Fundamentos de la Biología Molecular: estructura y organización de ácidos nucleicos

Fundamentos de la Biología Molecular

Jesuitak
Indautxu
UD 1
Fundamentos de la
Biología Molecular
Biología Molecular y Citogenética
Curso 2024-2025
Aitor Franco Budia

Índice

1. Introducción.
2. Organización celular.
1. Organismos procariotas.
2. Organismos eucariotas.
3. Organismos acelulares.
3. Ácidos nucleicos.
1. Estructura y composición química.
4. ADN.
1. Estructura del ADN.
2. Presencia en los organismos.
3. Propiedades físicas del ADN relacionadas con las técnicas de BM.
5. ARN.
1. Estructura del ARN.
2. Tipos y organización del ARN.
3. Presencia en los organismos.

Introducción a la Biología Molecular

¿Qué es la Biología Molecular?
Área de la biología que estudia la composición, estructura
y
función
de las moléculas celulares (biomoléculas), principalmente de los ácidos
nucleicos, así como de los procesos en las que están implicados.

OH
HO
A
(HO)
w
C-OH
CH2 OH
Lípidos
Carbohidratos
Proteínas
Ácidos
nucleicos
3

Ácidos Nucleicos

¿Qué son?
Biomoléculas muy grandes (macromoléculas) cuya función es contener,
almacenar, transmitir y expresar la información genética
· Composición: formados por C, H, O, N y P.
· Tipos:
oÁcido desoxirribonucleico, ADN.
oAlmacena la información genética y controla su transmisión a la
descendencia.
Ácido ribonucleico, ARN.
oSe encarga de la expresión de la información genética mediante la síntesis
de proteínas.
transportar informar del nuclep al citoplasma
4

Estructura y Composición Química de Ácidos Nucleicos

· Los ácidos nucleicos están formados por la unión muchas unidades
llamadas nucleótidos.
es la unidad basica
· Cada nucleótido tiene tres componentes:
Grupo fosfato
NH,
2
N
O
N
TO-P-O
I
N
N
0-
O
Base
nitrogenada
OH
Pentosa
nucleosido es cuando solo esta la pentosa y base
nitrogenada
Representación esquemática de un nucleótido
Nucleósido
5

Bases Nitrogenadas

La base nitrogenada:
· Bases púricas:
· Derivan de la purina.
· Contienen dos anillos, uno de 6 átomos
y otro de 5 átomos.
· En el ADN y el ARN encontramos la
adenina (A) y la guanina (G)
Bases pirimidínicas:
•
· Derivan de la pirimidina.
· Contienen un anillo de 6 átomos.
· En el ADN se encuentran la citosina
(C) y la timina (T).
· En el ARN se encuentran la citosina (C)
y el uracilo (U).

Purina
Bases púricas
NH.
C
N
6
-
N
5
8 CH
HC 2
AC
9 /
3
N
H
Adenina
Guanina
Pirimidina
Bases pirimidínicas
NH,
H
C
A
CH
HN
HN
CH
N
CH
1
CH
.CH
HC
CH
N
O
H
H
Citosina
Timina
Uracilo
N
.N
N
HN
CH
CH
HC
N
N
H
HẠN
H
Nº
H
CH
CH2
- a//
-
6

Pentosas en Ácidos Nucleicos

La pentosa:
· Los azúcares de los ácidos nucleicos son las pentosas.
o Están formadas por 5 átomos de carbono numerados de 1' al 5'.
· Tipos de pentosas:
o
Ribosa: es el azúcar del ARN.
o
Desoxirribosa: es el azúcar del ADN.

5'
OH CH2 O
OH
4'
H
H
1'
H
H
3'
12'
OH
OH
RIBOSA
5'
OH CH2 O
OH
4' KH
H
1'
H
H
3'
12'
OH
H
DESOXIRRIBOSA
7

Ácido Fosfórico

El ácido fosfórico: es quien aporta la carga negativa
· Se encuentra en forma de anión fosfato (grupo fosfato).
· Tiene carga negativa y es el responsable de que los ácidos
nucleicos tengan carga negativa neta.
-
C
I
P
I
O
8

Enlaces en un Nucleótido

Enlaces en un nucleótido:
· Base nitrogenada-pentosa:
- Enlace N-glicosídico al carbono 1' de
la pentosa.
- Liberación de una molécula de agua.
· Grupo fosfato-pentosa:
- Enlace éster al carbono 5' de la
pentosa.
- Liberación de una molécula de agua.
O
N
NH
G
O
N
N
NH2
-5'
0-0-0-CH2
O
I
4'
1'
0
H
H
H
H
2'
3'
OH
I
9

Nomenclatura de Nucleótidos

Nomenclatura
PENTOSA
BASE
NITROGENDA
NUCLEÓSIDO
NUCLEÓTIDO
ÁCIDO
NUCLEICO
NH2
Adenina
Adenosina
Adenosín-5'-
fosfato
0
=
N
TO-P-O
Guanina
Guanosina
Guanosín-5'-
fosfato
ARN
0-
O
1
Base
Citosina
Citidina
Citidín-5'-fosfato
2 nitrogenada
Uracilo
Uridina
Uridín-5'-fosfato
Pentosa
Adenina
Desoxiadenosina
Desoxiadenosín-
5'-fosfato
Nucleósido
Guanina
Desoxiguanosina
Desoxiguanosín-
5'-fosfato
Desoxirribosa
ADN
Citosina
Desoxicitidina
Desoxicitidín-5'-
fosfato
Timina
Desoxitimidina
Desoxitimidín-5'-
fosfato
Grupo fosfato
N
N
N
Ribosa
DIBUJAR TODO
Nucleótido
10

Ejercicio de Nucleótidos

Ejercicio
En parejas, dibujad los 8 nucleótidos posibles
indicando:
· Ácido nucleico en el que está presente.
· Nombre del nucleótido y nucleósido.
· Componentes (grupo fosfato, pentosa, base nitrogenada).
· Enlaces implicados.
Grupo fosfato
NH2
N
N
-O-P-O
N
N
0-
O
Base
nitrogenada
Pentosa
Adenosín-5'-fosfato
Guanosín-5'-fosfato
Citidín-5'-fosfato
Uridín-5'-fosfato
Desoxiadenosín-5'-fosfato
Desoxiguanosín-5'-fosfato
Desoxicitidín-5'-fosfato
Desoxitimidín-5'-fosfato
Bases púricas
NH.
2
N
N
CH
HC
Z
N
H
H,N
N
H
Adenina
Guanina
Bases pirimidínicas
NH.
Z
CH
HN
HN
CH
CH
CH
n=
N
H
H
H
Citosina
Timina
Uracilo
5
OH CH2 O
OH
OH
4'
KH
H
1
-
H
H
3'
12'
OH
OH
OH
H
RIBOSA
5'
OH CH, O
4'
KH
H
1'
H
H
- I
3'
12'
DESOXIRRIBOSA
CH
CH2
13
N
HN
CH
O=0
11

Enlaces entre Nucleótidos

23/09
Enlaces entre nucleótidos:
· Los nucleótidos se unen
entre sí a través de enlaces
fosfodiéster.
o Enlace covalente.
oUnión entre el carbono 3'
de una pentosa con el
carbono 5' de la siguiente.
o Liberación de una molécula
de agua
0-P=0
1
O
1
CH2
base
I
O
HC
CH
I
HC-CH
I
OH
TOH
ОИ
0-P=0
se unen salen
una molecula de
agua y se unen
O
1
CH2
base
I
HC
CH
/
HC-CH
I
I
OH
OH
0-
0-P=0
1
O
1
CH2
base
I
0
HC
CH
HC-CH
I
I
0
OH
0-P=0
+ H20
O
I
CH2
base
-
0
HC
CH
/
HC-CH
I
1
OH OH
12

Cadenas Lineales de Nucleótidos

Enlaces entre nucleótidos:
· Formación de cadenas lineales con dos
extremos:
· Extremo 5': grupo fosfato libre
· Extremo 3': grupo -OH
· En función del número de nucleótidos:
Extremo 5'
5 primo hace referencia al carbono 5
de fosfato y para añadir a nucleotidos
debemos unir al 3 priema
1
5
O=P-O-CH20
Base
3º
H
0-
I
5'
O=P-O-CH2 0
Base
4 nucleotidos es un
tetranucleotido
3'
T
I
5'
O=P-O-CH20
Base
3'
o-
H
1
5'
O=P-O-CH20
Base
O-
3'T
Ħ
OH
Extremo 3'
(mono)nulceótido < dinucleótido < trinucleótido < Oligonucleótido < Polinucleótido
Alto peso molecular
ADN/ARN
Esqueleto de los AN
0-
el esqueleto seria e
grupo fosfato y las
pentosas
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ADN

Ácido desoxirribonucleico (ADN):
· Almacena la información genética y
controla
su
transmisión
a
la
descendencia.
· Unión de desoxirribonuclei
mediante enlaces fosfodiéster en
sentido 5'->3'.
- Pentosa: desoxirribosa.
- Bases nitrogenadas: G, C, A, T.
- Molécula bicatenaria/monocatenaria
y lineal/circular.
Deoxyribose
(sugar)
Generally
Double-stranded*
Adenine
O
Thymine
Cytosine
C
Guanine
14

Estructura Primaria del ADN

Distintos niveles de complejidad progresiva.
Estructura primaria:
Es la secuencia de desoxirribonucleico sola cadena
unidos entre sí por enlaces fosfodiéster.
Adenina
Guanina
Citosina
Timina
Citosina
Timina
IN
basse nitrogenada
HM
0
I -
0
I-
0
2
CH2
-I
SH
H.
I-YI
I
0
0
I
I
I
CH
I
H
T
0
O
a
a
a
a
P
0
P
0
0
Adenina
Guanina
O
IN
HN
0
CH
H.
HI
-I
I
I
I
H
I
I- - I
0
0
0
0
C
0
I
CH
CH
I
I
I
I
I
H
I
I
-I
esqueleto
0
5'-ACGTACGT-3'
15

Estructura Secundaria del ADN: Doble Hélice

Estructura secundaria:
Es la disposición espacial de la molécula de ADN.
Modelo de la doble hélice
No. 4356
April 25, 1953
NATURE
737
J. D. Watson and F. H. C. Crick
MOLECULAR STRUCTURE OF
NUCLEIC ACIDS
A Structure for Deoxyribose Nucleic Acid
WE wish to suggest a structure for the salt
of deoxyribose nucleic acid (D.N.A.). This
structure has novel features which are of considerable
biological interest.
A structure for nucleic acid has already been
proposed by Pauling and Corey1. They kindly made
their manuscript available to us in advance of
publication. Their model consists of three inter-
twined chains, with the phosphates near the fibre
axis, and the bases on the outside. In our opinion,
this structure is unsatisfactory for two reasons :
(1) We believe that the material which gives the
X-ray diagrams is the salt, not the free acid. Without
the acidic hydrogen atoms it is not clear what forces
is a residue on each chain every 3-4 A. in the z-direc-
tion. We have assumed an angle of 36° between
adjacent residues in the same chain, so that the
structure repeats after 10 residues on each chain, that
is, after 34 A. The distance of a phosphorus atom
from the fibre axis is 10 A. As the phosphates are on
the outside, cations have easy access to them.
The structure is an open one, and its water content
is rather high. At lower water contents wo would
expect the bases to tilt so that the structure could
become more compact,
The novel feature of the structure is the manner
in which the two chains are held together by the
purine and pyrimidine bases. The planes of the bases
are perpendicular to the fibre axis. They are joined
together in pairs, a single base from one chain being
hydrogen-bonded to a single base from the other
chain, so that the two lie side by side with identical
z-co-ordinates. One of the pair must be a purine and
the other a pyrimidine for bonding to occur. The
hydrogen bonds are made as follows : purine position
1 to pyrimidine position 1; purine position 6 to
pyrimidine position 6.
If it is assumed that the bases only occur in the
structure in the most plausible tautomeric forma
(that is, with the keto rather than the enol con-
figurations) it is found that only specific pairs of
bases can bond together. These pairs are : adenine
(purine) with thymine (pyrimidine), and guanine
(purine) with cytosine (pyrimidline).
In other words, if an adenine forms one member of
DNA : Franklin, Crick & Watson
1953
Rosalind Franklin
16

Modelo de la Doble Hélice del ADN

Estructura secundaria:
Modelo de la doble hélice
· ADN está formado por dos cadenas
(bicatenario) de polinucleótidos enrolladas
alrededor de un eje imaginario formando
una doble hélice de 2 nm de diámetro.
· El enrollamiento es dextrógiro (hacia la
derecha) y plectonémico (dos cadenas no
pueden separarse sin desenrollarse).
· Cada giro ocupa 10 nucleótidos (3,4 nm).
· Las dos cadenas de polinucleótidos son
antiparalelas, es decir, sus enlaces
fosfodiester 5', 3' tienen sentido opuesto.
5'
3'
G
C
T CA
A
T
C
G
Bases
nitrogenadas
A
en ese espacio caben
10 nucleotidos
A
GI
C
TA
C
G
A
T
C
G
C
G
3'
5'
5'
3'
A
C
-
Esqueleto
G
C
3.4nm
A
T
G
C
T
Surco
mayor
C
T
__ 0.34nm!
C
Surco
menor
3'
2nm
5'
17