, 3 19, 5 30, 8 - T 7 32, 4 18, 3 32, 4 17, 0 HMC A G C U Mosaico del tabaco (TMV) 29, 8 25, 4 18, 5 26, 3 Mosaico amarillo nabo 22, 6 17, 2 38, 0 22, 2 Poliomielitis 28, 6 24, 0 22, 0 25, 4 Encéfalo miocarditis del ratón 27, 3 23, 5 23, 2 25, 9 Reovirus Tipo 3 28, 0 22, 3 22, 0 27, 9 Tumor de las heridas 31, 1 18, 6 19, 1 31, 3 Virus ARN

2 Cadenas enrolladas sobre el mismo eje formando una doble hélice a la derecha • El esqueleto hidrofìlico de grupos fosfato y deoxiribosa alternantes está expuesto al agua del ambiente • El anillo de furanosa está en la conformación C-2´endo • Las bases están apiladas en el interior de la doble helice, con sus planos perpendiculares al eje de la doble hélice • El apareamiento de las dos cadenas genera un surco mayor y un surco menor en la superficie de la doble hèlice G C A T

Fuerzas que estabilizan la doble hélice • Enlaces de hidrógeno (pequeña contribuión) • Apilamiento de bases e interacción hidrofóbica • Interacciones iónicas: Repulsión entre las cargas negativas de los fosfatos Los cationes actúan como contraiones estabilizando el ADN (divalentes mas eficientes que monovalentes; el Mg+2 estabiliza la estructura del RNA

ADN-B: ADN en disolución, 92% de humedad relativa, se encuentra en soluciones con baja fuerza iónica se corresponde con el modelo de la Doble Hélice. ADN-A: ADN con 75% de humedad, requiere Na, K o Cs como contraiones, presenta 11 pares de bases por giro completo y 26 A de diámetro. Es interesante por presentar una estructura parecida a la de los híbridos ADN-ARN y a las regiones de autoapareamiento ARNARN. ADN-Z: doble hélice sinistrosa (enrollamiento a izquierda), 12 pares de bases por giro completo, 18 A de diámetro, se observa en segmentos de ADN con secuencia alternante de bases púricas y pirimidínicas (GCGCGC), debido a la conformación alternante de los residuos azúcar-fosfato sigue un curso en zig-zag. Requiere una concentración de cationes superior a la del ADN-B, y teniendo en cuenta que las proteínas que interaccionan con el ADN tienen gran cantidad de residuos básicos sería posible que algunas convirtieran segmentos de ADN-B en ADN-Z.

La estructura del híbrido DNA-RNA es la de una doble hélice con las características generales de un ARNA, o del A’-RNA. Típicamente se detectan 11 -12 pares de bases por vuelta de hélice.

Agentes intercalantes Acridine orange Ethydium bromide • Moléculas aromáticas que interaccionan con el ADN insertándose entre bases apiladas • Fluorescentes Detección de DNA y RNA • Agentes mutagénicos

ADN triple hélice o ADN-H: "In vitro" es posible obtener tramos de triple hélice intercalando oligonucleótidos cortos constituidos solamente por pirimidinas (timinas y citosinas) en el surco mayor de una doble hélice. Este oligonucleótido se une a pares de bases A-T y G-C mediante enlaces de hidrógeno tipo Hoogsteen que se establecen entre la T o la C del oligonucleótido y los pares A-T y G-C de la doble hélice. No se sabe la función biológica del ADN-H aunque se ha detectado en cromosomas eucarióticos. Apareamiento tipo Hoogsteen Estables a p. H bajos (C+, p. Ka= 7. 5)

ADN cuadruplexo: "In vitro" se han obtenido cuartetos de Guanina (ADN cuadruplexo) unidas mediante enlaces tipo Hoogsteen, empleando polinucleótidos que solamente contienen Guanina (G). Los extremos de los cromosomas eucarióticos (telómeros) tienen una estructura especial con un extremo 3' OH de cadena sencilla (monocatenario) en el que se repite muchas veces en tandem una secuencia rica en Guaninas. Se piensa que el ADN cuadruplexo telomérico serviría para proteger los extremos cromosómicos de la degradación enzimática. Ejemplo de secuencia telomérica en guaninas (G): 5´P TTGGGGTTGGGG. . . . TTGGGG 3'OH

DENSIDAD DE LOS ÁCIDOS NUCLEICOS Densidad: existe una relación lineal entre el contenido en G+C y la densidad del ADN determinada en un gradiente de densidad. A mayor contenido en G+C mayor densidad posee el ADN. Cuanto mayor es el contenido en (G+C) mayor es la densidad Basándose en múltiples estudios de la densidad de los ADNs de diferentes organismos y de su composición en bases nitrogenadas, se ha establecido una fórmula empírica que relaciona la densidad de flotación (r) con el contenido en G+C expresado en moles por ciento. Está fórmula es la siguiente: ρ = 1, 660 + 0, 00098(G+C).

Desnaturalización del ADN ¿Qué es? ¿Cómo la ponemos de manifiesto? ¿Qué agentes desnaturalizantes existen? ¿cómo actúan?

• Fuerza iónica • Agentes caotrópicos • Agentes formadores de puentes de hidrógeno

n Para DNA: DNA duplex: Tm = 81. 5 o + 16. 6 log M + 41 (fraccion molar G+C) - 500/L -0. 62 (%formamida) n Para oligonucleotidos (menores a 20 nt en 0. 9 M Na. Cl) Td(o. C) = 4 (G + C) + 2 (A + T) For probes >150 , Tm decreases 1 o for every 1% mismatch. For oligonucleotides Td decreases 5 o for every mismatch.

La hibridación de ANs posee múltiples usos n n n Southern blot /Northern blot Colony bloting PCR Purificación Microarrays FISH

Condiciones que favorecen la desnaturalización • Alta temperatura • Baja fuerza iónica (repulsión de fosfatos) • Alto p. H (desprotonación de bases) Monitoreo de la desnaturalización • Los enlaces conjugados de las bases generan absorción en el UV a 260 nm Nucleótidos libres> ss. ADN> ds. ADN • La temperatura a la cual la A 260 alcanza la mitad de su valor máximo es denominada Tm • La Tm depende de la concentración salina, p. H, composición, longitud • La condición standard es 0. 12 M buffer fosfato de sodio (0. 18 M en ion sodio

DESNATURALIZACION POR CALOR • Oligonucleótidos cortos Tm = (A+T)x 2 o. C + (C+G)x 4 o. C • Oligonucleótidos largos Tm = 81. 5 +16. 6 Log [Na+]+ +0. 41 (%CG) – 625/N N –length of oligo

Hidrólisis de ácidos nucleicos l l l Ruptura de enlaces en el esqueleto polinucleotídico Hidrólisis ácida (1 m. M HCl): ruptura del enlace glicosídico entre purinas y desoxiribosa (producto: ac. apurínico Hidrólisis alcalina (RNA)– clivaje del enlace fosfodiester

Renaturalización l l La desnaturalización es un proceso reversible Reanealing – reasociación de las cadenas de ADN

Cinética de renaturalización La reasociación de ADN no repetido se produce en un rango de 2 -log

Definición de Cot 1/2: función inversa de la constante de velocidad (k) C 0 t ½ : valor de Cot cuando se reasoció un 50%

¿Complejidad del Genoma ? ¿Qué es? AAAAAAAA C= 1; L=16 ATATATATA C= 2; L=16 ATCATCATCA C= 3; L=16 ATCGCTAGAACGTCTG C= 16; L=16

Curvas de reasociación de ADN no repetitivo (fragmentos de 500 nt) (N) C = N 200 genes ≈ 10, 000 genes ≈ 4, 000 genes 3 genes 106 repeats If no repeated sequences: C = to genome size (nt-bp) N (genome size) is determined directly from C 0 t 1/2

Reasociación para Eucariotes ≈ 20 -25% altamente repetitivo: 2 x 106 copias ≈ 25 -30% Moderadamente Repetitivo 350 copias ≈ 45 -55% Copia única > 2 logs: diferentes poblaciones

l ¿Qué representan las secuencias únicas, moderadamente repetidas y altamente repetidas? ? ? Leer del Lodish!!!!

Empaquetamiento del ADN Eucariota En el genoma humano tenemos 3 x 109 bp distribuidos en 23 cromosomas La forma B-DNA ocupa 3. 4 A/bp La longitud total del ADN celular humano es de 2 metros!!! Debemos empaquetarlo en un núcleo con un diámetro de 5 mm (10. 000 veces) El DNA durante la interfase se encuentra condensdo formando un complejo nucleoproteico denominado cromatina

Chromatin Proteins

El ADN se enrolla alrededor del núcleo histónico: Nucleosomas 2 H 2 A 2 H 2 B 2 H 3 2 H 4 “Beads on a String” Nucleosomes -Contain a histone core octomer + 146 bp core DNA -Spaced ~200 bp apart (146 bp core DNA + 20 -60 bp linker DNA) -Core DNA is protected DNases

La Histona H 1 une 2 hélices de ADN 30 -nm Fiber

2 Modelos para la fibra de cromatina de 30 -nm

Un modelo de la estructura del cromosoma DNA exists in chromatin form during interphase DNA in most compact form (chromosomes) during metaphase of mitosis

¿Qué es el superenrollamiento?

Qué es el superenrollamiento? El superenrollamiento se produce en casi todos los cromosomas (circular o lineal) Relajado vs Superenrollado El ADN relajado no está superenrollado En el superenrrolamiento negativo el ADN está subenrollado (favorece el desapareamiento de la doble hélice (el ADN circular aislado de células siempre se encuentra superenrollado negativamente

L = T + W Linking Number (L or Lk) = número de veces que dos cadenas están entrelazadas Twists (T or Tw) = número de vueltas de hélice Writhes (W or Wr) = número de veces que el dúplex se entrecruza consigo mismo

Qué hacen las topoisomerasas? 1. Cambian el linking number de la molécula de ADN mediante: A) Cortando una o ambas cadenas y luego, B) Enrollarlas mas o menos y uniendo nuevamente los extremos. 2. Usualmente relajan el ADN superenrollado

Type I Topoisomerases Topo I from E. coli 1) acts to relax only negative supercoils 2) increases linking number by +1 increments Topo I from eukaryotes 1) acts to relax positive or negative supercoils 2) changes linking number by – 1 or +1 increments

Relaxation of SV 40 DNA by Topo I Maximum supercoiled 3 min. Topo I 25 min. Topo I

Type II Topoisomerases All Type II Topoisomerases Can Catenate and Decatenate ccc. DNA molecules Circular DNA molecules that use type II topoisomerases: E. coli -plasmids -E. coli chromosome Eukaryotes -mitochondrial DNA -circular ds. DNA viruses (SV 40)

An E. coli Type II Topoisomerase: DNA Gyrase Topo II (DNA Gyrase) from E. coli 1) Acts on both neg. and pos. supercoiled DNA 2) Increases the # of neg. supercoils by increments of 2 3) Requires ATP

Sample Linking Number Questions 1) You have a relaxed 5, 500 bp plasmid DNA molecule, which you treat with DNA gyrase to add 50 negative supercoils A. 5500 bp X 10 bp/turn = 550 turns B. L = T + W = 550 – 50 = 500

LOS CROMOSOMAS DE VIRUS: CLASIFICACIÓN Considerando el tipo de organismo que parasitan Los virus pueden clasificarse en: • Bacteriofagos o fagos: virus que parasitan a bacterias • Virus Animales. • Virus vegetales Desde el punto de vista genético • Virus cuyo material hereditario es ADN. • Virus cuyo material hereditario es ARN-ADN. • Virus cuyo material hereditario es ADN-ARN.

VIRUS CUYO MATERIAL HEREDITARIO ES ADN VIRUS ADN Tipo de Molécula Tipo de Hélice Sencilla Tipo de virus según huésped. Familia de virus Fago ØX 174 M 13 Animal Parvovirus Animal Papovavirus (SV 40, polioma) Adenovirus Herpetovirus (Herpes) Poxvirus (viruela) Iridovirus (peste porcina) Circular Doble Lineal Doble Fago Extremos cohesivos: Fago lØ 80, 434, P 2, 186) Redundancia terminal: serie T-par, T 3 y T 7

ØX 174 Ha sido empleado ampliamente en estudios sobre la replicación del ADN • tienen una cápside poliédrica • molécula de ADN circular de hélice sencilla (hebra +) con 5. 400 nt • forma replicativa duplex de la hebra - se sintetiza el ARN mensajero que se traducirá para producir las proteínas de la cápside

Fago filamentoso M 13 El bacteriofago M 13 tiene una cápside de tipo filamentoso dentro de la cual se encuentra una molécula circular de ADN de hélice sencilla de 6. 400 nucleotidos. Al igual que ØX 174, también pasa por una forma replicativa dúplex.

SV 40 (Papovavirus) tiene una cápside icosaédrica ADN circular doble hélice de 5. 243 pares de nucleotidos. Su ADN se asocia con las histonas de la célula huésped

fago l El fago l posee una cápside icosaédrica con una cola. Dentro de la cápside existe una molécula de ADN doble hélice lineal con 48. 000 pares de bases.

fagos de la serie T cápside icosaédrica con cola que encierra en su interior ADN doble hélice lineal (aproximadamente 166. 000 pb). Presentan redundancia terminal: repetición de una secuencia de 2. 000 a 6. 000 bp en los dos extremos

LOS CROMOSOMA DE LAS BACTERIAS: ORGANIZACIÓN EN DOMINIOS

La circularidad del cromosoma de E. coli se demostró mediante estudios genéticos de construcción de mapas de tiempo mediante la técnica de la conjugación interrumpida (Jacob y Wollman, 1958). F. Jacob E. L. Wollman la primera evidencia citológica se obtuvo más tarde (Cairns, 1963) marcando radiactivamente el ADN, realizando una autorradiografía y analizando los resultados al microscopio óptico.

PROTEÍNAS BACTERIANAS SEMEJANTES A LAS HISTONAS En bacterias se han encontrado proteínas con características muy semejantes a las histonas de los organismos eucariontes. • la HU que es un dímero de subunidades diferentes y semejante a la histona H 2 B • la proteína H dímero de subunidades idénticas y semejante a la histona H 2 A • la proteína P semejante a las protaminas, • la subunidad H 1, • el dímero HLP 1 y • el monómero HLP 1.

PROTEÍNAS BÁSICAS DETECTADAS EN BACTERIAS Contenido por células Semejanza con eucariontes HU Dímero subunidades y de 9. 000 d. 40. 000 dímeros Histona H 2 A H Dímero subunidades idénticas de 28. 000 d. 30. 000 dímero Histona H 2 B IHF Subunidad de 10. 500 d. Subunidad de 9. 500 d. Desconocido Desconocida H 1 Subunidad de 15. 000 d. 10. 000 copias Desconocida HLP 1 Monómero de 15. 000 d. 20. 000 copias Desconocida P Sububnidad de 3. 000 d. Desconocido Protaminas Proteína Composición

LOS PLASMIDIOS elementos genéticos extracromosómicos Moléculas de ADN doble hélice circular que se replican de forma autónoma e independiente a la del cromosoma principal y que pueden, en algunas situaciones, integrarse en el cromosoma principal bacteriano y a partir de ese momento replicarse al mismo tiempo. El tamaño y número de los plasmidios es muy variable (2. 000 a 100. 000 pares de bases/1 -100 copias por célula). Los plasmidios se pueden se clasifican según las funciones o el tipo de información que llevan en: • Factores de Fertilidad o factores F. • Factores de resistencia de transferencia a drogas, factores RTF o factores R. • Factores colicinógenos, factores Col o factores Cf. Las colicilinas son sustancias que matan a las bacterias. Naturalmente las bacterias productoras de colicilinas son inmunes a ellas.

l Algunas preguntas-ejercicios….