DNA Genomas

8/18/2019 DNA Genomas

1/27

2010 Enrique Castro 1

DNA, genes y cromosomasDNA, genes y cromosomas

➢ Estructura del DNA Nucleótidos: estructura, nomeclatura y

propiedades Estructuras secundarias Estructura supersecundarias

➢ Dinámica del DNA Estabilidad y desnaturalización del DNA Parámetros topológicos y estabilidad Topoisomerasas

➢ Estructura de cromatina y cromosomas Cromatina: organización nucleosómica Estructura de cromosomas: centrómeros y

telómeros➢ rganización genómica

!enomas: DNA codi"icante y no codi"icante Estructura molecular del gen

Para © Enrique CastroLos trabajos de tercerosretienen su licencia original

2010 Enrique Castro #

Basenitrogenada

Azúcar fosfato

ribosa

desoxi-ri

bosa

enlace

β-glucósido

nucleósido

nucleótido

Estructura de nucleósidos y nucleótidosEstructura de nucleósidos y nucleótidos

RNA

DNA


2/27

2010 Enrique Castro $

*Nucleósido y nucleótido son nombres genéricos que incluyen tanto

las formas ribo- como las desoxirribo-

RNAuridilatouridinaUracilo

RNADNA

Timidilatodesoxitimidilato

Timidinadesoxitimidina

Timina

RNA

DNA

Citidilato

desoxicitidilato

Citidina

desoxicitidina

Citosina

Pirimidinas

RNA

DNA

Guanilato

desoxiguanilato

Guanosina

desoxiguanosina

Guanina

RNA

DNA

Adenilato

desoxiadenilato

Adenosina

desoxiadenosina

Adenina

Purinas

%cido nucleicoNucleótido&Nucleósido&'ase

RNA

DNA

Inosinato

desoxi-inosinato

inosina

desoxiguanosina

Hipoxantina

Nomenclatura de nucleósidos y nucleótidosNomenclatura de nucleósidos y nucleótidos

2010 Enrique Castro (

Funciones de nucleótidosFunciones de nucleótidos

Constituyente de los ácidos nucleicos)

Acoplador en intercambios energ*ticos

Act+an como seales -u.micas)

Componente estructural de co"actores/coenzimas

cA0P

NAD

ATP


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Estructuras de nucleobases mayoritariasEstructuras de nucleobases mayoritarias

Ca"e.na (1,3,7-trimetil-antina!


Estructuras de nucleobases minoritariasEstructuras de nucleobases minoritarias

0ás "recuentes en DNA 0ás "recuentes en 4NA

Ca"e.na (1,3,7-trimetil-antina!

"racilo en #$% (desaminaci&n de C! ribo-'imidina en $%


4/27


N N

N N

NH2

R

N N

N NH+

NH2

R

N N

NNH

O

NH2

R

N N

NN

O

NH2

R

N N

NH +

NH

O

NH2

R

N

NH

O

O

H!

RN

N

O

O

H!

R

N

N

O

NH2

R

N

NH+

O

NH2

R

Adenina

guanina

citosina

timina

pKa=3.8

pKa=2.4 pKa=9.4

pKa=9.5

pKa=4.5

N1

N7

N3

N3

Propiedades ácido-base de los ácidos nucleicosPropiedades ácido-base de los ácidos nucleicos

➢ El grupo "os"ato es "uertemente ácido• 6os"atos totalmente ionizados a p7 "isiológico

8p9a1);<• Carga neta negati=a• 4epulsión entre cadenas dependiendo de >

)oni*aci&n a+ectaa la estabilidad de

la doble lice

➢ ?as bases pueden ionizarse• Carga neta depende del p7• Carga aumenta solubilidad• Capacidad de "ormar pd@ depende del p7

Protonaci&n en $ c.clico s/2

#es/rotonaci&n +ormas enol

2010 Enrique Castro

Formas tautómeras de las nucleobasesFormas tautómeras de las nucleobases

6ormas mayoritarias8BB:1<

6ormas minoritarias

citosina

guanina

adenina

timina

ólo *stas "ormanpares atsonCricF

Nue=as ionizacionesalternati=as

#elin 7e ig 212

%/areamientos$ 4atson-Cric56mutaciones


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2010 Enrique Castro B

Espectros de absorción de luz por nucleótidosEspectros de absorción de luz por nucleótidos

➢ Absorción caracter.stica en GH• 0áIimo a #3; nm (di+erencial de /rote.nas 20 nm!• >denti"icación y cuanti"icación

2010 Enrique Castro 1;

Conformaciones de ribosa en nucleótidosConformaciones de ribosa en nucleótidos

➢ 4otación del anillo "uranosa• C de ribosa tetra*dricos• eparación "os"atos C$JC2J• Proyección de 7 en C#J

➢ 4otación del enlace glucos.dico• >mpedimentos est*ricos en syn

8pre"ieren anti<• !0P pre"iere syn 8P2JN7#<

)m/edimento estricobase-ribosa

#istanciaentre +os+atos

Pro8ecci&n del -9


6/27


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""

H2O

%idrólisis

EItremo 2K

&oli'erización

$#

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N(" + H2O N)"+ ""i

*, -!. /01'ol

DNAn + N)" DNAn+. + H2,

*, +2$ /01'ol

DNAn + N(" DNAn+. + ""i

*, - /01'ol

""i + H2O 2 "i

*, -!. /01'ol

Quí mica de la polimerización de DNAQuí mica de la polimerización de DNA

3nlace

fosfodi4ster

!5-$5

EItremo $K

Enlace+os+odister 3:-;:

2010 Enrique Castro 1#

Estabilidad del esqueleto fosfodiésterEstabilidad del esqueleto fosfodiéster

➢ 7idrólisis espontánea• 0uy lenta en DNA (t


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2010 Enrique Castro 1$

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&A&(&&&(&

6 A&(&&&(&& 7

A((

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Convenios de escritura de secuencias (nucleótidos)Convenios de escritura de secuencias (nucleótidos)

a7

b7

c7

d7

8ie'&re $59!5

• Re&licación

• (ranscri&ción

• (raducción

6orma más com+nsiempre 2J $J

2010 Enrique Castro 1(

Plegamiento en doble hélice de oligonucleótidosPlegamiento en doble hélice de oligonucleótidos

➢ Estructura• 7elicoidal• 0icelar: "os"atoribosa eIteriores,

bases interiores• 7ebras no opuestas: surcos

➢ Topolog.a• 7*lice doble• DeItrógira• Antiparalelas• Complementarias

urco

mayor

urcomenor

2J $J 2J $J

$J 2J $J 2J

:osfatos

cargados

exteriores

Bases

%idrófobas

interiores

Dextrógira

anti&aralela

4eglas de C@arga"" >% ? >' , >@ ? >C> Purinas ? > Pirimidinas

Autoreplicati=a


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● "uentes de %idrógeno de ;atson-ric/<

● Autore&licati=a<

ATGCATGCATGC

TACGTACGTACG

ATGCATGCATGC

TACGTACGTA

ATGCATGCAT

TACGTACGTACG

$#

$#

!#

!#

$# !#

$#!#

"uentes de

%idrógeno

>&urinas? >&iri'idinas?

>A? >(?

>? >?

Complementariedad entre basesComplementariedad entre bases

● Reglas de %argaff<


surco

'enor surco

'a@or

Grupos superficiales y surcos en el DNA dúplexGrupos superficiales y surcos en el DNA dúplex

:osfatos<

interacciones

electrostticas

ines&ecficas

urco mayor:lectura de secuencia8pd@ espec."icos


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Estructuras secundarias de polinucleótidosEstructuras secundarias de polinucleótidos

➢ Estructuras intercon=ertibles• 0onocatenarios: @*lice o=illo• 'icatenarios: A L ' M• Tricatenarios: 7

3structura secundaria


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2010 Enrique Castro 1B

H-DNA: triples hélices dextrógirasH-DNA: triples hélices dextrógiras

6unciones:● 4elaOamiento super@elicoidal● 4ecombinación

"ebra suelta

(&)

DNA d+pleI

DNAd+pleI

H-DNAtri&le

● H4lice tri&le dextrógira● A&area'ientos de Hoogsteen● Hebras asi'4tricas< sólo "ur 1 sólo "ir

2010 Enrique Castro #;

H-DNA: apareamientos de HoogsteenH-DNA: apareamientos de Hoogsteen

ApareamientoatsonCricF

Hebra"ur

Hebra

"ur

Hebra

"ir

Hebra"ir Hebra

"ir5

Hebra

"ir5

Apareamiento7oogsteen

Apareamiento7oogsteen

ApareamientoatsonCricF

Gnión de $ @ebra 8PirJ<a grupos eIpuestos ensurco mayor del d+pleI


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2010 Enrique Castro #$

DNA curvado: TATA-binding proteinDNA curvado: TATA-binding protein

T'P reconoce secuencia poliA en promotore une al DNA en con"ormaciónagudamentemente cur=ada

2010 Enrique Castro #(






telómeros

➢ rganización genómica !enomas: DNA codi"icante y no codi"icante Estructura molecular del gen


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2010 Enrique Castro #2

Estabilidad de la doble héliceEstabilidad de la doble hélice

6uerza iónica, >

Especi"icidad: pd@Estabilidad: apilamiento

Transición@*liceo=illo

re=ersible

➢ T*rmino entálpico, Q7• 4epulsión electrostática de Pi

• Puentes de @idrógeno intercatenarios

• >nteracción RR por apilamiento de bases

Q! Q7 TQ

➢ T*rmino entrópico, Q• 4estricción en rotación de enlaces

• ?iberación de agua por apilamiento(E+ecto idro+&bico!

➢ 6actores -ue a"ectana la estabilidad

• Temperatura• 6uerza iónica• p7

• 6ormadores de pd@• Detergentes• ol=entes orgánicos

p7

urea+ormamida

Calor, T

Q7apilamiento S 1332 F/mol Q7pd@ S 8#,$< U 1# F/mol

detergentessol=entes org)


,

,

A 2 ,

Desnaturalización del DNA: efecto hipercrómicoDesnaturalización del DNA: efecto hipercrómico

nati=o6frio7

Desnaturalizado

6caliente7

2,2

Kongitud de ondaC n'

A b s o r b a n c i a

.F$

.F,

,F$

El apilamiento inter"ierecon absorción GH: A

#3;

E"ecto @ipercrómico:Aumento A#3; al calentar

Desapilamiento de bases


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Desnaturalización térmica del DNADesnaturalización térmica del DNA

('< te'&eratura

de fusión

El DNA se funde al calentar

Rehibrida la enfriar

T m= H S

(ransición

fuerte'ente

coo&erati=a

(' (

, + /Llog6M7 + L67 + βL6:7

Tm aumenta

con V8!C<

2010 Enrique Castro #

El DNA se desnaturaliza en medio fuertemente básico (o ácido)El DNA se desnaturaliza en medio fuertemente básico (o ácido)

?a ionización de las bases a"ecta a lospuentes de @idrógeno de atsonCricF


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2010 Enrique Castro #B

HibridaciónHibridación

#elin e ig 21D, 222

%sociaci&n /or secuencia

com/lementaria local

Etensi&n dela/areamiento

>denti"icación mediantesonda de @ibridación

Calentado6todo en ebra sim/le

onda6egmento corto marcado

En+riado6

.brido natio-sonda

iltrado6Eliminar sondasno unidas (cortas!

2010 Enrique Castro $;

Superenrollamiento del DNASuperenrollamiento del DNA

●"ro&iedad to&ológica● 8in rotura de enlaces co=alentes● Mn=ariable a defor'aciones

●3xtre'os fiPos● DNA circular ● "untos de anclaPe in'ó=iles

Topoisómeros de DNA circular

Densidad superenrollamiento, W →

plecton*mico

solenoidal

En soluci&n

En la clula(mAs com/acto<

intercon.ertibles


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2010 Enrique Castro $1

Topologí a del superenrollamientoTopologí a del superenrollamiento

K/

(Q + ;

r

Link Twist Write

enlace giro torsi!n (Stryer)

ligamiento torsi!n retorcimiento (Lehninger)

liga"!n torsi!n retorcimiento (Mathews)

enlace torsion retorcimiento (Devlin)

liga"!n giro #uperenrollamiento

Diapositivas

: superenrollamiento

T: giro de @*lice

?: nX de crucesdel plano

?F: Parámetro topológicoNX enteroConstante (etremos +ijos!

T, : Parámetros geom*tricos=ariables 8intercon=ertibles<no enteros

2010 Enrique Castro $#

Interconversión tensión-giro-superhéliceInterconversión tensión-giro-superhélice

DNA relaPado

K, J

DNA tenso

K/ G

( J

; ,-. =uelta

(ensión* ,

*K/

*(Q + *;

r

K S ( + ;

( G

; , ( J

; -.

*;r

8u&erenrolla'iento

*(Q

:usión local

*K/-.

!, G,


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2010 Enrique Castro $$

Relajación de tensiones superhelicoidalesRelajación de tensiones superhelicoidales

● a'bios confor'acionales<

● )ecanis'os enzi'ticos< (o&oiso'erasas

recluta'iento

acti=ación

Cambio topológico Caracter.sticas de lasecuencia

6usión local 8QT: 1/1; pb< 4icas en AT

Paso a MDNA 8QT: #/1; pb< Alternando PurPir

Paso a 7DNA Q ? 7ebras Pur/Pir

Estructurascruci"ormes

Q ? pal.ndromos

G SC =k ⋅

$ 8u&erenrolla'iento

reuiere energa= L

k

L%

DNA celular W S ;,;3

2010 Enrique Castro $(

Topoisomerasas: catálisis de cambios en Lk Topoisomerasas: catálisis de cambios en Lk

• (i&o M< orte 'ono%ebra *K T.

• (i&o MM< orte de doble %ebra *K -2

3ucariotas< antitu'orales

6ca'&totecina7&rocariotas< antibióticos

6cF Nalidxico7

Topoisomerasas cromosómicasTopoisomerasas replicati=as 8no=obiocina<

U"

V (@r

"U

V(@r

Mnter'ediario

co=alente

Mnter'ediario co=alenteA("asas

A("asas


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2010 Enrique Castro $3.. n'

$F$ n'

DNA empaquetado: cromatinaDNA empaquetado: cromatina

I nor'al6,F.$ ) Wl7

I baPa

:ibras de

cro'atina6!, n'7

uentas

en rosario6., n'7

/ibra de 0N1

Núcleo de %istonas

oct'ero

DNA ligadoS 1(3 pbcompacto, estable

DNA de coneIiónS 1222 pbsensible a nucleasa

Nucleoso'a

7istona 71mantiene el DNAconector


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Estructura del nucleosomaEstructura del nucleosoma

Histonas


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2010 Enrique Castro $B

!, n'

:ibra de

cro'atina

de !, n'

71 "iOa DNA71 enrollamiento solenoidal(J nGuelta!

Histona H.

Brazo de unión.$-$$ &b

Estructura de las fibras de cromatina 30 nmEstructura de las fibras de cromatina 30 nm

o'&actación DNA< x.,,

2010 Enrique Castro (;

Estructura de cromosomas en interfaseEstructura de cromosomas en interfase

➢Cromosoma inter"ásico•1 mol*cula DNA•'ucles cromatina $; nm•Anclados a andamiaOe por 0A4 •Transcripcionalmente acti=o

1ndamia7e del cromosoma

ecuencias espec."icasde unión80A4s, A4s<

.-!L.,J &b

X !-., c'

CL.,I &b 1

cro'oso'as

X 2F2 '

DNA: una Knica molcula lineal

'ucles: •icos 91, 9=@, 'o/o))•#escondensables•E/resables

Topo >>71


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2010 Enrique Castro (1

Estructura de cromosomas mitóticosEstructura de cromosomas mitóticos

➢Cromosoma mitótico•1 mol*cula DNA•Altamente condensado•Condensinas•Transcripcionalmente inacti=o) No eIpresable

Condensinas• !randes compleOos prote.nas 0C• ATPasas)

• Gnen DNA por eItremos globulares• @idrolizan ATP• "orman bucles deItrógiros de DNA

2010 Enrique Castro (#

Estructura de los elementos funcionales básicosdel cromosoma

Estructura de los elementos funcionales básicosdel cromosoma

teló'ero teló'erocentro'ero

AR8

0+ltiples (1G3-300 5/b!4icas en AT (+Acil +usi&n!

Mnicio de re&licación

Ynión al uso 'itótico

segregación 'itótica

"re=enir degradaciónanclaPe de re&aradores

Hebra rica en (

3xtensión !5

X. /&bHebra rica en A

Re&eticiones telo'4ricas

.-$, /&b

Re&eticiones de

secuencias (3KRe&eticiones desecuencias 3N

ACAAACT ACAAACT5;;pb

4eiterado Y1; Fpb

5' AGGGTT AGGGTT AGGGTT AGGGTT AGGGTT AGGGTT AGGGTT 3'

3' TCCCAA TCCCAA TCCCAA TCCCAA 5'


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2010 Enrique Castro ($

Telómeros de mamí ferosTelómeros de mamí feros

"rotección de la

degradación

anclaPe dere&aradores

5'TTAGGG

3'AATCCC

d.mero T461 liga a cadarepetición telom*rica

D.meros T461se unen entre si: plegado

'ucle TPA4P

T46# estimulain=asión de @ebra $J

5'AGGGTT AGGGTT AGGGTT AGGGTT AGGGTT AGGGTT AGGGTT 3'

3'TCCCAA TCCCAA TCCCAA TCCCAA 5'

Alineamientode DNA d+pleI

>n=asión por eItensión $J8Dloop<

2010 Enrique Castro ((

Visualización molecular de bucles-TVisualización molecular de bucles-T

oet M Ed 2011


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teló'ero teló'erocentro'ero

Re&eticiones de

secuencias (3K Re&eticiones de

secuencias 3N

Otras

re&eticiones

Organización génica en procariotas y eucariotasOrganización génica en procariotas y eucariotas

Procariotas Eucariotas

ro'oso'as . 6+ &ls'idos7 'uc%os

(o&ologBa circular lineal

'RNAs "olicistrónicosin &rocesa'iento

)onocistrónicogran &rocesa'iento

Mntrones No 8i

DNA no-codificante No 8i

3'&aueta'iento ligero )u@ co'&acto

6%istonas7

ro'oso'a lineal

ro'oso'a circular

origen


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DNA genómico y tamaño del genomaDNA genómico y tamaño del genoma

=irus

%ongos

a=es

.,! ., .,$ ., .,G .,J .,I .,., .,.. .,.

DNA genó'ico 6&b &or geno'a %a&loide7

%aba

E. coli

le=adura

tiburón

Drosophila

Xenopus

Ho'bre

!F2L.,I &b

"rocariotas

3ucariotas

"eces cartilaginosos

bacterias

&lantas

insectos

'oluscos

"eces óseos

re&tiles

'a'feros

anfibios

C. elegans

1B);;;H. sapiens

#1)2;;

!enoma:•ConOunto de genesdel organismo

Halor C:•DNA total por c*lula@aploide

ParadoOa de C:•Ausencia de correlación

C Z[Y compleOidad•DNA no codi"icante

2010 Enrique Castro (

Tipos de DNA eucariótico: por funciónTipos de DNA eucariótico: por función

DNA repetiti=o

DNA copia +nica

0oderadamente reiterado

Altamentereiterado

!enes 4NA

EIpresión de genes4egulación g*nica

4olestructural

4ep) CEN4ep TE?

transcrito

Gag, pol env


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2010 Enrique Castro (B

Tipos de DNA eucariótico: por repeticiónTipos de DNA eucariótico: por repetición

➢DNA de copia +nica longitud copias V genoma @umano•!enes +nicos de prote.nas ariable 1 N1;>

•Pseudogenes (16! ariable 1 N0>

• >ntrones y seales de control ariable 1 N2>

•Espaciadores (Hjun5I! N2;>

➢DNA moderadamente reiterado•!enes en tándem prote.nas ariable 3-30 N0;>

•!enes en tándem 4NA ariable 10-100 N0;-1>

•4epeticiones intercaladas

•Transposones de DNA 2-3 5b 3O10; N3>

•4etrotransposones con ?T4 J-11 5b O10; N>

•4etrotransposones sin ?T4

•?>NE J- 5b JO10; N21> ?1•>NE 100-300/b 1JO10J N13> Alu

➢DNA altamente reiterado•DNA secuencia simple, 4 1-;00 /b 10;-10J N1-1;> DNA sat*lite

•4epeticiones in=ertidas D 02-1 5b 2O10J N;->

4ep) CEN4ep TE?

4olestructural

4ep) CEN4ep TE?

8 )b9 8:8 co$ias

$b9 8 co$ias

, - - 2 $b

; en tndem

y reiterado

DNAmó=il

Hirusintegrados

2010 Enrique Castro 2;

Estructura molecular del genEstructura molecular del gen

&ro'otor

&otenciadores

intronesexones

adenilación

$5 !5

No funcional

8eZales de

control $5

8eZales de

control !5

en


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Genes eucarióticosGenes eucarióticos

2010 Enrique Castro 2#

Organización del DNA codificanteOrganización del DNA codificante

Kisozi'a.$ /B no 'RNAno 'RNA

, /B

8ecuencias Alu

● enes si'&les


27/27

2010 Enrique Castro 2$

Clusters de las globinas: LINES y SINESClusters de las globinas: LINES y SINES

oet M Ed 2011

8ecuencias Alu

en a'bas direcciones

3le'entos K.

en a'bas direcciones

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