Ácidos Nucleicos

Tema 14, Ácidos nucleicos.
Tienen función de almacenar, transmitir y expresar la información genética codificada.
El ADN codifica información para construir todos los RNAs y proteínas.
El RNA -rRNA es el componente estructural de los ribosomas que llevan a cabo la síntesis de proteínas, sólo papel estructura. –mRNA, transporta la información desde un gen a un ribosoma. –tRNA, traduce la información del mRNA en secuencias de aa.
El DNA es capaz de autorreplicarse, se transcribe a RNA que se traduce en secuencias de aa para dar lugar a proteínas. El RNA se puede transcribir a DNA por una enzima retrotranscriptasa, este proceso lo realizan los retrovirus, con RNA, el RNA también puede autorreplicarse.
Estructura general del DNA
La estructura primaria  Secuencia de nucleótidos.
La estructura secundaria  Doble hélice.
La estructura terciaria  Cromosoma.
La investigación de DNA empezó con Friedenen Miescher, en 1868 aisló una sustancia que contenía fósforo, a la que denominó nucleina, a partir de las células de pus obtenidas de vendajes quirúrgicos halló que la nucleina estaba formada por una parte ácida DNA y una parte básica, de proteína. Más tarde, encontró una sustancia similar en la cabeza de esperma de salmón. A pesar de que purificó parcialmente el ác nucleico, la estructura covalente del DNA no se conoció son seguridad hasta finales de 1940.

Modelo de Watson y Crick
Postularon un modelo tridimensional para el DNA. Consiste en dos cadenas helicoidales enrolladas alrededor del mismo eje, formando una doble hélice dextrógira. Las cadenas hidrofílicas se encuentran en el exterior de la doble hélice, en contacto con el agua. El anillo de desoxifuranosa adopta la conformación C-2’ endo. Las bases están apiladas en el interior con sus estructuras en anillo, hidrofóbicas y prácticamente planas situadas muy cerca unas de las otras y en posición perpendicular al eje. Las bases se encuentran unidas por fuerzas dipolo-dipolo y de van der Waals, aunque las más importantes son los puentes de H entre amino y carbonilo.
En una vuelta completa encontramos 10.5nucleótidos separados por las bases a una distancia de 3.4ª, un surco mayor y un surco menor, el ángulo de rotación es de 36º con un diámetro de giro de 20ª y un paso de rosca de 34 A.
Los emparejamientos por puentes de H se deben a factores estéricos y factores con los propios puentes de H. Los estéricos son espaciales, la separación es de 10.85ª, cuando se empareja una purínica con una pirimidínica.
Cuando Watson y Crick construyeron su modelo tuvieron que decidir si las hebras debían ser paralelas o antiparalelas. La disposición Antiparalela dio el modelo más satisfactorio. Trabajos posteriores con DNA polimerasas aportaron argumentos a favor de que eran antiparalelas, que fueron conformados por análisis de difracción de rayos X.
Reglas de Chargaff
1-La composición de bases de DNA varía de una especie a otra.
2- Las muestras e DNA aisladas a partir de tejidos diferentes de la misma especie, tienen la misma composición de bases.
3- La composición de bases del DNA, no varía con la edad del organismo ni con su estado nutricional ni con las variaciones ambientales.
4- En todos los DNA el nº de residuos de adenina es igual al de residuos de timina y el nº de residuos de guanina es igual al de citosina entonces A+G=T+C
Representaron una clave para la deducción de la estructura tridimensional del DNA y dieron pistas de cómo está codificada y cómo se traspasa.
Distintas estructuras de DNA
La estructura de Watson y Crick se conoce también como B-DNA, es la estructura más estable. En condiciones fisiológicas es el punto de referencia estándar en los estudios. Las formas A y Z son dos variantes.
 A-DNA favorecida en disoluciones pobres en agua. Está estructurado en una doble hélice dextrógira, pero más gruesa y el nº de pares de bases por vuelta es de 11. El plano tiene una inclinación de unos 20º. Hacen que el surco mayor sea más profundo y el surco menor más superficial. Los reactivos utilizados para la cristalización del DNA tienden a deshidratar y por eso muchos DNA cortos cristalizan en forma A.
 El Z-DNA, con rotación levógira de la hélice, contiene 12 pares pos vuelta y la estructura es más delgada y alargada. Adoptan un plegamiento en zig-zag. Su diámetro es de 18ª y tiene un giro de 180º.
El enlace N-glucosídico es anti cuando la pentosa y la base ocupan posiciones opuestas y es sin cuando están en el mismo lado. En B y A-DNA es anti y en Z las Pirimidinas son anti y las púricas son sin.
Cuando la pentosa está unida al fosfato y la base uno de sus átomos se puede mover. Si se mueve hacia el C5’, tiene conformación endo y si se mueve en sentido contrario es exo.
En el B-DNA el carbono desplazado es el 2’, se denomina C2’-endo, el A-DNA es C3’-endo y en el Z-DNA las bases pirimidínicas son C2’-endo y las purinas son C3’-endo.
Estructuras No Habituales
Las más frecuentes son curvaturas cuando hay 3 o 4 adeninas seguidas.
Otro bastante común es el palíndromo, se aplica a regiones del DNA con repeticiones invertidas de secuencias de bases en las dos hebras del DNA. Son autocomplementarias, de el derivan estructura en horquilla: implica la intervención de una hebra de DNA. Este tipo es el más frecuente.- estructuras cruciformes: intervienen 2 hebras. Es menos frecuente. - repetición especular: no pueden formar estructuras en horquilla o cruciformes. También es una estructura palindrómica ,
pero las cadenas no son autocomplementarias.
Puede que si tenemos un A=T haya una Timidina, (timina protonada) que se une al par de bases A=T. A este apareamiento se le denomina de HOOGSTEEN y en el se implican el N7 de timina y el 06 o el N6 en guanina y adenina. Tendremos implicadas tres hebras y aparece la formación de un DNA tríplex. Cuando tenemos 4 cadenas un DNA tetráplex y tiene que tener al menos una hebra rica en guanosina. Estos apareamientos son más estables a pH bajo.
H-DNA, se encuentra en regiones de polipurina o de polipirimidina que incorporan una repetición especular. Está formado por una hélice de DNA en el que abundan en una cadena bases pirimidínicas y en otra bases púricas. Tiene alternancia de A/G y T/C, puede darse un giro en la misma cadena y la hebra con bases púricas se asocia con la que tiene bases pirimidínicas. Parece que sean tres cadenas.
Superenrollamiento del DNA
Empaquetado y compactado implica un alto grado de organización, el plegamiento debe permitir acceder a la información contenido se refiere al enrollamiento de una hélice. Está enrollado formando una doble hélice. El superenrollamiento es una manifestación de una tensión estructural. Cuando no hay enrollamiento se dice que el DNA se encuentra relajado.
El ADN tiene su estabilidad como cadena lineal con dos hebras enrolladas si provocamos una tensión da lugar a los siguientes procesos.
Se produce una apertura por la eliminación de una vuelta y esta se queda así. Ocurre gracias a unas proteínas y se da en los procesos de transcripción.
Se forma una superhélice, un superenrollamiento en los lados adyacentes, esto sucede en los ADN circulares cuando no se elimina el nº de vueltas y la tensión se transmite. Conseguimos compactar el DNA.
La topología estudia las propiedades estructurales de objetos que no modifican su estructura primaria a pesar de cualquier modificación. Esto le ocurre al DNA, que, afectado por modificaciones, no altera su secuencia. De esta forma surgen los topoisómeros, moléculas de DNA de la misma longitud pero distinto nº de enlace.
El nº de enlace (L) es una propiedad topológica que define el nº de veces que una hebra enrolla a la otra. Se tiene en cuenta en un DNA circular sin superenrollamiento.
 El nº de torsión (T) nº de vueltas de la hebra.
 EL grado de superenrollamiento, (W) es el nº de vueltas superhelicoidales.
L tiene que ser un nº entero L=T+W
Cuando está relajado el nº de enlace y el de torsión son el mismo. W=0. Cuando son dextrógiras el superenrollamiento es positivo y cuando son levógiras es negativo. Éste último es más abundante porque es más fácil desenrollar las hélices levógiras. En estas el nº de enlace es menor.
Topoisomerasas: el superenrollamiento del DNA es un proceso regulado de forma precisa. Todas las células tienen enzimas cuya misión es desenrollar y/ o relajar el DNA. Aumentan o disminuyen el nº de enlace. Hay dos clases, las tipo I actúan produciendo un corte transitorio en una hebra, haciendo girar uno de los extremos sobre la hebra y volviendo a unir los extremos, aumenta en una unidad el nº de vueltas. Cuando es levógiro consigue relajar la estructura. Las del tipo II cortan ambas hebras y hacen variar en incrementos de 2 el nº de vueltas. Requieren ATP ( las de tipo II) se giran y se produce un superenrollamiento negativo de ambas que favorece la compactación.
Cuando es trenzado es plectonémico y predomina en zonas en disolución. Cuando se presenta enrollado helicoidalmente con vueltas compactas hacia la izquierda es solenoidal y es el predominante.
Experimentos de Griffith
Experimentó con una bacteria con cubierta de polisacáridos que le daba patogenicidad. La forma R era la no virulenta y la S la virulenta. Si la cepa S se calentaba, y se inyectaba a un ratón, éste no moría, pero si junto a la cepa S calentada se inyectaba una cepa R el ratón moría. Una cepa R se había transformado en una cepa patógena, esto se llamó Principio transportador. (pt)
Experimento de Avery, Macleod y Mcarty, 1944.
Miescher y otros sospecharon que la nucleina estaba asociada con la herencia celular, pero la primera prueba directiva de que el DNA era el depositario de la información. A partir del experimento de Griffith hallaron que el DNA extraido de una cepa virulenta era capaz de transformar genéticamente una cepa no virulenta. Concluyeron que transportaba el mensaje genético hereditario. No todo el mundo aceptó, pues impurezas de naturaleza proteica presentes en el DNA podrían haber sido el transportador. Las bases de sus teorías fueran:
 El p.t. se podía purificar y realizar un análisis químico fundamental, dieron iguales que el DNA.
 Estudiaron las propiedades del P.T., los resultados también eran idénticos a los de DNA.
 Realizaron una extracción de proteínas y lípidos y vieron que no se perdía la patogenicidad. Ni con tripsina, quimotripsina ni ribonucleasas variaba.
 El principio transformador pt era el DNA.
Experimento De Hersey y Chaste
Un segundo experimento aportó pruebas de que el DNA transporta la información genética. En 1952 utilizaron marcaje con fósforo 32P y azufre 35S radiactivos para demostrar que el DNA de la partícula vírica que contiene fósforo y no la proteína que contiene azufre, el componente que penetra en la célula huésped y aporta la información.
El genoma es toda la información de un organismo.
El cromosoma es una molécula que porta información genética de un organismo, son dinámicas que cambiarán su conformación dependiendo del momento del ciclo celular.

 Virus, necesitan a una célula huésped para poder replicarse, su genoma será pequeño para sintetizar proteínas que no se encuentran en la célula. Tiene un cromosoma de DNA o RNA, la forma replicativa es la que adapta el cromosoma del virus cuando infecta una célula.
 Procariotas, la más estudiada es la E. Choli, que tiene un DNA circular bicatenario. EL cromosoma contiene 4.000.000 de pares de bases. Tienen una copia de cada gen, podemos encontrar plásmidos, moléculas más péquelas que es cromosoma, con autoreplicación con información genética muy importante que codifican enzimas, son resistencias frente a los antibióticos.
 En Eucariotas, son cromosomas lineales, hay genes repetidos y secuencias que no codifican ningún gen, los intrones. También está en mitocondrias y cloroplastos, de menor tamaño y más sencillos. En mitocondrias hay información para proteínas y ribosomas mitocondriales.
El ADN nuclear es más complejo y grande, el contenido de una célula es de 2m, un adulto tiene unas 1014 células.
La cromatina es un complejo de DNA, proteínas y pequeñas cantidades de RNA, las prot que más se han estudiado son las histonas. Hay cinco clases: H1, H2a, H2b, H3, H4. Lo que forman con el ADN son los nucleosomas.
Los nucleosomas están formados por un octámero de histonas, 2H2A, 2H2B, 2H3, y 2H4 que forman un núcleo alrededor del cual hay enrollado 200pares de bases de DNA. En las histonas predominan los aa básicos de Arg y Lys. La H1 no está en el octámero, se encuentra interaccionando con el DNA de enlace. En una molécula de nucleosoma tenemos 1H1 y 2 de cada una del resto. EL enrollamiento del DNA sobre las histonas es solenoidal con un giro a la izquierda y lo que se enrolla es una vuelta y ¾ de forma levógira.
Una vez tenemos la cromatina enrollada en el collar de cuentas vuelve a enrollarse de forma solenoidal para dar una fibra de 30nm con 6 nucleosomas por cada vuelta. El DNA se va compactando hasta llegar al cromosoma con sus dos cromátidas hermanas.

Elementos Cromosómicos Un gen es una parte de un cromosoma que afecta a un solo carácter o fenotipo. George Beadle y Edward Tatul propusieron en 1940 una definición molecular. Expusieron esporas de moho a os rayos X y a otros agentes que causan mutaciones. Hallaron que algunos que podían interrumpir por completo el funcionamiento de una ruta metabólica. Los llevaron a proponer que:
 Un gen es un segmento de material genético que determina o codifica una enzima.
 No todos los genes se expresan como péptidos algunos codifican clases de RNA como tRNA y rRNA.
 Un gen es una secuencia de DNA que codifica un producto final, sea proteína o un RNA. En los cromosomas de los procariotas existe una propiedad, la colinealidad, la secuencia de ADN se corresponde con una secuencia de aa a través de un RNA. Cada triplete de nucleótidos codifica un aa.
La organización de los genes eucariótico es más compleja y su estudio ha deparado
Muchas sorpresas. Los ensayos diseñados para comprobar a grado de repetición de ratón dieron un resultado esperado. Un 10% del DNA consiste en segmentos cortos de menos de 10 pares de bases que se repiten, son conocidos como altamente repetitivos. Otro 20% cortos de centenas, son moderadamente repetitivos, y el último 70% son segmentos únicos que se repiten pocas veces.
Las altamente repetitivas reciben el nombre de DNA satélite, porque cuando se centrifuga en gradientes de cloruro de cesio, se dispone separado del resto debido a su composición de ases. Tiene funciones importantes reaccionadas con centrómeros y telómeros pero no codifica.
 Los centrómeros determinan las proteínas que hacen que segregue la cromátida hermana y que el cromosoma se una a la fibra del huso mitótico.
 Los telómeros suelen ser secuencias largas con función estabilizadora, se van acortando por acción de las telomerasas puede tener reacción con el cáncer.
Los segmentos codificantes son los exones. Entre diferentes especies varían la posición y la longitud de los exones. En las secuencias que codifican, las histonas son las únicas sin intrones.
 Los mapas genéticos simbolizan la secuencia pero solo se expresan las proteínas más importantes, se miden en minutos y cada minuto corresponde con 40.000 p. de bases.
RNA
Se pensó que si el ADN estaba en el núcleo y los ribosomas en el citoplasma ha de haber una molécula que transmita la información. El RNA actúa de intermediario en la conversión de esta información genética especificando la secuencia de aa.
Se propuso el nombre de RNA mensajero mRNA para la que traslada la información genérica, los mensajeros actúan como moldes que sirven para especificar las secuencias de aa de las cadenas polipeptídicas. El proceso de formación del mRNA sobre un molde de DNA se conoce como transcripción. En procariotas, una molécula de mRNA puede codificar una o varias cadenas polipeptídicas. Si contiene información para un polipeptídico, monocistrónico, y si codifica varias, policistrónico. El más común es el monocistrónico.
El tamaño de un mRNA no va a ser el tamaño de un gen porque se le suman otras secuencias en los extremos 3’ y 5’ de cada gen que serán importantes. El mRNA es una hebra como una estructura estable en la que se produce un giro helicoidal hacia la derecha. Se producen apilamiento de bases más fuertes entre dos purinas.
Se pueden formar apareamientos con una hebra de RNA o una de DNA. Cuando tenemos dúplex de RNA aparece el apareamiento G=U, que no corresponde a Watson y Crick. En el RNA es frecuente encontrar bucles, horquillas, etc.
Propiedades Físicas y Químicas de los Ác Nucleicos.
Las disoluciones de DNA son muy viscosas a pH 7 y Tª ambiente. Cuando se somete a valores extremos superiores a los 80ºC su viscosidad desciende rápidamente. Indica que el DNA ha sufrido un cambio en su estado físico, provocando una desnaturalización. La rotura de los enlaces de H y del apilamiento de las bases provoca el desenrollamiento total o parcial. Si es parcial hay parte que todavía conserva su estructura. La desnaturalización no rompe ningún enlace covalente de DNA.
La Tm es la Tª a la que hay que incubar una doble hélice para llegar a que la mitad de la hélice se encuentre desnaturalizada y la otra esté sin desnaturalizar. La desnaturalización produce un incremento de la absorción de rayos u.v. a 260 nm denominado efecto hipercrómico.
La Renaturalización del DNA es un proceso rápido si no es completa. Cuando la Tª y el pH retornan los segmentos de las dos hebras vuelven a hibridarse para restablecer un dúplex intacto. Sin embargo, si las dos hebras están completamente separadas, ocurre en dos pasos. En el primero las dos hebras se encuentran mediante colisiones al azar. El segundo paso es más rápido, las bases no apareadas restantes se aparean como en una cremallera.
Principio del ensayo de hibridación
Si tenemos dos muestras con sus hebras separadas se mezclan y se vuelven a sus condiciones óptimas, se pueden producir apareamientos entre hebras de las distintas especies y formarse un dúplex híbrido. Cuantos más dúplex haya, más similares serán los DNAs de las distintas especies.