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W2017_Lecture_18_reading - Biología

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ÁCIDOS NUCLEICOS

Los ácidos nucleicos son moléculas formadas por nucleótidos que llevan el modelo genético de una célula. Las interacciones conocidas como interacciones de "apilamiento de bases" también ayudan a estabilizar la doble hélice. microARN regula el uso de ARNm para la síntesis de proteínas.

Estructura de nucleótidos

Los dos tipos principales de ácidos nucleicos son ácido desoxirribonucleico (ADN) y ácido ribonucleico (ARN). La principal diferencia común entre estos dos tipos de ácidos nucleicos es la presencia o ausencia de un grupo hidroxilo en la C2 posición, también llamada posición 2 ', de la ribosa. El ADN carece de ribosa y contiene un átomo de hidrógeno en esa posición, de ahí el nombre, ácido ribonucleico "desoxi", mientras que el ARN tiene un grupo funcional hidroxilo en esa posición.

El ADN y el ARN están compuestos por monómeros conocidos como nucleótidos. Los nucleótidos individuales se condensan entre sí para formar un ácido nucleico polímero. Cada nucleótido está formado por tres componentes: una base nitrogenada (para la cual hay cinco tipos diferentes), un azúcar pentosa (cinco carbonos) y un grupo fosfato. Estos se muestran a continuación.

Un nucleótido se compone de tres componentes: una base nitrogenada, un azúcar pentosa y uno o más grupos fosfato. Los residuos de carbono en la pentosa se numeran del 1 ′ al 5 ′ (la prima distingue estos residuos de los de la base, que están numerados sin utilizar una notación prima). La base está unida a la posición 1 'de la ribosa y el fosfato está unido a la posición 5'. Cuando se forma un polinucleótido, el fosfato 5 'del nucleótido entrante se une al grupo hidroxilo 3' al final de la cadena en crecimiento. En los nucleótidos se encuentran dos tipos de pentosa, la desoxirribosa (que se encuentra en el ADN) y la ribosa (que se encuentra en el ARN). La desoxirribosa es similar en estructura a la ribosa, pero tiene una H en lugar de una OH en la posición 2 '. Las bases se pueden dividir en dos categorías: purinas y pirimidinas. Las purinas tienen una estructura de doble anillo y las pirimidinas tienen un solo anillo. Atribución: Marc T. Facciotti (obra original)

La base nitrogenada

Las bases nitrogenadas de los nucleótidos son moléculas orgánicas y se denominan así porque contienen carbono y nitrógeno. Son bases porque contienen un grupo amino que tiene el potencial de unirse a un hidrógeno adicional y, por lo tanto, actuar como base al disminuir la concentración de iones de hidrógeno en el entorno local. Cada nucleótido del ADN contiene una de las cuatro posibles bases nitrogenadas: adenina (A), guanina (G) citosina (C) y timina (T). El ARN contiene adenina (A), guanina (G) citosina (C) y uracilo (U) en lugar de timina (T).

La adenina y la guanina se clasifican como purinas. La principal característica distintiva de la estructura de una purina es el anillo doble carbono-nitrógeno. La citosina, timina y uracilo se clasifican como pirimidinas. Estos se distinguen estructuralmente por un solo anillo de carbono-nitrógeno. Se esperará que reconozca que cada una de estas estructuras de anillo está decorada por grupos funcionales que pueden estar involucrados en una variedad de químicas e interacciones.

Nota: práctica

Tómese un momento para revisar la figura anterior de la base nitrogenada: Identifique los grupos funcionales como se describe en la clase. Para cada grupo funcional identificado, describa en qué tipo de química espera que participe. Si hay enlaces de hidrógeno, ¿el grupo funcional actúa como donante o aceptor?

El azúcar pentosa

El azúcar pentosa contiene 5 átomos de carbono. Cada átomo de carbono de la molécula de azúcar se numera como 1 ′, 2 ′, 3 ′, 4 ′ y 5 ′ (1 ′ se lee como "un primo"). Los dos grupos funcionales principales que están unidos al azúcar a menudo se refinan en referencia al número de carbono al que están unidos. Por ejemplo, el residuo de fosfato está unido al carbono 5 'del azúcar y el grupo hidroxilo está unido al carbono 3' del azúcar. A menudo usaremos el número de carbono para referirnos a grupos funcionales en nucleótidos, así que familiarícese con la estructura del azúcar pentosa.

El azúcar pentosa en el ADN se llama desoxirribosa y en el ARN, el azúcar es la ribosa. La diferencia entre los azúcares es la presencia del grupo hidroxilo en el carbono 2 'de la ribosa y su ausencia en el carbono 2' de la desoxirribosa. Por lo tanto, puede determinar si está mirando un nucleótido de ADN o ARN por la presencia o ausencia del grupo hidroxilo en el átomo de carbono 2 '; es probable que se le solicite que lo haga en numerosas ocasiones (incluidos los exámenes).

El grupo de los fosfatos

Puede haber entre 1 y 3 grupos fosfato unidos al carbono 5 'del azúcar. Cuando un fosfato se une, el nucleótido se denomina norteucleótido METROonoPAGhosfato (NMP). Si se unen 2 fosfatos, el nucleótido se denomina norteucleótido DIPAGhosfato (NDP). Cuando se unen 3 fosfatos al nucleótido, se denomina norteucleótido TRhode IslandPAGhosfato (NTP). Los enlaces fosfoanhídrido que unen los grupos fosfato entre sí tienen propiedades químicas específicas que los hacen buenos para diversas funciones biológicas. La hidrólisis de los enlaces entre los grupos fosfato es termodinámicamente exergónica en condiciones biológicas y la naturaleza ha desarrollado numerosos mecanismos para acoplar este cambio negativo en la energía libre para ayudar a impulsar muchas reacciones en la célula. La siguiente figura muestra un ejemplo de la hidrólisis del nucleótido trifosfato ATP.

Bonos de "alta energía"

El término "enlace de alta energía" se usa MUCHO en biología. Sin embargo, es uno de esos atajos a los que nos referimos anteriormente. ¡El término se refiere a la cantidad de energía libre negativa asociada con la HIDROLISIS de ese enlace! El agua es importante. Si bien hemos tratado de minimizar el uso de la "alta energía" vernácula al referirnos a los vínculos, tenga en cuenta lo anterior cuando esté leyendo o escuchando discusiones sobre biología.

El ATP (trifosfato de adenosina) tiene tres grupos fosfato que pueden eliminarse mediante hidrólisis para formar ADP (difosfato de adenosina) o AMP (monofosfato de adenosina) .Las cargas negativas en el grupo fosfato se repelen naturalmente entre sí, lo que requiere energía para unirlas y liberar energía. cuando estos lazos se rompen.
Atribución: Marc T. Facciotti (obra original)

Estructura de doble hélice del ADN

El ADN tiene una estructura de doble hélice (que se muestra a continuación). El azúcar y el fosfato se encuentran en el exterior de la hélice y forman la columna vertebral del ADN. Las bases nitrogenadas se apilan en el interior, como los peldaños de una escalera, en pares; los pares están unidos entre sí por enlaces de hidrógeno. Cada par de bases de la doble hélice está separado del siguiente par de bases por 0,34 nm. Las dos hebras de la hélice corren en direcciones opuestas, lo que significa que el extremo de carbono 5 ′ de una hebra se enfrentará al extremo de carbono 3 ′ de su hebra correspondiente. Esto se conoce como orientación antiparalela.

El ADN nativo es una doble hélice antiparalela. La columna vertebral de fosfato (indicada por las líneas curvas) está en el exterior y las bases en el interior. Cada base de una hebra interactúa mediante enlaces de hidrógeno con una base de la hebra opuesta.
Atribución: Marc T. Facciotti (obra original)

En una doble hélice, ciertas combinaciones de apareamiento de bases son químicamente más favorecidas que otras en función de los tipos y ubicaciones de los grupos funcionales en las bases nitrogenadas de cada nucleótido. En biología encontramos que la adenina (A) es químicamente complementaria con la timidina (T) y la guanina (G) es químicamente complementaria con la citosina (C), como se muestra a continuación. A menudo nos referimos a este patrón como "complementariedad de bases" y decimos que las hebras antiparalelas son complementarias entre sí. Por ejemplo, si la secuencia de una hebra es de ADN es 5'-AATTGGCC-3 ', la hebra complementaria tendría la secuencia 5'-GGCCAATT-3'.

En una molécula de ADN de doble hebra, las dos hebras corren antiparalelas entre sí, de modo que una hebra va de 5 ′ a 3 ′ y la otra de 3 ′ a 5 ′. La columna vertebral de fosfato se encuentra en el exterior y las bases en el medio. La adenina forma enlaces de hidrógeno (o pares de bases) con timina y pares de bases de guanina con citosina.
Creado por Ivy Jose

Funciones y roles de los ácidos nucleicos y nucleótidos.

Los ácidos nucleicos desempeñan una variedad de funciones en el proceso celular, además de ser la molécula de almacenamiento de información. Se cree que los ácidos nucleicos, el ARN en particular, son las primeras moléculas biológicamente activas durante un período conocido como el "mundo del ARN" cuando se pensaba que el ARN catalítico cumplía una función dual como catalizadores y moléculas de almacenamiento de información. Los restos del mundo del ARN se pueden ver en muchos riboproteína complejos esenciales para la vida. En estos complejos de ARN-proteína, el ARN cumple funciones tanto catalíticas como estructurales. Los ejemplos incluyen de tales complejos incluyen, ribosomas, RNasas, complejos de splicesosoma y telomerasa. Los nucleótidos como ATP y GTP también sirven como unidades móviles de transporte de energía a corto plazo para la célula. Los nucleótidos también juegan un papel importante como cofactores (además de vehículos de energía) para muchas reacciones enzimáticas. Al igual que los lípidos, las proteínas y los carbohidratos, los ácidos nucleicos y los nucleótidos desempeñan una amplia variedad de funciones en la célula.

Genomas como planos de organismos

Un genoma, que no debe confundirse con un gnomo, es la colección completa de información heredable de un organismo almacenada en el ADN. - Esto significa que: las diferencias en el contenido de la información ayudan a explicar la diversidad de la vida que vemos a nuestro alrededor; - que los cambios en la información codificada en el genoma son los principales impulsores de la diversidad fenotípica que vemos (y algunos no podemos) a nuestro alrededor que son filtrados por selección natural - por lo tanto los impulsores de la evolución Conduce a preguntas: - si cada célula en un organismo multicelular contiene la misma secuencia de ADN, ¿cómo puede haber diferentes tipos de células (por ejemplo, cómo puede una célula del hígado ser tan diferente de una célula del cerebro si ambas llevan el mismo ADN)? - ¿Cómo leemos la información?

Determinando una secuencia del genoma

La información codificada en los genomas proporciona datos importantes para comprender la vida, sus funciones, su diversidad y su evolución. Por lo tanto, es lógico pensar que un lugar razonable para comenzar los estudios de biología sería leer el contenido de la información codificada en el genoma o genomas en cuestión. Un buen punto de partida es determinar la secuencia de nucleótidos (A, G, C, T) y su organización en una o más unidades de ADN que se replican independientemente (por ejemplo, piense en cromosomas y / o plásmidos). Durante más de 30 años después del descubrimiento de que el ADN era el material hereditario, esta fue una propuesta desalentadora. Sin embargo, a fines de la década de 1980, se inició la aparición de herramientas semiautomatizadas para la secuenciación del ADN y esto inició una revolución que ha cambiado drásticamente la forma en que enfocamos el estudio de la vida. Veinte años después, a mediados de la década de 2000, entramos en un período de progreso tecnológico acelerado en el que los avances en las ciencias de los materiales (particularmente los avances en nuestra capacidad para hacer cosas a muy pequeña escala), óptica, ingeniería eléctrica e informática, bioingeniería y ciencias de la computación. todos han convergido para traernos incrementos dramáticos en nuestra capacidad para secuenciar el ADN y, en consecuencia, disminuciones dramáticas en el costo de secuenciar numerosos avances en nuestra capacidad para secuenciar el ADN. Un ejemplo famoso para ilustrar este punto es comparar los cambios en el costo de secuenciar el genoma humano. El primer borrador del genoma humano tardó casi 15 años y $ 3 mil millones de dólares en completarse. Hoy en día, se pueden secuenciar decenas de genomas humanos en un solo día en un solo instrumento a un costo de menos de $ 1000 cada uno (el costo y el tiempo continúan disminuyendo). Hoy en día, empresas como Illumina, Pacific Biosciences, Oxford Nanopore y otras ofrecen tecnologías competidoras que reducen los costos y aumentan el volumen, la calidad, la velocidad y la portabilidad de la secuenciación del ADN.

Uno de los elementos más emocionantes de la revolución de la secuenciación del ADN es que ha requerido, y continúa requiriendo, contribuciones de biólogos, químicos, científicos de materiales, ingenieros eléctricos, ingenieros mecánicos, informáticos y programadores, matemáticos y estadísticos, desarrolladores de productos y muchos más. otros expertos técnicos. Las posibles aplicaciones e implicaciones de desbloquear las barreras para la secuenciación del ADN también han involucrado a inversores, empresarios, desarrolladores de productos, emprendedores, especialistas en ética, formuladores de políticas y muchos otros en la búsqueda de nuevas oportunidades y en la necesidad de pensar en la mejor y más responsable utilice esta tecnología en crecimiento.

Los avances tecnológicos en la secuenciación del genoma han dado como resultado una avalancha virtual de secuencias genómicas completas que se determinan y se depositan en bases de datos disponibles públicamente. Puede encontrar muchos de ellos en el Centro Nacional de Información Biotecnológica. El número de genomas completamente secuenciados disponibles asciende a decenas de miles: más de 2000 genomas eucariotas, más de 600 genomas de arqueas y casi 12000 genomas bacterianos. Hay decenas de miles de proyectos más de secuenciación del genoma en curso. Con tantas secuencias de genomas disponibles, o que pronto estarán disponibles, podemos comenzar a hacer muchas preguntas sobre lo que vemos en estos genomas. ¿Qué patrones son comunes a todos los genomas? ¿Cuántos genes están codificados en los genomas? ¿Cómo están organizados estos? ¿Cuántos tipos diferentes de funciones podemos encontrar? ¿Qué hacen las características que encontramos? ¿Qué tan diferentes son los genomas entre sí? ¿Existe evidencia que nos pueda decir cómo evolucionan los genomas? Examinemos brevemente algunas de estas preguntas.

Diversidad de genomas

Diversidad de tamaños, cantidad de genes y cromosomas.

Comencemos examinando el rango de tamaños del genoma. En la siguiente tabla, vemos una muestra de genomas de la base de datos. Podemos ver que los genomas del organismo de vida libre varían enormemente en tamaño. El genoma más pequeño conocido está codificado en 580.000 pares de bases, mientras que el más grande es de 150 mil millones de pares de bases; como referencia, recuerde que el genoma humano tiene 3,2 mil millones de pares de bases. Esa es una amplia gama de tamaños. También existen disparidades similares en el número de genes.

Una muestra de tamaños de genomas, cantidad de genes y copias de cromosomas. 2n = número diploide
Atribución: Marc T. Facciotti (trabajo propio - reproducido de http://book.bionumbers.org/how-big-are-genomes/)

El examen de la tabla también revela que algunos organismos llevan consigo más de un cromosoma. Algunos genomas también son poliploide, lo que significa que mantienen múltiples copias de similares pero no idénticas (las llamadas homólogo) copias de cada cromosoma. Un organismo diploide lleva en su genoma 2 copias homólogas (generalmente una de mamá y otra de papá) de cada cromosoma. Los humanos somos diploides. Nuestras células somáticas portan 2 copias homólogas de 23 cromosomas. Recibimos 23 copias de cromosomas individuales de nuestra madre y 23 copias de nuestro padre, para un total de 46. Algunas plantas tienen mayor ploidía. Por ejemplo, una planta con cuatro copias homólogas de cada cromosoma se denomina tetraploide. Un organismo con una sola copia de cada cromosoma se denomina haploide.

Estructura de los genomas

La tabla también proporciona pistas sobre otros puntos de interés. Por ejemplo, si comparamos el genoma del pez globo con el del chimpancé, notamos que codifican aproximadamente la misma cantidad de genes (19.000), pero lo hacen en genomas de tamaños dramáticamente diferentes: 400 millones de pares de bases frente a 3.300 millones de pares de bases, respectivamente. Eso implica que el genoma del pez globo debe tener mucho menos espacio entre sus genes de lo que cabría esperar que se encontrara en el genoma del chimpancé. De hecho, este es el caso y la diferencia en la densidad de genes no es exclusiva de estos dos genomas. Si miramos la figura inmediatamente debajo que intenta representar una parte de 50 kb del genoma humano, notamos que, además de las regiones codificantes de proteínas (indicadas en rojo y rosa), se pueden leer muchas otras de las llamadas "características" del genoma. Muchos de estos elementos contienen secuencias muy repetitivas.

Segmento de 50 kb del locus del receptor de células T β humanas en el cromosoma 7. Esta figura muestra una pequeña región del genoma humano y los tipos de "características" que se pueden leer y decodificar en el genoma, incluidas las proteínas, pero también además de ellas. secuencias de codificación. El rojo y el rosa corresponden a regiones que codifican proteínas. Otros colores representan diferentes tipos de elementos genómicos. Facciotti (trabajo propio - reproducido de www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK21134/)

Si ahora miramos qué fracción de todo el genoma humano constituye cada uno de estos tipos de elementos, vea la siguiente figura, vemos que los genes codificadores de proteínas solo constituyen 48 millones de los 3,2 mil millones de bases del genoma haploide.

Un gráfico que muestra cómo se distribuyen los muchos pares de bases de ADN del genoma haploide humano entre varias características identificables. Tenga en cuenta que solo una pequeña fracción del genoma está asociada directamente con las regiones codificantes de proteínas. Facciotti (trabajo propio, reproducido de fuentes indicadas en la figura)

Cuando examinamos la frecuencia de las regiones repetidas frente a las regiones codificantes de proteínas en diferentes especies, observamos grandes diferencias en las regiones codificantes de proteínas frente a las no codificantes.

Segmentos de 50 kb de diferentes genomas que ilustran la frecuencia altamente variable de repetición frente a elementos codificantes de proteínas en diferentes especies.
Atribución: Marc T. Facciotti (trabajo propio - reproducido de www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK21134/)

Discusión sugerida

Proponga una hipótesis de por qué cree que algunos genomas pueden tener más o menos secuencias no codificantes.

Dinámica de la estructura del genoma

Los genomas cambian con el tiempo y numerosos tipos diferentes de eventos pueden cambiar su secuencia.

  1. Mutaciones: acumuladas durante la replicación del ADN o por exposición ambiental a mutágenos químicos o radiación. Estos cambios ocurren típicamente a nivel de nucleótidos individuales.
  2. Reordenamientos del genoma - esto describe una clase de cambios a gran escala que pueden ocurrir e incluyen: (a) deleciones - donde se pierden segmentos del cromosoma, (b) duplicación - donde regiones del cromosoma se duplican inadvertidamente, (c) inserciones - la inserción de material genético (a veces esto se adquiere de virus o del medio ambiente) - los pares de deleción / inserción pueden ocurrir a través de los cromosomas, (d) inversiones - donde las regiones del genoma se invierten dentro del mismo cromosoma y (e) translocaciones - donde los segmentos del cromosoma se traslocan o se mueven a otra parte del cromosoma.

Estos cambios ocurren a diferentes velocidades y algunos son facilitados por la actividad de la enzima de los catalizadores (por ejemplo, transposasas).

El estudio de los genomas

Genómica comparada

Una de las cosas más comunes que se pueden hacer con una colección de secuencias de genomas es comparar las secuencias de múltiples genomas entre sí. En términos generales, este tipo de actividades caen bajo el paraguas de un campo llamado genómica comparada.

La comparación de los genomas de las personas que padecen una enfermedad hereditaria con los de las personas que no la padecen puede ayudarnos a descubrir la base genética de la enfermedad. Comparar el contenido genético, el orden y la secuencia de microbios relacionados puede ayudarnos a encontrar la base genética por la que algunos microbios causan enfermedades, mientras que sus primos cercanos son prácticamente inofensivos. Podemos comparar genomas para comprender cómo pudo haber evolucionado una nueva especie. ¡Hay muchos análisis posibles! La base de estos análisis es similar: busque diferencias entre múltiples genomas e intente asociar esas diferencias con diferentes rasgos o comportamientos en esos organismos.

Por último, algunas personas están comparando secuencias del genoma para intentar comprender la historia evolutiva de los organismos. Normalmente, estos tipos de comparaciones dan como resultado un gráfico conocido como árbol filogenético, que es un modelo gráfico de la relación evolutiva entre las diversas especies que se comparan. Este campo, como era de esperar, se llama filogenómica.

Metagenómica: ¿quién vive en algún lugar y qué están haciendo?

Además de estudiar los genomas de especies individuales, las tecnologías de secuenciación de ADN cada vez más poderosas están haciendo posible secuenciar simultáneamente los genomas de muestras ambientales que están habitadas por muchas especies diferentes. Este campo se llama metagenómica. Por lo general, estos estudios se centran en tratar de comprender qué especies microbianas habitan en diferentes entornos. Existe un gran interés en utilizar la secuenciación de ADN para estudiar las poblaciones de microbios en el intestino y observar cómo cambia la población en respuesta a diferentes dietas, para ver si existe alguna asociación entre la abundancia de diferentes microbios y diversas enfermedades, o para buscar la presencia de patógenos. Las personas están utilizando la secuenciación de ADN de muestras metagenómicas ambientales para explorar qué microbios habitan en diferentes entornos de la Tierra (desde las profundidades del mar, el suelo, el aire, los estanques hipersalinos, las heces de los gatos y algunas de las superficies comunes que tocamos todos los días. Si puedes pensar en ello, en estos días parece como si alguien hubiera tratado de secuenciar los microbios allí.

Además de descubrir "quién vive dónde", la secuenciación de poblaciones microbianas en diferentes entornos también puede revelar qué genes codificadores de proteínas están presentes en un entorno. Esto puede dar a los investigadores pistas sobre qué actividades metabólicas podrían estar ocurriendo en ese entorno. Además de proporcionar información importante sobre qué tipo de química podría estar ocurriendo en un entorno específico, el catálogo de genes que se acumula también puede servir como un recurso importante para el descubrimiento de nuevas enzimas para aplicaciones en biotecnología.