Biología Molecular 1.0

Biología Molecular 1.0

1. 1. Células y Genomas

   • Origen del universo y la vida
     • Creación de materia a partir de la nada: Planck, Maxwell, Einstein, Heisenberg
       • Big Bang y evolución
         • Gran Explosión (He, H)
           • Formación de elementos de la tabla periódica (Meyer, Newands y Mendeleev) en las estrellas. Las supernovas explotan -> nubes de polvo -> estrellas y planetas
             • Síntesis de moléculas orgánicas prebióticas (Oparin)
               • Experimentos de Urey y Miller. Energía de descargas=aminoácidos
               • Calor y radiaciones: Péptidos y A. Nucleicos
           • Meteoritos: Extinciones o Evolución
     • Ley de conservación de la energía
     • ¿Por qué existe?
       • Energía neta del universo=0
     • Radiotelescopios: solo hay vida en la Tierra
     • ¿Cómo?
       • Generación espontánea
     • Hipótesis del Mundo de ARN
     • Síntesis y crecimiento de membranas celulares: agitación, sonicación y temperatura
     • Evolución biológica: Wallace y Darwin
   • La Célula y la Vida
     • Importancia del C; el agua presenta las propiedades básicas para la vida (dipolo); Principios inmediatos (Glúcidos, lípidos, Proteínas y A. Nucléicos
     • Vida=Homeostasis
     • Unidad Básica de la vida
     • Seres Vivos
       • Autótrofos (Quimio/fotosintéticos) y Heterótrofos
       • Procariotas (Bacterias y arqueas); Eucariotas (Protistas, Plantas, Hongos, Animales y Organismos de Biología sintética)
       • Organismos unicelulares, pluricelulares y reproducción
         • Organismos unicelulares sufren más mutaciones y por tanto más evolución
         • Todos derivan de una célula (Reproducción sexual o asexual)
         • Algunos seres vivos forman colonias, división del trabajo, simbiosis o helotismo
     • Parásitos obligados
       • Virus: ADN/ARN de cadena doble o sencilla; lineal o circular
       • Virusoides y viroides
     • Teoría endosimbiótica
       • Bacterias que dan lugar a Mitocondrias y Cloroplastos
     • Membrana Plasmática: Protege y permite el intercambio de sustancias. Algunas células también tienen pared celular
     • Información Genética: ADN de cadena doble, circular o lineal. Mitocondrias y cloroplastos tienen ADNds
     • Entidades Biológicas: ARNss circular
     • Los Ácidos Nucleicos están superenrollados, se replican y transfieren la información genética
       • Leyes de la Herencia: Mendel
         • Herencia vertical u horizontal
       • Dogma Central de la Biología Molecular: Transferencia de la información genética: Transcripción (ADN-ARN) - Traducción (ARN-Proteínas). Excepción: Retrovirus (ARN-ADN mediante retrotranscriptasa; como el virus del SIDA)
   • Diversidad Genómica y Árbol de la vida
     • Los genomas pueden aumentar de tamaño incluyendo poliploidía
     • Duplicaciones
     • Genes conservados evolutivamente
     • Eucariotas tienen origen polifilético
     • Genes NOTCH2NL
       • Se encuentran en regiones cromosómicas asociadas a trastornos del neurodesarrollo, y que mediante sus duplicaciones aumentaron el córtex cerebral y nos hicieron humanos

2. Estudio de las biomoléculas y procesos de la vida

3. 2. Estructura del Material Genético

   • Base Molecular de la información Genética
     • -Mendel: Herencia (1865) -Miescher: Estudio de la tuberculosis; el núcleo se tiñe con colorantes (Ácidos Nucleicos)
     • Griffith (1928): Principio transformante: Los genes de neumococos vivos pasan a los muertos
       • El principio transformante es ADN. (Avery, McLeod y McCarthy)
         • Aceptación del ADN: Hershey y Chase
         • Las proteínas del virus son radiactivas, no el ADN
     • 1ª Ley de Chargaff
       • A=T G=C
         • A; G: Purinas
         • T; C: Pirimidinas
     • Watson y Crick: Estructura del ADN Franklin: cristalografía, flotodifracción de rayos X de fibras de ADN
       • Estructura Helicoidal Distancia entre bases: 0,34nm Distancia repetida cada 3,4nm
       • Doble Hélice: Premio Nobel (Watson, Crick y Wilkins) 1962
     • Ácidos Nucléicos
       • Nucleósido: Grupo fosfato+azúcar Nucleótido: Grupo fosfato+azúcar+base nitrogenada
       • Cadenas polinucleotídicas: sentido 5´ a 3´
   • Ácido desoxirribonucleico: ADNC
     • Gira a derechas (ADN-B): pero puede girar a izquierdas (ADN-Z)
     • Surcos mayor y menor: el represor del fago se une al surco mayor lo que produce cambios de conformación y energía libre
     • Nanobiotecnología
       • Transporte y liberación de medicamentos anticáncer y sistemas de edición genómica (CRISPR-Cas9)
   • Cromosomas
     • Virusoides: viroides defectivos que necesitan virus coadyuvantes (Parásitos celulares) Cromosomas: ARNss
     • Virus: ADNss o ADNds/ ARNss o ARNds circular/lineal (variabilidad)
     • Bacterias: Excepcionalmente, cromosomas y plásmidos de ADNds lineal
       • Asociado a proteínas y membrana plasmática
     • Eucariotas
       • Lineales ADNds asociados a histonas (nucleosomas) -Centrómeros: segregación de cromosomas en la división -Telómeros: protegen los extremos de los cromosomas y las telomerasas mantienen la longitud en la replicación
       • -Motor de condensina: Organizar y compactar la cromatina -Interactoma global de ARN-cromatina: regular la expresión génica
   • Propiedades del ADN
     • Físicas
       • -Curvatura, flexibilidad, elasticidad, estabilidad(más en ADN) transiciones mecánicas. -Aumenta la densidad al aumentar CG y viscosidad mayor en la doble cadena -Superenrrollamiento
     • Térmicas, Ópticas y eléctricas
       • -Tª de fusión y ebullición modeladas por la cantidad de AT vs CG -Absorbancia de radiación electromagnética, hipercromacidad e hipocromacidad -Electroforesis
     • Químicas
       • -material genético ácido -Síntesis natural y artificial
     • Biológicas
       • -ADN celular y usado en ingeniería genética -Replicación en vivo y en vitro -Transcripción y traducción -Recombinación Genética
     • Codificación de la información
       • -Uniones de Holliday y enlaces cruzados dobles -Ensambalajes tipo ceja y celosía -Andamiajes de papiroflexia
     • Topológica
   • Ácido Ribonucleico: ARN
     • Codificantes: ARNm (portan la información genética)
       • Procariotas: policistrónicos Eucariotas: mnocistrónicos
     • No codificantes
       • ARNt: unen cada aminoácido con su codón
       • ARNr: Forman parte de los ribosomas y regulan la traducción
       • ARNpn; ARNsn; ARNpno; ARNsno; microARN; ARNlargos; ARNcirculares
     • Nanobiotecnología
       • CRISPR-Cas9
     • Incremento de ARN y NOTCH2NL: evolución

4. 3. Replicación Cromosómica

   • Replicación del ADN
     • Es semiconservativa: Meselson y Stahl
     • Diferencias principales entre procariotas y eucariotas
       • Procariotas
         • Exonucleasas; Un origen de replicación; Fragmentos de Okazaki de 1000-2000 residuos; No proteínas con el ADN; Cromosomas circulares y pequeños
       • Eucariotas
         • Varios orígenes de replicación; Fragmentos de Okazaki de 100-200 residuos; Histonas asociadas con el ADN; Cromosomas lineales y grandes
         • Estructuras anidadas: Replicones; Isócoros (H y L); Bandas
     • Estrategias para copiar los telómeros
       • Horquillas y proteínas con residuo cebador equivalente al 3´-OH (Procariotas)
       • Telomerasa: Longevidad mediante transposición (Eucariotas)
       • Recombinación Homóloga (Conversión Génica)
       • Producción de Isómeros ópticos de fármacos y bacterias resistentes a virus (Quiral de enantiómeros)
   • Replicación y Ciclo celular
     • División Celular
       • Procariotas
         • Fisión Binaria
       • Eucariotas
         • Mitosis
         • Meiosis
     • Reproducción
       • Sexual
         • Meiosis
       • Asexual
         • Mitosis
         • Fisión Binaria
     • Ciclo celular
     • Meiosis
     • Coordinación
       • Licencia; Activación mediante fosforilaciones; CDK: quinasas dependientes de cidinas
       • Regulación de la replicación y chequeo de daños del ADN
     • Evolución
       • 66% de cánceres humanos son debidos a fallos en la replicación; teniendo como consecuencia la evolución

5. 4- Reparación del ADN

   • Mutación y Evolución
     • Vía selección: Resistencia bacteriana a antibióticos
     • Mayoría de mutaciones: Perjudicales
       • Mecanismos de reparación
         • Reparación de daños en una cadena
           • Autocorrección: Más fácil, porque tiene otra cadena (molde ADNdc); zigzag de la polimerasa
           • Reversión directa por fotoreactivación (energía de la luz visible)
           • Reversión directa por desmetilación de guaninas
           • Por escisión de base
           • Por escisión de nucleótidos (la cadena transcrita se repara antes)
           • Desmetilación: Proceso costoso energéticamente
           • Reparación de cadena no transcrita
             • La rotura no se transcribe; NT-SSBs facilita o inhibe la transcripción; cambios de conformación; superenrrollamiento positivo y negativo
         • Reparación de daños en ambas cadenas
           • Proceso energéticamente costoso, con gran dificultad; Proceso cooperativo con reacciones en cascada
           • Reparación de cromosomas homólogos
             • Procariotas
             • Eucariotas
             • Conservación de proteínas de recombinación homóloga en bacterias, arqueas y eucariotas
             • Unión de cromosomas rotos no homólogos
               • mutaciones
               • supervivencia
             • Unión de extremos microhomólogos pueden causar: deleciones o inserciones
         • Reparación de emergencia
           • Síntesis de ADN translesión=Replicación translesión
           • Mutasoma con polimerasas de ADN propensas a error
             • Mutagénesis
               • Supervivencia a base de riesgo de mutaciones
           • Proceso cooperativo con reacciones en cascada
           • Supervivencia SOS
             • En procariotas y eucariotas
             • La proteína cambia de conformación y función, rompe los represores del ADN y lo repara provocando mutaciones
           • Grabadores moleculares que usan las mutaciones para:
             • Grabar eventos biológicos
             • Aplicaciones informáticas
       • Los mutágenos dañan al ADN, que puede mutar por replicación o reparación errónea
   • Reparación del ADN y ciclo celular
     • Morgan
       • Sobrecruzamiento de cromosomas
     • Recombinación homóloga
     • Lesiones, puntos de control y quinasas (transductoras)
     • Respuesta doble cadena: cambios de transcripción, controles del ciclo celular y reparación del ADN
     • Luz UV y Tabaco
       • Melanina
         • -Se producen dímeros de timina -Especies activas de N2 y O2 excitan electrones de la melanina -Estados de tripletes cuánticos que inducen dímeros de timina, independiente a la raciación UV.
         • Protectora/Cancerígena
     • Inhibición de quinasas: Aumenta la actividad de CDK y el inicio de replicación dproduciendo roturas de ADN (cáncer)
     • Vida Saludable
       • Consumo de etanol: tóxico
         • Cirrosis
         • Acetaldehído
           • Mutaciones en células
             • Somáticas (cáncer)
             • Germinales (defectos congénitos)
         • Destruye el cerebro: Alzheimer
     • Supervivencia o muerte celular y del organismo depende de:
       • Continuar, retrasar o parar el ciclo celular en los puntos de control, para reparar el ADN dañado con posibilidad de mutagénesis o carcinogénesis
     • Genes relacionados con la reparación del ADN y con la longevidad, favorecida por las dietas hipocalóricas

6. 5. Transcripción

   • Dogma central de la Biología Molecular
   • Mayor complejidad en eucariotas que en procariotas
     • Expresión génica
       • Procariotas
         • 1 polimerasa de ARN
         • Policistrónicos
       • Eucariotas
         • Monocistrónicos
         • ARNm
           • Caperuza
           • Metilación
           • Cola Poli-A
   • Fases
     • Procariotas
       • (Si no se le pega el factor sigma, tiene energía libre y hay conformación)
       • Terminación: independiente/dependiente de ro
       • Algunos ARNm de bacterias tienen colas poli A
     • Eucariotas
       • Represores se unen a los silenciadores y reprimen la expresión génica
       • Genes interrumpidos por intrones: Descubierto de froma independiente
         • Robert
         • Sharp
       • El ARNm se puede metilar
       • Caperuza al extremo 5´ y la poliadenilación (que desencadena la terminación): Protegen al ARNm de las nucleasas e intervienen en la regulación de la traducción
       • Mecanismos de Ayustamiento
         • ARN como enzima: origen de la vida
         • Intrones requieren snRNP (Ribonucleoproteínas nucleares pequeñas
   • Degradación del ARN
     • Procariotas
       • Bacterias Gram negativas y Gram positivas; Poliadenilación
       • PNPasa (enzima que lo degrada): Degradosoma de eubacterias
       • Arqueas: Exosomas (como eucariotas e intrones)
       • CRISPR
         • Sistema que degrada ADN/ARN extraño
           • Cas: proteína asociada
             • Efectos colaterales
         • Ingeniería genética
           • Revolución Biotecnológica
     • Eucariotas
       • Procesos de interferencia de ARN pueden favorecer la desadenilación y degradan el ARN
       • Exosoma
       • Interferencia/Silenciamiento
         • ARNpi (pequeños de interferencia)
         • Micro ARN
         • ARNip (interacción piwi)

7. 6. Traducción

   • Código Genético
     • Traducción del lenguaje de ADN/ARN a proteínas
       • Severo Ochoa (1959)
     • Características
       • Degenerado (redundante) y con señales de parada
       • Universal
   • Procariotas y Eucariotas
     • Ribosomas
     • ARNm
       • Policistrónico en Procariotas
       • También metila en Eucariotas
   • Fosforilaciones: Activar/Energizar las moléculas
   • Hidrólisis del pirofosfato: Desplaza la reacción a la derecha
   • Proceso energéticamente costos0
   • Fases
     • 1. Activación de aminoácidos
       • ADN: Codógeno ARNm: Codón ARNt: Anticodón
     • Procariotas
       • Secuencia consenso de Shine-Dalgarno (sitio de unión al ribosoma: AGGAGG) e iniciación (ATG)
       • Polisomas: antes de que acabe la transcripción empieza la traducción
     • Eucariotas
       • Polisomas y múltiples sitios de iniciación y terminación
       • Iniciación dependiente de CAP e IRES
       • Secuencia consenso de Kozak
         • Iniciación: AUGG; no sitio de unión al ribosoma
       • Polirribosomas y múltiples sitios de iniciación y terminación
   • Plegamiento de Proteínas
     • Plegamiento espontáneo, con gasto de ATP
       • Carabinas (chaperonas) y chaperoninas
     • Plegamiento Incorrecto: Puede producir enfermedades como el Alzheimer
   • Modficaciones Postraduccionales
     • Prenilación: Unión de grupos hidrofóbicos a péptidos
     • Glucosilación
     • Biosíntes de insulina incluyendo oxidación y proteolisis
     • Ubiquitinación: Etiquetaje de péptidos para marcar su destino
   • Transporte de Proteínas en eucariotas
     • Citoesqueleto:
       • También aprovechado por los virus para llegar al núcleo
     • Nanobiotecnología de péptidos
       • Transporte y liberación de medicamentos anticáncer
   • Degradación de Proteinas
     • Lisosomas
       • Mezcla de enzimas hidrolíticas Proceso costoso (ATP)
     • Proteosomas (conservados evolutivamente)
       • Inhibición: Apoptosis, senescencia celular y efectos citotóxicos de la quimioterapia
       • Marcaje y digestión
       • Degradación y activación de péptidos

8. 7. Regulación de la Expresión Génica

   • En Procariotas
     • El operón lac no se induce en presencia de glucosa
     • Catabolismo
     • Anabolismo
       • Doble mecanismo de regulación: El operón trp se reprime/atenúa cuando hay mucho/bastante triptófano
     • Comunicación entre moléculas: Un cambio de conformación provoca un cambio de función de la proteasa específica
   • En eucariotas
     • Modos de co-regulación de genes
       • Potenciadores
         • Pueden estar en posiciones distantes del gen al que regulan, tener diferentes orientaciones e interaccionar con factores de transcripción, que a su vez interaccionan con la polimerasa de ARN
         • Super-potenciadores
           • Están formados por múltiples potenciadores unidos coordinadamente a factores de transcripción
       • Aisladores
         • Bloquean la interacción de los potenciadores con los promotores
     • Factores de transcripción activos e inactivos
     • ´Monitorización de la transcripción mediante cuantificación de desacetilasas de histonas usando tomografía por emisión de positrones
       • La disfunción epigenética/transcriptómica está implicada en muchos desórdenes neurológicos y psiquiátricos incluyendo la enfermedad de alzheimer y esquizofrenia.
     • Control negativo (represor) y positivo (activador) de inducción o represión
       • Los genes se inducen/reprimen
       • Las enzimas se activan/inhiben
     • Inducción de defensa en plantas mediante fragmentos virales de ARN de doble cadena y ARN de interferencia suministrados en nanopartículas de Bioarcilla. Tecnología con potencial terapéutico para animales
     • Gen y transcripción
       • ARN no codificantes
       • ARN no codificantes y enfermedades
         • Mecanismos de acción de ARNnc relacionadas con el cáncer y el alzheimer; envejecimiento y terapias dirigidas a miARN
         • Relaciones funcionales entre ARNpnc, ARNlnc y enfermedades asociadas, incluyendo cánceres, inmunitarias y neurodegenerativas.
         • Relación entre ARNnc y muerte celular, que puede explotarse para curar enfermedades como el cáncer

9. REALIZADO POR: LIDIA JURADO ORTIZ

Imágenes y archivos del mapa