SESION 12
TEMA : ESTRUCTURA Y FUNCIÓN DE LOS ACIDOS NUCLEICOS
I. OBJETIVOS DE LA SESIÓN:
El desarrollo de los contenidos de estas sesiones pretende que los alumnos
1. Conozcan la función, composición química y estructura molecular de los ácidos nucleicos.
2. Conozcan las características fisico-quimicas y biológicas del ADN y comprendan su proceso
de Replicación en relación a su función como portador de la información hereditaria. Al mismo tiempo conozcan los errores de replicación y los mecanismos de reparación en relación al fenómeno de mutación molecular.
II. TEMAS
1. Rol biológico de los ácidos nucleicos. Localización celular y características biológicas de los
ácidos nucleicos. Dogma central de la biología.
2. Evidencias directas e indirectas en pro del ADN como material hereditario.
3. Composición química y estructura molecular de los ácidos nucleicos. Bases nitrogenadas,
pentosas (ribosa y deoxiribosa) y fosfato. Nucleosidos y nucleotidos.Enlaces químicos y conformación de los nucleotidos. Ribonucleotidos y deoxiribonucleotidos.
4. Estructura molecular del ADN. M odelo de la doble hélice de Watson y Crick. Características
y propiedades de la doble hélice. Indices de Chargaff y complementaridad de bases. Interacciones químicas y estabilidad de la doble hélice.
Denaturación térmica del ADN, efecto hipercrómico, renaturación e hibridación molecular. Doble hélice A, B y Z, características e importancia biológica.
5. Replicación semiconservativa del ADN. Evidencias experimentales y mecanismo
de replicación molecular. M oldes y Rol de enzimas ( polimerasas, ligasas, nucleasas, topoisomersas, Girasas, proteínas estabilizadoras de hebra simple, etc.)
6. M utación molecular. Alteraciones o errores en el proceso de replicación y mecanismos de
reparación.
El ADN (ácido deoxirribonucleico) como material hereditario cumple con las siguientes características
1) Tiene localización principalmente nuclear, siendo constituyente de la cromatina y de los
cromosomas (además existe ADN en mitocondrias , cloroplastos, centríolos y episomas con características de herencia extranuclear).
2) Posee capacidad de autorreplicación, estabilidad y variabilidad, es decir el proceso de
replicación asegura la conservación de la información genética y a la vez permite cambios de la información (mutación) que hacen posible la variabilidad fenotípica y la evolución.
3) Controla el metabolismo y la expresión de los genes a través del control de la síntesis de las
Transcripción Traducción
Autorreplicación ADN ARN PROTEINAS
Las evidencias a favor del ADN como material hereditario son de dos tipos, directas e indirectas: Evidencias indirectas
a) El ADN absorbe luz a 260 nm, longitud de onda que induce mutaciones genéticas
b) El ADN interactúa con sustancias mutagénicas
c) Existe relación directa entre el contenido de ADN y el número cromosómico, así una célula
diploide tiene el doble de ADN que una célula haploide
d) El ADN es bastante estable, no tiene recambio como el ARN o las proteínas
Evidencias directas:
a) Experimentos de transformación bacteriana (Griffth) e identificación del producto
transformante como ADN ( Avery, M c Leod y M cCarthy )
b) Experimentos de infección viral (Hershey y Chase) que demuestran que el agente infectivo es el
ADN y no la proteína.
El ADN es el material hereditario en toda la escala biológica, sólo algunos virus tienen ARN como material hereditario (retrovirus).
Existen dos tipos de ácidos nucleicos, el ácido deoxirribonucleico (ADN) y el ácido ribonucleico (ARN). Ambos ácidos nucleicos son polímeros de nucleotidos: deoxirribonucleotidos (ADN) y ribonucleotidos (ARN). Los nucleotidos están formados por una pentosa (azúcar de 5 carbonos), una base nitrogenada y un grupo fosfato. La unión de la pentosa a la base nitrogenada forma un
nucleósido. Los nucleotidos de ADN son 2’-deoxirribonucleotidos formados por la 2-deoxirribosa unidos por un enlace glicosídico del
carbono 1 a un N de una base nitrogenada ( Adenina, Guanina, Citosina o Timina). El grupo fosfato se une a través de un enlace éster con el carbono 5’ de la deoxirribosa.
Deoxiadenosina -5`-fosfato Deoxitimidina –5’-fosfato
Los nucleotidos se unen por uniones diester fosfato para formar cadenas polinucleotidicas
Enlace fosfodiester Enlace N- glicosídico
La composición cuantitativa del ADN indica una relación equimolar de azúcar, bases nitrogenadas y fosfato. Las bases nitrogenadas con una relación de Adenina/Timina =1 y Guanina/Citosina = 1, siendo la relación A + T/ G + C distinto de 1 y característico de cada especie. Estas relaciones se
conocen como los índices de Chargaff.
Basados en los índices de Chargaff y estudios de difracción de Rayos X en cristales de ADN, Watson y Crick propusieron en 1953 la estructura de la doble hélice para el ADN. En esta estructura la molécula de ADN está formada por 2 hebras complementarias orientadas en forma antiparalela y unidas a través de enlaces de hidrógeno.
Esquema 3
Esta estructura es bastante estable en la célula intacta, pero se puede alterar por modificaciones bioquímicas y por la acción de agentes físicos y químicos. EN el ADN aislado las dos hebras se pueden separar por calor o denaturación o fusión del ADN. La denaturación del ADN se puede evidenciar por el aumento de la absorbción a 260 nm, lo que se conoce como efecto hipercrómico o hipercromicidad.
A mayor cantidad de pares G-C mayor es la estabilidad del ADN a la fusión por calor, es decir, requiere mayor temperatura para separar sus hebras.
La estructura del ADN fisiológico (ADN B) corresponde al de una doble hélice girada a la derecha con 10 pares de bases por vuelta (34 Amstrong) y un díametro de 20 A. El ADN A es una doble hélice más apretada y contiene 11 pares de bases por vuelta. Un tercer tipo de molécula de ADN, el ADN Z es una doble hélice enrrollada a la izquierda y corresponde a ADN inactivo, que no se transcribe. (Ej. cromosoma X inactivo de la mujer)
El ARN en tanto existe como molécula de hebra simple pudiendo tener zonas de doble hebra.
Junto con la estructura de la doble hélice , Watson y Crick propusieron un mecanismo de replicación semiconservativo del ADN, ya que de acuerdo a su función biológica, esta molécula debería
autorreplicarse. Se realizaron entonces investigaciones para probar este postulado.
1.- Experimentos de M eselson y Stahl , de marcación del ADN con N15 , utilizando bacterias.
2.- Experimentos de autorradiografía de cromosomas procariontes ( Cairns) y eucariontes
(Taylor) marcados con Timidina tritiada (T-H3).
Los requerimientos para la autorreplicación exigen la existencia de : 1.- un molde de ADN con sitios de inicio de la replicación
2.- un partidor (ADN o ARN) que un grupo 3’OH libre 3.- deoxirribonucleotidos (dNTPs)
4.- enzimas que catalizan el proceso conservando la información y corrigiendo errores. ( Polimerasas, Topoisomerasas, helicasas, endonucleasas , ligasas, proteínas estabilizadoras de hebra simple , etc.)
Esquema 4. ( Fuente: Bioquímica de M athews y Van Holde)
La velocidad de replicación es mayor en procariontes que en eucariontes, pero éstos lo compensan con un mayor número de sitios de replicación o iniciación en la molécula.
El proceso de replicación es muy exacto, sin embargo se producen alteraciones por daño o error y que escapan a los mecanismos de reparación de la célula, originando la M utación
Tipos de daño o mutación del ADN.
I.- Dimerización de Timinas vecinas = dímeros de Timina. Es la causa de la enfermedad genética Xeroderma pigmentosum, provocada por una deficiencia de una endonucleasa, que debe “sacar los dímeros de timina”, para corregir el error.
II.- M utaciones puntuales, que producen el reemplazo de una base por otra. Se producen por análogos de bases o sustancias química (mutágenos) que modifican las bases alterando su apareamiento.
a) transiciones : cuando una base es reemplazada por otra del mismo tipo, es decir una
purina por otra purina o una pirimidina por otra pirimidina Ej. A por G o T por C.
b) transversiones: cuando una purina es reemplazada por una pirimidina y viceversa.
Ej A por C o T .
III.- Inserciones y deleciones; uno o más nucleotidos son insertados o eliminados del ADN.
Producidos por agentes intercalantes que se introducen entre las bases distorsionando el ADN.
Las distintas mutaciones pueden producir alteraciones en la síntesis de una proteína, produciendo una proteína alterada, incompleta o impidiendo su producción. Así, mientras las
mutaciones puntuales producen un cambio en el código de lectura para un aminoácido, cambiándolo por otro o introduciendo un punto final o de término, las inserciones y deleciones alteran toda la lectura del código a partir del punto de mutación (corrimiento de lectura).
III. ACTIVID AD PREVIA
Lectura Syllabus sesión 12
III. METODOLOGIA DE LA SESIÓN
Clases expositivas complementadas con medios audiovisuales, tales como transparencias, diapositivas, CD-rom o modelos moleculares que permitan visualizar y comprender la estructura molecular y función de los ácidos nucleicos , especialmente ADN
IV. LECTURA POST SESION: Y BIBLIOGRAFIA DE CONSULTA
A. Lectura obligatoria.
1. Nelson y Cox Principios de Bioquímica de Lehninger 2ª Edición Ed. Omega 1993. Cap 9 y 24. ( 3ª Ed. Cap. 10 y 25)
B. Lectura complementaria
1. Stryer L. Bioquímica 4ª. Ed. Reverté l994. Cap. 31
2. Watson, Hopkins, Roberts, Steitz y Weiner. Biología M olecular del Gen. 4ª Ed.
Cap. 3.