Biología Moderna II La base molecular de la herencia Capítulo 16 Campbell y Reece, 2002 Sexta edición Iván Ferrer Rodríguez, Ph.D. Catedrático Asociado Figure 16.0 Watson and Crick • En 1953 James Watson and Francis Crick publicaron el modelo de la doble hélice del DNA • Las unidades hereditarias de Mendel y los genes que Morgan localizó en los cromosomas están compuestos de DNA • Este modelo explicaba como el DNA controla su replicación • Las semejanzas entre padres e hijos tiene su base en la replicación del DNA • El DNA es la molécula que dirige el desarrollo de las características bioquímicas, anatómicas, fisiológicas y de comportamiento James Watson El DNA es el material genético • Hoy en día se habla del DNA en las escuelas y científicos manipulan el DNA constantemente • A principios del siglo 20, la identificación de las moléculas de la herencia era un gran reto • 1857 Mendel comenzó su trabajo con guisantes • 1875 se describió el proceso de mitosis • 1890 se describió el proceso de meiosis • 1900 se relacionó a los cromosomas y los factores de Mendel • 1902 comenzó la teoría de la herencia de los cromosomas 1 El DNA es el material genético • Dos componentes del cromosoma: DNA y proteínas • ¿Cuál de los dos es el material genético? • Proteínas: candidato más fuerte • mayor heterogeneidad • diferentes funciones específicas • poco se conocía del DNA • Una serie de experimentos en el siglo 20 mostraron qué molécula era el material genético • Frederick Grifith (1928) hizo experimentos en una bacteria llamada Streptococcus pneumoniae • Esta bacteria que causa pulmonía en mamíferos Figure 16.1 Transformation of bacteria • Dos variantes de la bacteria: • La cepa S tiene cápsula y es patógena (causa enfermedad) • Macroscópicamente tiene una apariencia suave (S) o lisa • La otra variante, la cepa R, no tiene cápsula y no es patógena • Macroscópicamente tiene apariencia rugosa (R) • Cápsula es una cubierta pegajosa que rodea la bacteria, cuya función es protección contra el sistema inmune y adherencia • A este fenómeno que el observó le llamó transformación • Las bacterias no patógenas fueron transformadas en patógenas • Transformación es un cambio en genotipo y fenotipo debido a la incorporación de un DNA extraño por parte de una célula Figure 16.1 Transformation of bacteria 2 Figure 16.1 Transformation of bacteria • En 1944, Oswald Avery, Maclyn McCarty y Colin MacLeod anunciaron que el agente transformador era el DNA • Purificaron varios componentes de S. pneumoniae muertas y realizaron experimentos de transformación Experimentos: Molécula • Proteínas Resultados negativos • RNA negativos • DNA positivos Figure 16.2a The Hershey-Chase experiment: phages •Los virus son partículas simples que están compuestos por DNA y proteínas •Los virus infectan las células y usan su maquinaria para reproducirse • Los virus que infectan bacterias se conocen como fagos o bacteriofagos •Los fagos usan la cola para pegarse a la célula hospedera e inyectar su ADN • 1952 Alfred Hershey y Martha Chase demostraron que el material genético del fago T2 es el DNA • Ellos sabían que T2 infecta la bacteria Escherichia coli y la transforma • ¿Qué era responsable de la transformación, DNA o Proteínas? Figure 16.2b The Hershey-Chase experiment 3 Figure 16.3 The structure of a DNA stand • EL DNA se duplica y se divide en dos partes iguales (dos células hijas) durante la mitosis • El DNA está compuestos por nucleótidos • Los nucleótidos consisten de: • base nitrogenada • azúcar desoxirribosa • grupo fosfato (P) • Las bases nitrogenadas son: • Timina (T) • Adenina (A) • Citosina (C) • Guanina (G) Figure 16.3 The structure of a DNA stand • El fosfato de un nucleótido está enlazado al azúcar del próximo nucleótido en línea • 1947 Erwin Chargaff analizó la composición de DNA de diferentes organismos • Número de T = A • Número G = C • Ejemplo: Humanos • A = 30.9% • T = 29.4% • G = 19.9% • C = 19.8% • Hoy en día esto se conoce como la regla de Chargaff Figure 16.4 Rosalind Franklin and her X-ray diffraction photo of DNA • Los biólogos estaban convencidos que el DNA era el material genético • ¿Cuál era su estructura tridimensional? • Maurice Wilkins y Rosalind Franklin en London • James Watson y Francis Crick en Cambridge 4 Figure 16.4 Rosalind Franklin and her X-ray diffraction photo of DNA • 1953 Watson y Francis Crick dedujeron que la molécula de DNA tiene una doble hélice •Se basaron en una cristalografía de rayos X que hizo Rosalind Franklin • Franklin murió de cáncer a los 38 años • James Wantson, Francis Crick y Maurice Wilkins recibieron el premio Nobel en 1963 por sus descubrimientos Figure 16.5 The double helix Figure 16.5 The double helix • La molécula de DNA es una doble hélice que gira hacia la derecha • Las dos hebras están enlazadas por puentes de hidrógeno entre las bases nitrogenadas • Una vuelta de la hélice mide ~3.4 nm y la distancia entre dos nucleótidos es ~0.34 nm • Las bases nitrogenadas están pareadas de forma específica, una purina (A y G) con una pirimidina (T y C) • A y T forman dos puentes de hidrógeno mientras que G y C forman tres puentes de hidrógeno (Figura 16.6) • Este modelo fue publicado en la revista Nature en 1953 y la estructura propuesta sugería el mecanismo básico mediante el cual el DNA se replicaba 5 Unnumbered Figure (page 292) Purine and pyridimine Figure 16.6 Base pairing in DNA Purina Pirimidina Figure 16.7 A model for DNA replication: the basic concept (Layer 1) • Este diagrama ilustra un pedazo de DNA pequeño y desenrollado, parece una escalera • La barandillas representan las cadenas de azúcares y fosfatos en las dos hebras • Los barrotes representan los pares de bases nitrogenadas • Las formas simples en los barrotes simbolizan las cuatro bases nitrogenadas y su complementariedad • El azul oscuro representa la molécula de DNA original en la célula parental • El color azul claro representa la molécula de DNA nueva, la que se sintetiza para la célula hija 6 Figure 16.7 A model for DNA replication: the basic concept (Layer 1) a) La molécula de parental (azul oscuro ) tiene dos hebras complementarias de DNA • Cada base está pareada con su base complementaria mediante puentes de hidrógeno •A=T •G=C Figure 16.7 A model for DNA replication: the basic concept (Layer 2) b) El primer paso en la replicación es la separación de las dos hebras de DNA Figure 16.7 A model for DNA replication: the basic concept (Layer 3) c) Cada hebra parental sirve como un molde que determina el orden de los nucleótidos en la hebra nueva que se forma y que es complementaria a la original 7 Figure 16.7 A model for DNA replication: the basic concept (Layer 4) d) Los nucleótidos se conectan para formar la cadena nueva de DNA • Cada una de las moléculas de DNA en las células hijas contiene una hebra original (azul oscuro) y una hebra nueva (azul claro) • Este es un modelo de replicación semiconservativa Figure 16.8 Three alternative models of DNA replication • Existían en la época tres modelos de replicación • El diagrama se ilustra un segmento de DNA dentro de una célula, y pasan dos generaciones de células, o sea dos rondas de replicación Figure 16.8 Three alternative models of DNA replication a) Modelo de replicación conservativo • En este modelo, la doble hebra de DNA parental permanece intacta y se hacen todas las copias nuevas de DNA 8 Figure 16.8 Three alternative models of DNA replication b) Modelo de replicación semiconservativa • En este modelo, las dos hebras de DNA parental se separan y cada una funcionan como molde para sintetizar la otra hebra nueva complementaria Figure 16.8 Three alternative models of DNA replication c) Modelo de replicación dispersa • En este modelo, cada hebra de DNA hija está formada por una mezcla de pedazos de DNA viejos y pedazo sintetizados nuevos Figure 16.9 The Meselson-Stahl experiment tested three models of DNA replication (Layer 1) • Matthew Meselson y Franklin Stahl diseñaron un experimento para evaluar las tres hipótesis • Crecieron E. coli por varias generaciones en presencia de un isótopo pesado de nitrógeno (15N) • La bacteria incorpora el 15N en sus nucleótidos y luego en su DNA 9 Figure 16.9 The Meselson-Stahl experiment tested three models of DNA replication (Layer 2) • La bacteria fue transferida a otro medio conteniendo un isótopo de nitrógeno más liviano (14N) • Cualquier DNA que se sintetice nuevo en la bacteria, será más liviano que el DNA sintetizado en el medio conteniendo 15N Figure 16.9 The Meselson-Stahl experiment tested three models of DNA replication (Layer 3) • La bacteria fue transferida a otro medio conteniendo un isótopo de nitrógeno más liviano (14N • Los investigadores centrifugaban las muestras para • Cualquier separar el DNA aDNA baseque de se su sintetice densidadnuevo en la bacteria, será más liviano que el DNA sintetizado en el medio conteniendo 15N • Después de la primera replicación, se obtuvo una sola banda de DNA • Esto descartó el modelo de replicación conservativa • Si la replicación fuese conservativa, se deberían observan dos bandas de DNA, una correspondiente al DNA conteniendo 15N y otra correspondiente al 14N Figure 16.9 The Meselson-Stahl experiment tested three models of DNA replication (Layer 4) • Después de la segunda replicación, se produjeron dos bandas de DNA, DNA 14N y DNA híbrido 14N-15N • Esto descartó el modelo de replicación dispersa • Si la replicación fuese dispersa, se debería observar una sola banda 10 ¿Qué moléculas son responsables de la replicación del DNA? • E. coli tiene un cromosoma de 5 millones de pares de bases (pb) • La bacteria copia su DNA y se divide en dos en menos de 1 hora • Cada una de nuestras células tiene 46 cromosomas • Hay aproximadamente 6 billones de pb en una célula humana • Esto representa mil veces más DNA que el de una bacteria • Si se imprimieran todos estos nucleótidos (A, G, C, T), saldrían aproximadamente 900 libros de texto • ¿Cómo una célula humana puede replicar todo ese DNA? ¿Qué moléculas son responsables de la replicación del DNA? • La precisión de la replicación en bien alta, sólo se comete un error por cada billón de nucleótidos que se sintetiza • En este proceso de replicación participan más de una docena de enzimas y otras proteínas • Se conoce más del proceso de replicación en bacterias que en eucariota, pero se cree que ambos proceso son bastante similares • ¿Cómo comienza la replicación del DNA? Figure 16.10 Origins of replication in eukaryotes 1) La replicación del DNA comienza en un lugar en específico llamado origen de replicación • Las proteínas que inician la replicación, reconocen el origen de replicación, se pegan al DNA y lo separan formando una burbuja replicación 11 Figure 16.10 Origins of replication in eukaryotes 2) La burbuja de replicación se expande lateralmente mientras la replicación avanza en ambas direcciones Figure 16.10 Origins of replication in eukaryotes 3) Eventualmente, las burbujas de replicación se fusionan y se completa la síntesis de la molécula nueva de DNA a) Eucariota, cada cromosoma puede tener cientos o miles de orígenes replicación que se fusionan b) En bacterias, un solo cromosoma circular, un origen de replicación Figure 16.11 Incorporation of a nucleotide into a DNA strand La elongación del DNA es catalizada por una enzima llamada polimerasa de DNA 12 Figure 16.11 Incorporation of a nucleotide into a DNA strand Cuando el trifosfato de nucleósido se une a la azúcar en la cadena creciente de DNA, éste pierdo dos fosfatos en una molécula de pirofosfato Figure 16.11 Incorporation of a nucleotide into a DNA strand • La enzima utiliza la energía que se libera del rompimiento del pirofosfato a dos fosfatos inorgánicos (reacción exergónica) Figure 16.12 The two strands of DNA are antiparallel • Las dos hebras de DNA son antiparalelas • Los carbonos de las bases nitrogenadas tiene números 1, 2, 3 y los de las azúcares tiene números 1', 2', 3' • El término ' se utiliza para distinguir los carbonos de las bases nitrogenadas de los carbonos de las azúcares • Los grupos fosfatos de la hebra de la izquierda están enlazados a los carbonos 5' de las azúcares 13 Figure 16.12 The two strands of DNA are antiparallel • Los grupos fosfatos están enlazados al carbono 3' del próximo nucleótido • En el terminal 5' hay un fosfato (P) • En el terminal 3' hay un grupo hidroxilo (OH) • Esto se conoce como la dirección 5'Æ3' de la hebra de DNA • La hebra complementaria tiene la dirección contraria, es antiparalela (tiene dirección 3'Æ5') • La polimerasa de DNA sólo añade nucleótidos en dirección 5’Æ3' Figure 16.13 Synthesis of leading and lagging strands during DNA replication • En la hebra líder, la adición de nucleótidos y la síntesis de DNA es de forma ininterrumpida • En la hebra rezagada la adición de nucleótidos es en dirección contraria al movimiento del tenedor de replicación • Se sintetizan fragmentos cortos de DNA (~100-200 nucleótidos) • Estos pedazos se conocen como los fragmentos de Okazaki • Los fragmentos son unidos por la acción de otra enzima llamada ligasa de DNA Figure 16.14 Priming DNA synthesis with RNA • La polimerasa de DNA no reconoce DNA de hebra sencilla • Una enzima llamada primasa sintetiza un fragmento pequeño de RNA (~10 nucleótidos) • Este fragmento se conoce como "primer” o iniciador • Al final del "primer" es que la polimerasa de DNA comienza la síntesis del DNA • El "primer" de RNA es sustituido por DNA, por la acción de otra polimerasa de DNA 14 Figure 16.14 Priming DNA synthesis with RNA • En la hebra líder hace falta un solo "primer" • En la hebra rezago hace falta un "primer" por cada fragmento de Okazaki • Helicasas son enzimas que desenrollan el DNA en la región del tenedor de replicación • ”Single strand binding proteins" son proteínas que enlazan DNA de hebra sencilla y lo estabilizan Figure 16.15 The main proteins of DNA replication and their functions Figure 16.16 A summary of DNA replication 15