Material genético y ácidos nucleicos: historia, estructura y funciones

Material genético y ácidos nucleicos

Historia del descubrimiento del material genético

Actualmente se sabe que el material genético de las células está constituido por ácidos nucleicos, pero esto no siempre fue así.

Mouse dies

• 1870 FRIEDRICH MIESCHER Ácidos nucleicos fueron aislados por primera vez.

• 1928 FRIEDRICH GRIFFITH Experimentos con dos cepas de bacterias, R (inofensiva para ratones) y S (letal para ratones)

• 1944 OSWALD AVERY Repitió el trabajo de Griffith agregando ADNasa pancreática. Demostró que el factor de transformación era el ADN

• 1952 HERSHEY Y CHASE Realizaron un experimento con el fin de determinar si eran el ADN o las proteínas la base del material genético.

• 1949 ERWIN CHARGAFF Mediante cromatografía en papel, analizó la composición de nucleótidos del ADN y descubrió que las proporciones relativas de las bn no eran al azar

• 1950-1953 FRANKLIN Y WILKINS Mediante difracción de rayos X determinaron que el diámetro del ADN es de 20 A, que se repetían ciertas unidades cada 3,4 A, y que había otra repetición mayor cada 34 A.

• 1953 WATSON Y CRICK Elaboraron el modelo de doble hélice del ADN: formado por 2 cadenas complementarias y anti-paralelas, unidas a través de puentes de hidrogeno entre las bases nitrogenadas.

Experimento de Griffith (1928)

1928: Friedrich Griffith utilizó dos cepas de Bacterias Streptococcus pneumoniae

• Cepa S: cuyas colonias eran de superficie lisa y producían la muerte de ratones.
• Cepa R: no encapsulada (rough), cuyas colonias tienen una superficie rugosa y que no mataban a los ratones.

Se observó que:

• La cepa S producía infección letal en los ratones.
• Las cepas R no producían infección letal en los ratones.
• Las cepas S muertas por calor eran inofensivas, excepto cuando se las mezclaba con cepa R vivas.

Este experimento permite inferir que algún factor de la cepa S muerta pasa a las cepas R vivas y las transforma en cepas infecciosas letales, pero Griffith no supo cuál era ese factor.

cepa rugosa (no virulenta) cepa lisa (virulenta) cepa lisa muerta por calor cepa rugosa y cepa lisa muerta por calor H ratón vive ratón muere ratón vive ratón muere

Experimento de Avery (1944)

1944: antes de estos experimentos, se creía que el material hereditario de las células eran las proteínas y no el ADN, debido a la mayor diversidad en su estructura conformada por 20 aa, a diferencia del ADN que solo tiene 4 bn. El experimento se basó en calentar las células S (virulentas), a las que se le agregaban en 3 tubos diferentes: ADNasa, ARNasa y Proteasa, por último, se las mezclaba con las células R (no virulentas). Estas 3 mezclas 1Maia A. Lisa - Biología celular y molecular 2022 distintas, se inyectaban en ratones y lo que se observo fue que, aquellos que recibieron la mezcla con ADNasa no morían, por eso, se concluyó que el material genético era el ADN y no una proteína.

EXPERIMENT RNase (destroys RNA) Protease (destroys proteins) DNase (destroys DNA) HYPOTHESIS: The chemical nature of the transforming substance from pneumococcus is DNA. METHOD 1 Heat-kill virulent S strain bacteria, homogenize, and filter. R strain (nonvirulent) - RESULTS S strain (virulent) filtrate Virulent S strain and R strain bacteria R strain bacteria only Cultures treated with RNase or protease contain transformed S strain bacteria ... 5 ... but the culture treated with DNase does not. 2 Treat samples with enzymes that destroy RNA, proteins, or DNA. CONCLUSION: Because only DNase destroyed the transforming substance, the transforming substance is DNA. RNase (destroys RNA) Protease (destroys proteins) DNase (destroys DNA) 3 Add the treated samples to cultures of R strain bacteria. -> S strain (killed)

Experimento de Hershey y Chase (1952)

1952: el experimento se basó en marcar el ADN de los Fagos con Fosforo 32 (P32) y dejar que estos infectaran bacterias de E. coli y observaron que el fosforo era visible en las células bacterianas. Por otro lado, marcaron los Fagos con Azufre 35 (S35) ya que los aminoácidos como cisteína y metionina contienen azufre y dejaron que los fagos infectaran bacterias de E.coli.

Experiment 1: Testing Proteins Experiment 2: Testing DNA El resultado obtenido fue que el azufre quedaba en el fago y no en las células bacterianas, lo que confirmó que el material genético era lo que infecta a las bacterias, y no las proteínas (como se pensaba en esa época).

Protein coats radiolabelled Bacteria infected No radioactivity enters cells Phage DNA radiolabelled Bacteria infected Radioactivity enters cells Phage grown with radioactive sulfur (35S) Centrifuge Radioactivity in supernatant Phage grown with radioactive phosphorus (32P) Centrifuge Radioactivity in pellet Conclusion: Proteins are not genetic material Conclusion: DNA is the genetic material 2

Reglas de Chargaff (1949)

1949: gracias a la información obtenida por Chargaff en sus experimentos, se establecieron las Reglas de Chargaff para cualquier molécula de ADN (estructura doble hélice, bicatenaria, complementaria y anti-paralela):

• [A] = [T] y [C] = [G]
• (A+G)/(T+C)=1
• A +G=C+T > la suma de purinas es igual a la suma de pirimidinas (independientemente del origen del ADN, siempre se cumplen estas reglas)

Con esto, surge la idea de complementariedad de bases y se aclara el problema de la duplicación del ADN

Ácidos nucleicos

En las células se encuentran dos tipos de ácidos nucleicos:

• el ácido desoxirribonucleico (ADN).
• el ácido ribonucleico (ARN)

El ADN forma genes, el material hereditario de las células, y contiene instrucciones para la producción de todas las proteínas que el organismo necesita. El ARN está asociado a la transmisión de la información genética. Hay muchos tipos de ARN, los tres más importantes:

• ARN mensajero (ARNm),
• ARN de transferencia (ARNt)
• ARN ribosómico (ARNr),

Los ácidos nucleicos están formados por una unidad monomérica denominada nucleótido.

Estructura de los nucleótidos

Nucleótidos: están conformados por una base nitrogenada unida al C 1' de una pentosa mediante un enlace N- glicosídico, que a su vez posee un grupo fosfato unido mediante un enlace éster al C 5'.

• Bases nitrogenadas:

  NH2 N N Purina NH N Adenina O N NH NH N NH2 Guanina O NH2 O H3C. NH N NH 1 NH O NH O NH O Timina Citosina Uracil

• Pentosas:

  5' CH2 OH O OH - 4' C C 1 2-deoxyribose 1 H H I 3º C -C 2' OH -I No hydroxyl 5' CH OH O OH 4' G C 1 Ribose 1 H H 1 3' C. .C 2 ÒH OH 3 1 3 Pirimidina 2

La unión entre una pentosa (ribosa o 2'-desoxirribosa) y una base nitrogenada, por un enlace N-glicosídico, forma un nucleósido.

H-O NH2 N N 5'CH2 O N N H 3 HO OH Nucleósido

Nucleósido + Fosfato = Nucleótido

0 NH2 0-P-0 N 0 N 5'CH2 0 -N N H 1' 3' HO OH Nucleótido

Al formarse el nucleótido, se genera un enlace éster con la pérdida de una molécula de agua:

NH2 NH2 .N N N adenina -N N O H N HO-P. OH HO HO-P. -O-CH2 .O - OH OH desoxirribosa fosfato enlace OH OH ester El C1' se fija al N9 de las purinas (A, G) o al Nı de las pirimidinas (C, T, U). 4 N O enlace N-glucosídico N OH O

Grupos fosfato en nucleótidos

Los nucleótidos pueden presentar más de un grupo fosfato, y en estos casos, se identifican de la siguiente manera:

Y B 8 (Purine)-5'-triphosphate e 0 CH2 O OH OH

Funciones de los nucleótidos libres

Además de formar parte de los ácidos nucleicos, los nucleótidos también pueden estar libres en las células, cumpliendo diversas funciones como:

• Reguladores metabólicos
• Activadores de enzimas
• Coenzimas

NH2 NH2 NH2 N N N O-P-O-P-O-P-O-CH2 N O N -O -C ADP ATP . OH OH OH OH

Nomenclatura de nucleósidos y nucleótidos

Nucleósidos Nucleótidos Abreviatura nucleótidos Bases

• Ribonucleósidos
• Ribonucleótidos
• Ribonucleótidos
• Desoxirribonucleicos
• Desoxirribonucleicos
• Desoxirribonucleicos
• Adenosina
• Adenosin-monofosfato o ácido adenílico Adenina
• Desoxiadenosina
• Desoxiadenosin-monofosfato o ácido desoxiadenílico dAMP
• Guanosina
• Guanosin-monofosfato GMP Guanina
• Desoxiguanosina
• Desoxiguanosin-monofosfato o ácido desoxiguanílico dGMP
• Citidina
• Citidin-monofosfato CMP Citosina
• Desoxicitidina
• Desoxicitidin-monofosfato o ácido desoxicitidílico dCMP Timina
• Desoxitimidina
• Desoxitimidin-monofosfato o ácido desoxitimidílico dTMP
• Uridina
• Uridin-monofosfato o ácido uridílico UMP Uracilo

O=0-0 O=0-0 O=0-0 "O-P-O-CH2 N. O AMP O=0 O=0 O-P-O-P-O-CH2 N O N O=0-0 O N N N OH OH AMP o ácido guanílico o ácido citidílico Generalmente la letra g de Guanina se escribe en minúscula, para que no haya lugar a error con la C mayúscula de la Citosina. 5

Polimerización de nucleótidos

Para formar los ácidos nucleicos, los nucleótidos sufren una reacción de polimerización, donde se forma un nuevo enlace covalente (denominado enlace fosfodiester) entre el C 3' de la ribosa/desoxirribosa y la molécula de fosfato del siguiente nucleótido que a su vez está unido al C 5' de la pentosa.

Trifosfatos de nucleótidos inician la biosíntesis de ácidos nucleicos. La reacción es catalizada por ADN y ARN polimerasas. Los nucleótidos se enlazan como resultado del ataque nucleofílico de un grupo 3'-OH de un trifosfato de nucleótido a un fósforo a de otro trifosfato de nucleótido, con lo cual se rompe un enlace fosfoanhídrido y se elimina pirofosfato. Es una reacción excergónica.

Durante la polimerización, el polímero creciente se sintetiza en la dirección 5'-3' (los nuevos nucleótidos se anexan al extremo 3').

Después el pirofosfato eliminado se hidroliza, lo cual vuelve a la reacción irreversible.

base extremo 5' O 5' 1 Nucleotide bases CH un enlace fosfoester O base 5' CH, CH :OH O base 0 P O O el grupo 3'-OH ataca al fósforo @ del siguiente nucleótido para ser incorporado en la cadena CH 3' :ÒH base Sugar-phosphate backbone 0 ÒH extremo 3' La secuencia de bases que se genera en la polimerización de nucleótidos para formar el ADN, es específica para cada organismo y contiene la información genética que ese define a organismo.

El enlace fosfodiester entre los nucleótidos que forman los ácidos nucleicos es un enlace covalente muy fuerte, y para romperlo se requiere de la acción de enzimas específicas (ADNasas).

Dogma central de la biología

Dogma central de la biología: la información contenida en el ADN primero se transcribe (se copia selectivamente a moléculas de ARN) y, posteriormente, la información de algunas de estas moléculas se traduce a proteínas.

Replicación Transcripción Traducción ARN PROTEÍNA ACTIVIDAD reservorio de inf. genética que se transmite entre las células 6 O ‘3' un enlace fosfoester O=P-O-