El_material_hereditario

Curso:
Principios de genética biotecnología y salud
Titulo:
Reproducción Celular y Conceptos Básicos de Genética
Unidad:
1
Primera Parte:
El Material Hereditario.
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1. La existencia del material hereditario.
• Desde tiempos inmemoriales, el
hombre se dio cuenta que las
características de los padres se
transmiten a la descendencia.
• En el caso de las plantas, se
asumía intuitivamente que estas
características se traspasaban a
través de las semillas.
• En los animales, se pensaba en
la esperma del macho o en la
sangre como portadora de esas
características.
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• Desde que el hombre se hizo sedentario, utilizó estos
conocimientos intuitivos para la agricultura y la ganadería.
• Así, mediante la selección de las semillas de las mejores
plantas, se llegó a obtener por ejemplo, las variedades de
trigo, maíz y cebada modernos, las especies frutales,
tubérculos y muchas otras especies comestibles.
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• En cuanto a los animales,
mediante la cruza de
especímenes con determinadas
características se lograron las
variedades de vacunos, ovejas,
caballos, burros, cabras, cerdos
y aves domésticas que existen
hasta hoy.
• Todos estos casos demuestran
que si bien no existía el
concepto de material
hereditario, se intuía que las
características de los seres
vivos estaban contenidas en
ellos y se transmitían de alguna
forma.
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2. El ácido nucleico.
• Luego del descubrimiento de la célula y de
llegar a la confirmación que ésta era la
unidad estructural de todos los seres vivos,
el avance de las técnicas microscópicas y
bioquímicas permitieron conocer la
estructura celular interna y la naturaleza de
sus componentes.
• En el año 1869, el bioquímico suizo Friedrich
Miescher descubrió que el núcleo celular
contenía una sustancia ácida a la que llamó
nucleína o ácido nucleico, cuya composición
química y proporciones eran diferentes a las
demás moléculas orgánicas, por contener
una gran cantidad de fósforo.
• Miescher murió en 1895 y nunca supo cuál
era la real importancia de su descubrimiento.
Friedrich Miescher,
1844-1895
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• Siguiendo con los estudios de
Miescher, el científico alemán
Albrecht Kossel, identifica los dos
tipos de ácido nucleico (ADN y
ARN), describe su naturaleza
bioquímica e identifica la mayoría de
sus componentes, las
nucleoproteínas y las bases
nitrogenadas que los componen.
• Fue el primero en intuir el papel de
los ácidos nucleicos en la herencia y
sentó las bases de los estudios
modernos sobre el ADN.
• Por estos y otros hallazgos, recibe
el Premio Nobel de Medicina en el
año 1910.
Albrecht Kossel, 1853-1927
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3. El descubrimiento del ADN
como material hereditario.
• A pesar de los descubrimientos realizados
sobre los ácidos nucleicos, no existía
acuerdo en los científicos sobre cual era el
material hereditario, existiendo dos
moléculas como candidatas: las proteínas y
los ácidos nucleicos, especialmente el ADN.
• Las proteínas tenían a favor el hecho de que
estaban presentes en todas las células y que
habían proteínas distintivas en diferentes
tejidos y entre distintas especies.
• El ADN en cambio, era el mismo para todos
los tejidos y en todas especies.
PROTEÍNA
ADN
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• Uno de los hechos clave que inclinó la
balanza a favor del ADN, ocurrió en el año
1928, cuando el médico inglés Frederick
Griffith descubrió accidentalmente el
fenómeno de la transformación bacteriana.
• Mientras desarrollaba una vacuna para la
neumonía, descubrió que una cepa de
pneumococo virulenta (que provoca la
enfermedad), estando ya las bacterias
muertas, podía hacer que las bacterias de
una cepa inofensiva se transformaran en
virulentas, algo que parecía imposible.
• La conclusión de su experimento, fue que
en los restos de las bacterias muertas,
debía existir algún «factor transformante»
que era capaz de hacer que las bacterias
inofensivas se transformaran en virulentas.
Frederick Griffith,
1879-1941.
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Experimento de Griffith
La imagen a continuación, representa una descripción del protocolo de trabajo
desarrollado por Griffith en su experimento fallido por fabricar una vacuna contra la
neumonía.
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Descripción del experimento de Griffith.
1. Griffith inyectó pneumococos de la cepa R no virulenta, a ratones de
laboratorio. Los ratones sobrevivieron y al obtener muestras de sus
tejidos, no se encontraron pneumococos.
2. Luego tomó otro grupo y los inyectó con neumococos de la cepa S
virulenta. Después de un tiempo los ratones enfermaron y murieron.
Al examinar sus tejidos había bacterias vivas de la cepa S.
3. Al matar las bacterias de la cepa S por un golpe de calor y luego
inyectarlas a los ratones, estos no se enfermaron y tampoco se
encontraron bacterias vivas en los tejidos.
4. En el último paso, mezcló bacterias de la cepa S muertas por calor,
con cepas vivas de la cepa R, y las inyectó a un grupo de ratones.
La idea era que el organismo desarrollara inmunidad contra sus
componentes. Pero contrario a lo que Griffith esperaba, los ratones
inyectados enfermaron y murieron. Al analizar los tejidos de los
ratones muertos se encontraron solo bacterias vivas de la cepa S.
En conclusión, algún factor transformante de las bacterias S muertas, era
capaz de transformar las bacterias R inofensivas, en virulentas.
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Experimento de Avery.
• Pasaron varios años sin poder
dilucidar cual era el «factor
transformante» del experimento
de Griffith, hasta que en el año
1944 un equipo científico
liderado por Oswald Avery,
desarrolló un experimento que
permitió descifrar el misterio.
• Al cultivar bacterias de la cepa R
en presencia de distintos
componentes de bacterias de la
cepa S, se comprobó que el ADN
era la molécula que había
permitido la transformación.
Oswald Avery, 1877 – 1955.
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Experimento de Avery
La imagen a continuación, representa una descripción del protocolo de trabajo
desarrollado por Avery, Mc Leod y Mc Carty en 1944.
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Descripción del experimento de Avery.
1. Avery y sus colaboradores, replicando la experiencia de
Griffith, tomaron bacterias de la cepa S y las mataron por
calor.
2. Luego obtuvieron extractos de las bacterias de la cepa S
muertas y los aislaron obteniendo distintos componentes por
separado: carbohidratos, ARN, lípidos, proteínas y ADN.
3. Finalmente colocaron cada uno de estos componentes
separados en distintos cultivos de pneumococos de la cepa
R y esperaron a ver en cual de ellos ocurría la
transformación.
4. Las únicas colonias de bacterias de la cepa R, donde ocurrió
la transformación, fue en aquellas cultivadas en presencia de
ADN de la cepa S.
En conclusión, el ADN era la única molécula capaz de portar la
información necesaria para expresar una característica a nivel
celular.
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Experimento de Hershey y Chase.
• A pesar de las evidencias
aportadas por el experimento de
Avery, muchos científicos todavía
sostenían que las proteínas
debían ser el material de la
herencia.
• La comprobación definitiva a favor
del ADN vino el año 1952, cuando
los investigadores Alfred Hershey
y Martha Chase, utilizando fagos
(virus que infectan bacterias)
marcados con isótopos radiactivos
demostraron que la infección era
causada por el ADN y no por las
proteínas.
Martha Chase
1927-2003.
Alfred Hershey
1908-1997
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Experimento de Hershey y Chase
La imagen a continuación, representa una descripción del protocolo de trabajo
desarrollado Hershey y Chase en 1952.
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Descripción del experimento de Hershey y Chase.
1. Hershey y Chase marcaron fagos con isótopos radiactivos de S35 y
P32. El azufre radiactivo (S35) se une exclusivamente a las proteínas,
mientras que el fósforo radiactivo (P32) se incorpora solo al ADN.
2. En un segundo paso, cultivaron bacterias en presencia de fagos
marcados, los cuales las infectaron.
3. Luego de un tiempo de incubación, licuaron los cultivos infectados
con el objetivo de separar las bacterias de los fagos y ver donde se
habían incorporado las marcas radiactivas.
4. Al proceder a ultracentrifugar y luego analizar el resultado de la
centrifugación, pudieron constatar que las marcas de azufre solo
estaban en el sobrenadante líquido, en las cápsulas proteicas de los
virus, mientras que las marcas de fósforo, estaban en el pellet del
fondo, es decir, en el ADN dentro de las bacterias.
• En conclusión, a partir del ADN viral, las bacterias infectadas podían
luego replicar nuevos fagos.
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4. Composición y estructura del ADN.
• Químicamente, el ADN se compone
de átomos de C, H, O, N y P.
• La unidad elemental de los ácidos
nucleicos es el nucleótido, una
molécula compuesta que consta de
un azúcar de cinco carbonos
llamada desoxirribosa, una base
nitrogenada y un grupo fosfato.
• Las bases nitrogenadas pueden ser
cuatro: adenina (A), timina (T),
citosina (C) y guanina (G). Como la
base nitrogenada es el elemento
distintivo de los nucleótidos, éstas
son las que denominan a toda la
estructura.
Nucleótido
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• Para formar la molécula de ADN, las moléculas de nucleótidos se
unen entre sí, mediante un tipo de enlace llamado fosfodiester, que
involucra la pentosa de un nucleótido y el grupo fosfato del
nucleótido siguiente para formar un dinucleótido. Esta unión se
repite en forma sucesiva, hasta conformar largas hebras de
nucleótidos en forma lineal, es decir, un polinucleótido de ADN.
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• Finalmente, para completar la estructura de la molécula,
dos hebras lineales de polinucleótidos se unen entre sí
mediante puentes de hidrógeno entre las bases
nitrogenadas, formando la doble hebra que caracteriza el
ADN de todos los seres vivos.
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5. Formulación del modelo actual de ADN
• Para dilucidar la estructura
molecular del ADN fue
necesario sumar una serie de
contribuciones que
permitieron finalmente llegar
a la formulación de un
modelo que explicase
satisfactoriamente las
características que ya se
conocían de esta molécula.
• Gracias a ello, hoy sabemos
que su estructura
corresponde a una larga
doble hélice formada por dos
cadenas de polinucleótidos
unidos entre sí por las bases
nitrogenadas.
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Reglas de Chargaff
• A partir de los estudios químicos
de las bases nitrogenadas
desarrollados por Edwin
Chargaff en la década de 1940,
se determinó que éstas podían
ser de dos tipos, purinas o
bases púricas, compuestas de
un anillo nitrogenado de
pirimidina + un anillo
nitrogenado de imidazol, y las
bases pirimidinas o pirimídicas,
formadas solo de un anillo de
pirimidina.
• Las purinas o bases púricas
corresponden a la Adenina (A) y
Guanina (G), mientras que las
bases pirimídicas son la Timina
(T) y la Citocina (C).
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• Como resultado de sus estudios,
se postulan las llamadas leyes de
Chargaff que se resumen en los
siguientes postulados:
• 1. Las cantidades de A, C, G y T,
son constantes para los individuos
de una misma especie, pero
varían de una especie a otra.
• 2. En cada especie, la cantidad de
adenina es la misma que la
cantidad de timina, mientras que
la cantidad de citosina, es igual a
la cantidad de guanina (A=T y
C=G).
Edwin Chargaff, 1905-2002
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• Gracias a la coincidencia entre los
porcentajes de A-T y C-G, se estableció
que posiblemente las bases
nitrogenadas estaban involucradas en la
unión de las dos cadenas simples que
conformaban la doble hebra.
• La A de una cadena, se uniría a la T de
la otra, y viceversa, y lo mismo ocurriría
con la C y la G, fenómeno conocido
como «complementariedad de las bases
nitrogenadas».
• Esta hipótesis permitió interpretar
satisfactoriamente las reglas de
Chargaff, sin embargo, no existían
evidencias que pudieran demostrarlo.
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Los trabajos de Franklin
• En el año 1952, la cristalógrafa Rosalind Franklin, logró
obtener una fotografía a partir del espectro de difracción de
rayos X de cristales de ADN.
• En esta fotografía se
logra apreciar un
núcleo central a partir
del cual se
desprenden radios
que dibujan una
estructura en roseta
característica de esta
molécula.
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• De la interpretación de la fotografía
del ADN obtenida por Franklin se
desprende que las dos hebras
individuales se orientan formando
una estructura que sigue un patrón
repetitivo que claramente indicaría
una gran estructura de forma
helicoidal.
• Este hecho era concordante con lo
que había propuesto antes, el
prestigioso químico Linus Pauling,
que propuso que el ADN era una
hélice, semejante a la estructura
de las proteínas en alfa-hélice que
él había descubierto.
Rosalind Franklin, 1920-1958
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El modelo de ADN de Watson y Crick
• En el año 1953, dos
investigadores que también
participaban en la carrera por
descifrar la estructura del ADN, el
zoólogo estadounidense James
Watson y el físico inglés Francis
Crick, tuvieron acceso a la
fotografía del ADN, a través de
Maurice Wilkins, compañero de
trabajo de Rosalind Franklin.
• Con esta evidencia, más el
cúmulo de información que ya se
tenía, ambos no tardaron más de
algunas semanas en descifrar la
estructura del ADN.
James Watson
1928-
Francis Crick
1916-2004
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• En el modelo
propuesto por Watson
y Crick, el ADN
tendría las siguientes
características:
- 1. El ADN es una
doble hélice formada
por dos cadenas de
polinucleótidos
entrelazadas, que se
enrollan en sentido
dextrógiro (a la
derecha).
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- 2. Cada una de las hélices
está formada por
nucleótidos unidos por
enlaces fosfodiester, en que
un grupo fosfato forma un
puente entre dos grupos OH
de las pentosas de dos
nucleótidos sucesivos. El
enlace se establece entre
las posiciones 3’ de una
azúcar, y la posición 5’ del
azúcar siguiente (3’ y 5’
indican los carbonos
involucrados)
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- 3. Las dos hélices se
mantienen unidas
mediante puentes de
hidrógeno, siguiendo
las reglas de Chargaff.
Siempre una base
púrica se une a una
pirimídica, y viceversa.
La adenina con la
timina se unen
mediante dos puentes
de hidrógeno, mientras
que citosina y guanina
se unen por tres.
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- 4. Debido a
restricciones
estructurales en la
complementariedad
de las bases, cada
hebra es antiparalela
o invertida respecto a
su complementaria.
Una va en sentido 5’P
→ 3’OH, mientras que
su complementaria va
en sentido inverso, de
3’OH → 5’P.
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- 5. La doble hebra tiene un
diámetro de 20 Å (20 Å o
Amstrong = 2 nm o
nanómetros) y en los
extremos se encuentran las
armazones de ambas
cadenas, formadas de azúcar
fosfato, mientras que hacia el
interior se ubican las bases
nitrogenadas, en forma
perpendicular al eje imaginario
central. Las bases se
encuentran apiladas una
sobre la otra con una
separación de 3,4 Å y cada 10
bases o 34 Å, se produce una
vuelta completa de la hélice
sobre su eje.
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- 6. En la doble hélice, la secuencia de bases
nitrogenadas puede ser cualquiera, no existiendo
ningún tipo de restricción respecto de la longitud de la
hebra, las cantidades de bases nitrogenadas, ni las
proporciones relativas de ambos pares de bases.
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• Finalmente, la estructura de la
molécula de ADN se resume en una
doble hebra de nucleótidos, cuya
característica más distintiva, es
poseer una secuencia de bases
nitrogenadas que es característica
de cada especie y/o de cada
individuo en particular.
• Lo que hace distinto al ADN de una
especie o un organismo respecto de
otro, no es más que la cantidad,
proporción y secuencia de
nucleótidos de la hebra de ADN.
• De alguna forma, la información
hereditaria se encuentra codificada
en la secuencia particular de
nucleótidos de la doble hebra.
Como funciona la información genética
• El ADN es una biomolécula formada por unidades básicas
llamadas nucleótidos.
• Existen cuatro nucleótidos diferentes, A-T-G-C, que se
encuentran en diferentes proporciones y se ubican formando
distintas secuencias en la hebra de ADN.
• La información contenida en el ADN depende de la secuencia
en que se encuentran organizados estos cuatro nucleótidos en
la cadena.
• Así como las letras del alfabeto se combinan para formar
distintas palabras, los nucleótidos del ADN se combinan para
formar secuencias (o palabras), que indican distintas
características.