Biología Moderna II

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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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¿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
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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
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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
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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
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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
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