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  • Vernica Gonzlez NezUniversidad de Salamanca

    5. BIOSINTESIS DEL DNA

  • ESQUEMA. Biosntesis del DNA

    1. Introduccin

    - Hitos en la investigacin en el DNA- Importancia en la investigacin en DNA- El DNA: estructura y funciones

    2. El DNA superenrollado y topoisomerasas

    - El DNA superenrollado (supercoiled)- Topoisomerasas: topoisomerasas tipo I y tipo II DNA girasas

    3. La horquilla de replicacin

    - Las estructuras - La DNA girasa- Modelo de replicacin semidiscontinua

  • HISTORIA. Hitos en la investigacin en el DNA (I)http://www.dnai.org/timeline/index.html

    1869. Miescher: Aislamiento de los cidos nucleicos

    Sustancia de carcter dbilmente cido presente en leucocitos y de funcin desconocida. Se llam cido desoxirribonucleico o DNA

    1886. Mendel: Leyes de la herencia

    2 factores determinan un carcter & cada uno de ellos es heredado de un progenitor

    1912. Bragg: Difraccin de rayos X

    La estructura atmica de un cristal puede deducirse a partir del patrn de difraccin de rayos X

    Fue una tcnica clave para determinar la estructura del DNA

    1924. Estudios de microscopa indican que tanto el DNA como las protenas seencuentran presentes en los cromosomas

  • HISTORIA. Hitos en la investigacin en el DNA (II)

    1928. Griffith: Transformacin

    La informacin gentica puede transmitirse desde una bacteria muerta por calor a otra viva. El material gentico es una molcula termoestable

    1930. Beadle & Tatum: relacin entre genes y protenas

    Hiptesis de un gen una protena

    1944. Avery, McLeod & McCarty: El agente transformador de las bacterias deGriffith es el DNA

    El DNA, y no las protenas, es la molcula de la herencia

    Gran escepticismo en la comunidad cientfica debido a la que el DNA presenta un estructura demasiado simple

  • 1949. Chargaff: Leyes de Chargaff

    La composicin del DNA es especfica para cada especie, pero vara deuna especie a otra

    Siempre se cumple que la cantidad de A = T & G = C

    1952. Franklin & Wilkins: Imgenes de difraccin de rayos X del DNA

    Claves para elucidar la estructura del DNA

    1953. Watson & Crick: Estructura del DNA

    Basada en las leyes de Chargaff y en la fotografa 51 de Franklin

    La estructura del DNA implica tambin un posible modelo de replicacin

    1957. Crick: Dogma central de la Biologa Molecular

    DNA RNA Protena

    Historia. Hitos en la investigacin en el DNA (III)

  • 1958. Meselson & Stahl: Modelo semiconservativo de la replicacin del DNA

    1961. Jacob & Monod: RNA

    Es la molcula intermediaria en la sntesis de protenas

    Hall & Spiegelman: Hibridacin de DNA & RNA

    Crick & Brenner. El cdigo gentico

    El cdigo gentico est formado por tripletes no solapantes

    Yanofky: Los genes son colineales con los polipptidos que codifican

    1962. Crick, Watson & Wilkins: Premio Nobel

    Concedido por determinar la estructura del DNA

    1961-65. Descifrado del cdigo gentico. Papel de Ochoa

    1968. Okazaki: Fragmentos de Okazaki

    Modelo para la sntesis de la hebra rezagada

    Historia. Hitos en la investigacin en el DNA (IV)

  • 1970. Hamilton Smith: Aislamiento de la primera enzima de restriccin

    Temin and Baltimore: Descubrimiento de la retrotranscriptasa

    Replanteamiento del dogma central de la Biologa Molecular

    1972. Cohen & Boyer: Tecnologa del DNA recombinante

    1975. Kronberg: Estructura de la cromatina

    1975-1977. Mtodo de Sanger

    Perfeccionamiento de las tcnicas de secuenciacin del DNA

    1978. Clonacin del primer gen humano (insulina)

    1980s. Empleo de insulina humana recombinante para el tratamiento de la diabetes

    Prusiner: Acua el trmino de prion

    Mullis. PCR

    Historia. Hitos en la investigacin en el DNA (V)

  • 1990s. Fodor & Brown: DNA chips & Microarrays

    Venter: 1 secuencia completa de un organismo vivo (H. influenzae)

    Ingenieria genetica: Era de los organismos transgnicos

    2000s. Proyecto Genoma Humano. Controversia Craig Venter & Celera

    Avance muy rpido del conocimiento y de las tcnicas en BiologaMolecular

    Aplicaciones Biomdicas & Biotecnolgicas

    2010. Venter

    Generacin del primer organismo cuyo DNA es completamente artificial (Mycoplasma mycoides)

    Historia. Hitos en la investigacin en el DNA (VI)

  • Comprender las bases moleculares de la herencia

    Determinar la transmisin de caracteres hereditarios

    Creacin de organismos genticamente modificados (GMOs) que presenten

    ciertas ventajas: terapia gnica, alimentos transgnicos, produccin de

    frmacos, bioingeniera, biorremediacin etc

    Aplicaciones biomdicas: enfermedades hereditarias

    Nuevos avances y tcnicas en investigacin

    La informacin gentica ha de pasar de una generacin a otra con la mayor

    fidelidad posible, tanto en organismos sencillos (ej. bacterias) como en

    complejos (ej. animales)

    IMPORTANCIA DE LA INVESTIGACION EN EL DNA

  • ESTRUCTURA DEL DNA (I)

    El DNA es el portador de la informacin gentica

    Funciones

    Replicacin: transmisin de los caracteres hereditarios a la descendencia

    Paso de la informacin gentica de una generacin a otra sin errores, tanto en organismos sencillos (ej. bacterias) como en complejos (ej. mamferos)

    Errores en la replicacin: mutaciones y posibilidad de evolucin

    Transcripcin DNA RNA

    Composicin qumica

    Desoxirribonucletidos con 4 bases nitrogenadas:A, G, T & C

    La composicin qumica exacta es especfica de cada especie, y difiere de una especie a otra

  • Polmero lineal de desoxirribonucletidos unidos entre s mediante enlaces fosfodister entre los carbonos 3 y 5 de la desoxirribosa

    Doble hlice antiparalela

    Una cadena es 5 3 y la otra, 3 5

    = 20

    Enrollamiento plectonmico dextrgiro: las dos hebras no pueden separarse sin desenrollar la hlice

    El esqueleto carbonado y los grupos fosfato se sitan en la parte externa para evitar las repulsiones electrostticas

    Las bases nitrogenadas se sitan en el interior

    10 bases por vuelta de hlice

    Estructura del DNA (II)

    Fuente de la imagenhttp://en.wikipedia.org/wiki/Category:BiochemistryCreative Commons Attribution-Share Alike license

  • Apareamiento de bases por puentes de hidrgeno

    A = T: 2 puentes de hidrgeno

    G = C: 3 puentes de hidrgeno

    Los residuos aromticos de las bases

    nitrogenadas son planares

    Las bases se sitan paralelamente entre s,

    y perpendicularmente al eje de la hlice

    Interacciones hidrofbicas entre las bases

    de la misma cadena ayudan a la

    estabilizacin de la hlice

    Estructura del DNA (III)

    Complementariedad de bases

  • La doble hlice del DNA presenta dos tipos de surco: mayor y menor

    Dichos surcos, junto con alteraciones en la conformacin del DNA debido a la

    secuencia especfica de bases nitrogenadas, juegan un papel determinante en

    el acceso de diversas protenas al DNA

    3 conformaciones posibles para el DNA: A, B & Z

    Las distintas conformaciones que puede adoptar el DNA dependen de:

    - la composicin en %(G+C) y % (A+T)

    - el grado de solvatacin

    - la presencia de distintos cationes en el medio

    La informacin hereditaria se localiza en la secuencia de bases de cada cadena nucleotdica

    La propia estructura del DNA aporta un posible mecanismo de replicacin

    Estructura del DNA (IV)

  • LA REPLICACION DEL DNA ES SEMICONSERVATIVA

    3 posibles modelos de replicacin del DNA

    - conservativo

    - semiconservativo

    - disperso

    Experimento de Meselson y Stahl

    Marcaje radiactivo del DNA con N15 y centrifugacin en gradiente de densidad de CsCl

    DNA parental: N15

    Cada molcula de DNA hijo posee una cadena paterna y otra de nueva sntesis ( N14 & N15), por lo que presenta una densidad intermedia

    En la siguiente ronda de replicacin, hay cadenas con densidad intermedia y otras con densidad de N14

    El modelo semiconservativo es el correcto

    Cada una de las cadenas de la doble hlice original acta como molde para la sntesis de la cadena complementaria

  • Los DNAs circulares suelen adoptar una conformacin superenrollada

    En estos DNAs, el nmero de vueltas no puede alterarse sin romper al menos

    un enlace covalente de una hebra

    DNA SUPERENROLLADO = supercoiled DNA (I)

    dsDNA DNAcircular DNAsuperenrollado

  • La topologa de una superhlice puede expresarse como L = T + W

    L: nmero de enlace o linking number

    Nmero de veces que una hebra de DNA se enrolla sobre la otra

    Permanece inalterado siempre que no se rompan los enlaces covalentes

    Es una propiedad topolgica de la molcula

    T: nmero de giro o twist

    Nmero total de vueltas de una hebra de DNA sobre el eje del dplex en una determinada conformacin

    W: nmero de torsin o writhing number

    Nmero de vueltas que el eje dplex realiza sobre el eje de la hlice en una determinada conformacin

    DNA superenrollado = supercoiled DNA (II)

  • trenzado = interwound

    sobre el propio eje dplex

    toroidal

    el eje dplex se enrolla sobre otra estructura cilndrica

    Ejemplo: sobre una estructura proteica

    Superenrollamiento hacia la derecha = negativo

    Ayuda a abrir la hlice a relajarla

    Superenrollamiento hacia la izquierda = positivo

    Aumenta la torsin

    Los superenrollamientos pueden ser trenzados (= interwound) toroidales

    DNA superenrollado = supercoiled DNA (III)

  • DNA superenrollado = supercoiled DNA (IV)

    Existen