Unidad 2 ADN biologia Celular y molecular

Biomoléculas y metabolismo celular

Prof. Angnerys Torrealba

Biomoléculas y metabolismo celular

2.2.2 Ácidos nucleicos: 2.2.2.1 ADN como portador de la información genética: - Experimentos de Avery, Mac Leod y McCarty - Experimento de Hershey y Chase. - Modelo de la doble hélice. - Fibra de 100Å (collar de perlas). - Fibra de 300 Å (modelo del solenoide). - Niveles superiores de empaquetamiento. 2.2.2.2 ARN: mRNa, tRNA, rRNA, ribozimas

Ácido desoxirribonucleico

El ADN es la molécula portadora de la información genética gracias a que cumple cuatro condiciones imprescindibles: Debe poder contener cualquier tipo de información biológica. Al ser una macromolécula formada por cuatro tipos de nucleótidos y al tener un gen miles de pares de nucleótidos, las combinaciones son casi infinitas

El ADN se compone de dos cadenas, cada una formada por nucleótidos. Cada nucleótido, a su vez, está compuesto por un azúcar (desoxirribosa), un grupo fosfato y una base nitrogenada. Las bases nitrogenadas son cuatro: adenina (A), timina (T), citosina (C), y guanina (G), y siempre una A se enfrenta a una T y una C se enfrenta a una G en la doble cadena. Las bases enfrentadas se dice que son complementarias.

El ADN adopta una forma de doble hélice, como una escalera caracol donde los lados son cadenas de azúcares y fosfatos conectadas por “escalones”, que son las bases nitrogenadas. La molécula de ADN se asocia a proteínas, llamadas histonas, y se encuentra muy enrollada y compactada para formar el cromosoma.

La estructura secundaria del ADN se estableció en los años 50

Gracias a Chargaff, la hipótesis de los tetranucleótidos fue desestimada, estableciendo la regla de Chargaff por la cual había una proporción entre la cantidad de adenina y timina, y guanina y citosina.

Nucleótidos

ADN

Video

En este clip del Cromosoma de la Royal Institutionserie, Aoife McLysaght ofrece una descripción general de los cromosomas dentro de nuestras células. El Dr. McLysaght explica que, aunque todos los seres vivos tienen ADN, los diferentes organismos tienen versiones ligeramente diferentes de la molécula de ADN. El ADN contiene genes; en el caso de los seres humanos, 22.000 genes, y estos genes están organizados en cromosomas. Aoife ilustra esto usando modelos de plastilina de los cromosomas y muestra cómo los genes, como la amilasa, están dispuestos a lo largo del cromosoma. Los cromosomas en sí están empaquetados para que quepan dentro del núcleo, y esto contribuye en gran medida a la expresión génica. Aoife muestra que una ventaja de que el ADN se empaquete en cromosomas es durante la división celular; ya sea en mitosis o meiosis, la partición del ADN en células hijas se ve favorecida por su disposición en cromosomas

ADN

Si por cualquier razón se coloca un núcleotido incorrecto se aparea inadecuadamente con el complementario, por lo que la doble hélice queda alterda. La célula posee mecanismos para reconocer el error, eliminar el nucleótido incorrecto y sustituirlo por el correcto. No obstante, la posibilidad de mutación no debe ser nula con objeto de promover la evolución.

Duplicación. Las células hijas reciben la misma información que la progenitora. Para esto, basta con que se separen las dos cadenas de la hélice y se sintetice, junto a cada una, la complementaria.

Transcripción de la información. El obligado emparejamiento de nucleótidos complementarios permite a la célula copiar en un ARN mensajero la secuencia complementaria de una de las hebras. Esta secuencia complementaria puede ser luego traducida en forma de proteína, según las normas del código genético.

Flujo de la información genética

El ADN porta la informaciónm genética es decir, nuestros genes proporcionan la información, pero son las proteínas las que realizan el trabajo.

Expresión de la información genética

Como ya se ha visto, la información genética se conserva y pasa de una célula a su descendencia. Los genes de ADN tienen escasa acción directa sobre el funcionamiento del organismo, son las proteínas las moléculas responsables de la actividad biológica y las que confieren a cada organismo sus peculiaridades. Por tanto, debe existir algún

Acido Ribonucleico

El ácido ribonucleico (ARN) es una molécula similar a la de ADN. A diferencia del ADN, el ARN es de cadena sencilla. Una hebra de ARN tiene un eje constituido por un azúcar (ribosa) y grupos de fosfato de forma alterna. Unidos a cada azúcar se encuentra una de las cuatro bases adenina (A), uracilo (U), citosina (C) o guanina (G). Hay diferentes tipos de ARN en la célula: ARN mensajero (ARNm), ARN ribosomal (ARNr) y ARN de transferencia (ARNt). Más recientemente, se han encontrado algunos ARN de pequeño tamaño que están involucrados en la regulación de la expresión génica.

Tipos de ARN

ARN mensajero o codificante (ARNm). Se ocupa de copiar y llevar la secuencia exacta de aminoácidos del ADN hacia los ribosomas, en donde se siguen las instrucciones y se procede a la síntesis de proteínas.

Tipos de ARN

ARN de transferencia (ARNt). Se trata de polímeros cortos de 80 nucleótidos que tienen la misión de transferir el patrón copiado por el ARNm al ARN ribosómico, sirviendo como máquina ensambladora, eligiendo los aminoácidos correctos en base al código genético.

Tipos de ARN

ARN ribosómico (ARNr). Su nombre proviene del hecho de que se halla en los ribosomas de la célula, donde se hallan combinados con otras proteínas. Ellos operan como componentes catalíticos para “soldar” las nuevas proteínas ensambladas sobre el molde del ARNm. Actúan, así, como ribozimas.

El código genético

El código genético es la relación existente entre la secuencia de bases del ARNm y la secuencia de aminoácidos que constituye una proteína. El código genético es la clave que permite la traducción del mensaje genético a su forma funcional, las proteínas.

El código genético

Cada triplete de bases en el ARNm que codifica a un determinado aminoácido se denomina codón.Los codones de tres bases en el ARNm se corresponden con un aminoácido en un polipeptido. Cada codón se aparerá durante la síntesis de proteínas con tres bases complementarias del ARNt denominadas anticodón. La traducción depende del apareamiento de bases complementarias entre los codones en el ARNm y los anticodones en el ARNt.

Características del código genético

1. Universal. Es el mismo código para todas las células de todas las especies (incluso virus). Este hecho, constituye una prueba más a favor del origen de todos los seres vivos a partir de un ancestro común. Se han descubierto algunas excepciones en mitocondrias, algunos protistas ciliados y micoplasmas.

Características del código genético

2. Degenerado. No existe el mismo número de codones (64 tripletes posibles) que de aminoácidos (20 posibles). Esto significa que salvo la metionina y el triptófano, codificados por un sólo triplete, el resto de Aa está codificado por más de uno.

Características del código genético

3. Carece de solapamiento. Los codones se disponen de manera lineal y continua, sin espacios entre ellos y sin compartir bases nitrogenadas. 4. No hay ambigüedad. Ningún triplete codifica para más de un aminoácido, es decir, cada codón solo codifica para un aminoácido.

Características del código genético

5. Inicio y fin de mensaje. El triplete AUG (metionina) indica el comienzo de la traducción, mientras que 3 posibles triplestes (UAA, UAG, y UGA) indican su final

Frederick Griffith: la transformación bacteriana

En 1928, el bacteriólogo británico Frederick Griffith llevó a cabo una serie de experimentos con ratones y bacterias Streptococcus pneumoniae. Griffith no intentaba identificar el material genético, sino en realidad trataba de desarrollar una vacuna contra la neumonía. En sus experimentos, Griffith utilizó dos cepas de bacterias relacionadas, conocidas como R y S

Frederick Griffith: la transformación bacteriana

Cepa R. Cuando se cultivan en una caja de Petri, las bacterias R formaban colonias, o grupos de bacterias relacionadas, que tenían bordes bien definidos y un aspecto rugoso (de ahí la abreviatura "R"). Las bacterias R no eran virulentas; es decir, al inyectarse en un ratón no causaban enfermedad.

Frederick Griffith: la transformación bacteriana

Cepa S. Las bacterias S forman colonias redondas y lisas (la abreviatura "S" es por la palabra "smooth" en inglés). La apariencia lisa se debía a una envoltura de polisacárido, a base de azúcares, que producían las bacterias. Esta capa protegía a las bacterias S del sistema inmunitario del ratón, por lo que resultaban virulentas (capaces de causar enfermedad). Los ratones a los que se les inyectaban bacterias S vivas desarrollaban neumonía y morían.

Frederick Griffith: la transformación bacteriana

_Imagen modificada de "El experimento de Griffith", de Madboy74 (CC0/dominio público).

Frederick Griffith: la transformación bacteriana

Griffith concluyó que las bacterias de la cepa R debían haber tomado lo que él llamó "principio transformante" de las bacterias S muertas por calor, que les permitió "transformarse" en bacterias con cobertura lisa y volverse virulentas

Experimento de Griffith

Experimentos de Avery, MacLeod y McCarty

En 1944, Oswald Avery, Colin McLeod y Maclyn McCarty trataron de identificar el factor de transformación (FT), que debía encontrarse en los neumococos S muertos por el calor.

Experimentos de Avery, MacLeod y McCarty

Para ello, comenzaron con grandes cultivos de células S muertas por calor, y mediante una larga serie de pasos bioquímicos (que se determinaron por cuidadosa experimentación), purificaron progresivamente el principio transformante al lavar, separar o destruir enzimáticamente los otros componentes celulares. Con este método, fueron capaces de obtener pequeñas cantidades de principio transformante altamente purificado, el cual podían luego analizar con otras pruebas para determinar su identidad

Experimentos de Avery, MacLeod y McCarty

Para ello: Trataron los pneumococos S muertos por calentamiento con detergente para obtener un lisado celular (un extracto libre de células que contenía el FT). Este lisado contiene (entre otras cosas) el polisacárido de la superficie celular, las proteínas, el ARN y el ADN de los neumococos S. Sometieron al lisado a diversos tratamientos enzimáticos Inyectaron en ratones los neumococos de tipo R vivos junto con una fracción del lisado modificada enzimáticamente

Varias líneas de evidencia les sugirieron a Avery y a sus colegas que el principio transformante podría ser el ADN

• La sustancia purificada dio un resultado negativo en las pruebas químicas conocidas para detectar proteínas, pero un resultado fuertemente positivo en un examen químico conocido para detectar ADN.
• La composición elemental del principio transformante purificado era muy semejante a la del ADN en su proporción de nitrógeno y fósforo.
• Enzimas que degradan proteínas y ARN tenían poco efecto sobre el principio transformante, pero las enzimas capaces de degradar ADN eliminaban la actividad transformante.

Experimento de Hershey y Chase.

En sus ahora legendarios experimentos, Hershey y Chase estudiaron bacteriófagos, virus que atacan bacterias. Los fagos que utilizaban eran simples partículas compuestas de proteína y ADN, con sus estructuras externas hechas de proteínas y el núcleo interno compuesto por ADN.

Experimento de Hershey y Chase

Experimento de Hershey y Chase.

Experimento de Hershey y Chase.

Cuando Hershey y Chase midieron la radioactividad del sedimento y del sobrenadante en ambos de sus experimentos, encontraron que una gran cantidad de P aparecía en el sedimento, mientras que casi todo el S aparecía en el sobrenadante. Con base en esto y otros experimentos similares, Hershey y Chase concluyeron que el ADN, y no la proteína, se inyectaba en las células del hospedero y constituía el material genético de los fagos

Watson, Crick y Rosalind Franklin

En lugar de realizar nuevos experimentos en el laboratorio, Watson y Crick principalmente recolectaron y analizaron fragmentos de información existente y los juntaron de formas novedosas y reveladorasAlgunas de sus pistas más importantes sobre la estructura del ADN fueron producto del trabajo de Rosalind Franklin, una química que trabaja en el laboratorio del físico Maurice Wilkins

Watson, Crick y Rosalind Franklin

Watson y Crick reunieron datos de varios investigadores (entre ellos Franklin, Wilkins, Chargaff y otros) para ensamblar su célebre modelo de la estructura 3D del ADN. En 1962, James Watson, Francis Crick y Maurice Wilkins recibieron el Premio Nobel de medicina. Desafortunadamente, para entonces Franklin había muerto y los premios Nobel no se otorgan póstumamente

El modelo del ADN de Watson y Crick

La estructura del ADN, representada según el modelo de Watson y Crick, es una hélice dextrógira de doble cadena antiparalela. El esqueleto de azúcar-fosfato de las cadenas de ADN constituye la parte exterior de la hélice, mientras que las bases nitrogenadas se encuentran en el interior y forma pares unidos por puentes de hidrógeno que mantienen juntas a las cadenas del ADN.

ADNEstructura Primaria

El ADN está compuesto por una secuencia de nucleótidos formados por desoxirribosa. Las bases nitrogenadas que se hallan formando los nucleótidos de ADN son Adenina, Guanina, Citosina y Timina

ADNEstructura Secundaria

La estructura secundaria del ADN fue propuesta por James Watson y Francis Crick, y la llamaron el modelo de doble hélice de ADN

ADNEstructura Terciaria

El ADN es una molécula muy larga en algunas especies y, sin embargo, en las células eucariotas se encuentra alojado dentro del minúsculo núcleo. Cuando el ADN se une a proteínas básicas, la estructura se compacta mucho. Las proteínas básicas son Histonas o Protaminas.

ADNEstructura Terciaria

La unión con Histonas genera la estructura denominada nucleosoma.

Fibra de 100Å (collar de perlas).

El conjunto de la estructura se denomina fibra de cromatina de 100Å. Tiene un aspecto repetitivo en forma de collar de perlas, donde las perlas serían los nucleosomas, unidos por los linker. El ADN debe encontrarse más compacto en el núcleo de los espermatozoides. En este caso, el ADN se une a proteínas de carácter más básico, denominadas Protaminas. El ADN se enrolla sobre estas proteínas, formando una estructura muy compacta, denominada estructura cristalina del AD

Fibra de 100Å (collar de perlas).

La cromatina está constituida básicamente por la denominada fibra de 100 Å, también llamada «collar de perlas». Dicha fibra está, a su vez, formada por la doble hélice de ADN de 20 Å, que se asocia a unas proteínas básicas denominadas histonas. La fibra de cromatina de 100 Å es una sucesión de nucleosomas. Esta estructura está formada por un octámero de histonas (ocho moléculas de cuatro tipos distintos de histonas), sobre el que se enrolla la fibra de ADN de 20 Å, y separada por un tramo de ADN espaciador. Cuando la fibra de 100 Å se asocia a un quinto tipo de histona se produce un acortamiento y condensación de la cromatina y se forma la denominada fibra de 300 Å o forma condensada

Fibra de 300 Å (modelo del solenoide).

La cromatina en el núcleo tiene un grosor de 300Å. La fibra de cromatina de 100Å se empaqueta formando una fibra de cromatina de 300Å. El enrollamiento que sufre el conjunto de nucleosomas recibe el nombre de solenoide. Los solenoides se enrollan formando la cromatina del núcleo interfásico de la célula eucariota. Cuando la célula entra en división, el ADN se compacta más, formando los cromosomas.

Organización estructural del nucleosoma

Un nucleosoma contiene un core de proteínas básicas de ocho moléculas de histonas. Como se ha indicado, el nucleosoma se libera de la cromatina por la digestión de ADN “linker” con una nucleasa, una enzima que rompe el ADN. (La nucleasa pueden degradar el ADN linker expuestos, pero no puede atacar al ADN unido al nucleosoma). Después de la disociación del nucleosoma aislado en su núcleo de proteínas y ADN, la longitud del ADN que estaba unido puede determinarse. Esta longitud de 146 pares de nucleótidos es suficiente para envolver alrededor de 1,65 veces el núcleo de histonas.

Organización estructural del nucleosoma

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