GUÍA DE ESTUDIO Subsector: Biología Fuente: Biocarampangue.cl

GUÍA DE ESTUDIO
Subsector: Biología
Profesores: Ricardo Sánchez A.
Fuente: Biocarampangue.cl
Nivel: NM4
Fecha: MARZO 2011
I. UNIDAD
: INFORMACIÓN GENÉTICA Y PROTEÍNAS
II. CONTENIDO
: Experimentos que identificaron al DNA como material genético.
III. APRENDIZAJE ESPERADO : Conocen los experimentos clásicos que revelaron al DNA como la
molécula que contiene la información genética y reflexionan sobre la simpleza de su composición química en
comparación con las proteínas.
INTRODUCCIÓN
El problema de la naturaleza física del gen era uno de los grandes problemas de la biología que había
fascinado por años a los científicos. El concepto de gen fue introducido en 1860 por Mendel y recién
alrededor de 1920 se realizaron los primeros experimentos que revelaron al DNA como material genético. La
clave para el modelo de estudio fue una enigmática observación realizada en 1928 por Frederick Griffith
(1879 - 1941) microbiólogo británico, en el curso de experimentos con una bacteria llamada Streptococcus
pneumoniae que produce neumonía en humanos y que es generalmente letal en ratones. Su trabajo abrió el
camino a experimentos posteriores (Oswald Avery, Colin MacLeod y McCarty en 1944) que demostraron
que el ácido desoxirribonucleico (ADN) es el material que, dentro de la célula, transmite los rasgos genéticos.
Muchos lo consideran el padre de la biología molecular.
LA TRANSFORMACIÓN BACTERIANA
La transformación bacteriana es un proceso en el cual se produce un cambio en las características de los
organismos debido a transferencia génica. Fue descubierta en 1928 por Frederick Griffith mientras estudiaba
los efectos de la infección en ratones por una bacteria que produce neumonía en humanos. Lo neumococos
con cápsula producen colonias lisas y brillantes, mientras que los que carecen de cápsula producen colonias
rugosas de apariencia opaca. Los neumococos encapsulados que infectan ratones son extremadamente
virulentos, es decir, tienen un tremendo poder para producir enfermedad. Una sola bacteria inyectada a un
ratón puede multiplicarse rápidamente y causar la muerte del animal. La cápsula protege a las bacterias de las
defensas del organismo.
EXPERIMENTO DE GRIFFITH
Figura 1
Griffith inyectó algunos
ratones con neumococos de
colonias
lisas
(encapsulados) virulentas
(L), otros con estas mismas
bacterias, pero muertas por
calor, y también inyectó
algunos otros ratones con
una mezcla de bacterias,
rugosas (R) y bacterias lisas
y muertas por calor (Figura
1). Tal como se esperaba,
los ratones que recibieron
neumococos lisos murieron,
en cambio sobrevivieron
los
que
recibieron
neumococos lisos muertos
o neumococos rugosos.
Esto mostró que los restos celulares no eran capaces de causar daño y muerte del animal. Por sorpresa,
también murieron los ratones que recibieron neumococos lisos muertos junto con neucomocos rugosos.
Griffith aisló de estos animales muertos las bacterias que tenían y se encontró con un hallazgo de crucial
importancia. La presencia de bacterias muertas encapsuladas había permitido que las bacterias vivas sin
cápsula desarrollaran cápsula y se hicieran virulentas.
Ni Griffith ni sus colegas supieron cómo había ocurrido esta transformación. Más aún, generaciones
posteriores de estas bacterias mantuvieron el fenotipo virulento. Esta transformación era heredable.
Lo que muestra este experimento es que, de alguna manera desconocida en ese momento, los restos celulares
de las bacterias virulentas convierten a las bacterias no virulentas en virulentas, siendo estos cambios en las
bacterias permanentes y heredables Este proceso se llamó transformación y en la actualidad es utilizado
corrientemente en procedimientos de biotecnología.
Tras los hallazgos la pregunta surge ¿en qué consiste o cuál es la naturaleza química del material causante de
la transformación? ¿Qué significa esto? ¿Que el material genético es físicamente transmisible en un modelo
experimental de laboratorio y que se abrió por primera vez la posibilidad de aislarlo? ¿Qué experimento
harían a continuación para identificar la molécula responsable de esta transformación?
EXPERIMENTOS DE Oswald Avery, Colin MacLeod y McCarty (1944)
Dos años después se encontró en el laboratorio de Avery que se podía repetir el experimento dejando de lado
la inyección en ratones. Se establecieron condiciones para la transformación bacteriana enteramente en
cultivo. Oswald Avery y colaboradores descubrieron que una cápsula de polisacáridos era la responsable de la
virulencia de las bacterias y en 1944 se aisló en su laboratorio la sustancia responsable de la transformación,
marcando el inicio de la genética molecular. Primero se logró transformar bacterias de colonias “R” en
bacterias de colonias “S” cultivándolas en presencia de los restos de bacterias virulentas muertas por calor.
Luego se comenzó a aislar los componentes químicos de las bacterias “S” y probar su capacidad de producir
la misma transformación en las bacterias “R”. Tal como se ilustra en la figura 2, el elemento transformante
resultó ser el DNA, molécula ya conocida bioquímicamente como compuesta por apenas cuatro unidades
diferentes.
En esa época ya se había aislado DNA de las
Figura 2
plantas y animales, pero se creía que eran las
proteínas las portadoras de la información
genética. Sólo después de que Watson y Crick
determinaron la estructura del DNA quedó claro
que esta molécula codificaba la información
genética. Sin embargo, a pesar de que el trabajo
del grupo de Avery realizó numerosas pruebas
(Figura 3) para descartar que su preparación
no estuviera contaminada por proteínas, por
muchos años se siguió pensando que el
material genético debía ser proteína.
EL EXPERIMENTO DE HERSHEY Y CHASE
A pesar del cuidadoso trabajo de Oswald
T. Avery y colaboradores en la identificación del
Figura 3
ADN como material genético, muchos biólogos no
aceptaron el hecho de que este ácido nucleico
pudiera contener la compleja información genética. Así, hasta los comienzos de los años cincuenta (1950) muchos
todavía continuaban creyendo que las proteínas podrían ser el material génico.
En 1952, los genetistas Alfred Hershey y Martha Chase, del Instituto Carnagie, efectuaron una serie
de experimentos que demostrarían, en forma concluyente, que el material de los genes es el ADN.
Estos investigadores trabajaron con la bacteria intestinal Escherichia coli y un cierto tipo de virus
denominados bacteriófagos
(fagos en forma abreviada).
Estos virus infectan y
destruyen a las células de
E. coli.
Se sabía que los
bacteriófagos tenían una
forma definida, y en
particular, que estaban
compuestos sólo por una envoltura proteica y ADN. Era conocido,
además, el modo como los fagos invaden a las bacterias, adhiriéndose a la célula bacteriana y luego de
alrededor de 25 minutos, la bacteria explota, liberando cientos de nuevos bacteriófagos.
Además, este equipo de investigadores tenía un dato muy interesante: conocía que el ADN contiene
fósforo, mientras que las proteínas no lo tienen. Por otra parte, las proteínas contienen azufre, en tanto que el
ADN no.
Hershey y Chase "marcaron" a los virus con material radiactivo para seguir sus huellas. Los
bacteriófagos cultivados en un medio con fósforo radiactivo, incorporaron el elemento radioactivo,
exclusivamente en el ADN, porque sólo éste contiene átomos de fósforo.
Luego, cuando se permitió que bacteriófagos "radiactivos" infectaran a bacterias no radiactivas, éstas se
hicieron radiactivas. Dado que es el ADN la sustancia que penetra en la célula, es también el material
genético
Finalmente hoy se sabe
que es el DNA la
molécula donde se
almacena
la
información genética en
la célula, una especie de
librería celular, que
contiene
toda
la
información que se
requiere para construir
y mantener las células y
los tejidos de un
organismo.
La
duplicación exacta de
esta información en
cada una de las especies, de generación en generación, asegura la continuidad genética de cada especie. Esta
información está organizada en unidades llamadas genes, que fueron primero identificadas por la genética
clásica como unidades de herencia que controlan los rasgos característicos de cada organismo.
Departamento de Ciencias
GUÍA DE ESTUDIO
Subsector: Biología
Profesor: Ricardo Sánchez A.
Katherine Rivas
Fuente:
Nivel: NM4
Fecha: Abril 2008
I. UNIDAD
: INFORMACIÓN GÉNICA Y PROTEÍNAS
II. CONTENIDO
: Estructura química del DNA
III. APRENDIZAJE ESPERADO : Reconocen la composición química del DNA y la estructura general de
los ácidos nucleicos.
INTRODUCCIÓN
Si bien el período entre principios de siglo y la Segunda Guerra Mundial (1900 a 1940) ha sido considerado la
edad de oro de la genética, los científicos aún no habían determinado que, en el ADN y no en las proteínas, se
encontraba el material hereditario. Sin embargo en esa época se realizaron muchos descubrimientos genéticos
y se estableció la relación entre genética y evolución.
El ADN fue aislado por Friedrich Miescher en 1869 de esperma de salmón y de pus de heridas abiertas. Dado
que la encontró solamente en los núcleos, Miescher denominó a este compuesto nucleína. Posteriormente se lo
cambió a ácido nucleico y por último a ácido desoxirribonucleico (ADN).
Robert Feulgen, en 1914, describió un método para revelar por tinción el ADN, basado en el colorante
fucsina. Se encontró, utilizando este método, la presencia de ADN en el núcleo de todas las células eucariotas,
específicamente en los cromosomas.
Durante los años 20, el bioquímico P.A. Levene analizó los componentes del ADN. Encontró que contenía
cuatro bases nitrogenadas: citosina, timina, adenina, y guanina; el azúcar desoxirribosa; y un grupo fosfato.
El concluyó que la unidad básica (nucleótido) estaba compuesta de una base pegada a un azúcar y que el
fosfato también estaba pegado al azúcar y, lamentablemente también concluyó erróneamente que las bases
estaban en cantidades iguales y, que un tetranucleótido era la unidad repetitiva de la molécula.
Sin embargo queda su idea de la estructura del nucleótido el cual es realmente la unidad fundamental
(monómero) del ácido nucleico (polímero).
Ahora ya se sabe que la cadena polimérica llamada ADN está formada por unidades, denominadas nucleótido
(Figura 1) que consiste en un grupo fosfato unido a un azúcar de 5 carbonos que a su vez se une a una base
orgánica. El fosfato le da carácter ácido a los nucleótidos. Las bases generalmente se abrevian A, G, C, y T.
Por conveniencia, esta abreviación de una sola letra se usa cuando se escriben las largas secuencias de
nucleótidos en el DNA. Los nucleótidos polimerizan para formar ácidos nucleicos en una reacción que deja un
extremo de la molécula con un fosfato libre en la posición 5’ del azúcar mientras que en el otro extremo queda
un grupo hidroxilo libre en la posición 3’ del azúcar. Esto se conoce como extremos 5’ y 3’ de la molécula.
Por convención la secuencia se escribe de 5’ a 3’ y esta direccionalidad o asimetría en los extremos es una
propiedad crucial de la molécula.
ESQUEMA SIMPLE DE LOS NUCLEÓTIDOS DEL DNA.
Figura 1
CARACTERÍSTICAS ELEMENTALES DE LOS NUCLEÓTIDOS
La información que dicta las estructuras de la enorme variedad de moléculas de proteínas que se encuentran
en los organismos está codificada en moléculas conocidas como ácidos nucleicos.
La información contenida en los ácidos nucleicos es transcripta y luego traducida a las proteínas. Son las
proteínas las moléculas que finalmente ejecutarán las "instrucciones" codificadas en los ácidos nucleicos.
Los ácidos nucleicos están formados por cadenas largas de nucleótidos. Está formado por tres subunidades: un
grupo fosfato, un azúcar de cinco carbonos y una base nitrogenada; esta última tiene las propiedades de una
base y, además, contiene nitrógeno.
La subunidad de azúcar de un nucleótido puede ser ribosa o bien desoxirribosa. Como puede verse, la
diferencia estructural entre estos dos azúcares es leve.
En la ribosa (Figura 2), el carbono 2 lleva un átomo de hidrógeno por encima del plano del anillo y un grupo
hidroxilo por debajo del plano; en la desoxirribosa (Figura 1), el grupo hidroxilo del carbono 2 está
reemplazado por un átomo de hidrógeno.
Figura 2
Desoxirribosa
Figura 3
Desoxirribosa
Los nucleótidos pueden unirse en cadenas largas por reacciones de condensación que involucran a los grupos
hidroxilo de las subunidades de fosfato y de azúcar. En la figura se muestra una molécula de RNA que, como
se observa, está formada por una sola cadena de nucleótidos. Las moléculas de DNA, en cambio, constan de
dos cadenas de nucleótidos enrolladas sobre sí mismas, formando una doble hélice.
La ribosa es el azúcar en los nucleótidos que forman ácido
ribonucleico (RNA) y la desoxirribosa es el azúcar en los nucleótidos
que forman ácido desoxirribonucleico (DNA). Hay cinco bases
nitrogenadas diferentes en los nucleótidos, que son los sillares de
construcción de los ácidos nucleicos. Dos de ellas, la adenina y la
guanina, se conocen como purinas. Las otras tres, citosina, timina y
uracilo se conocen como pirimidinas.
La adenina, la guanina y la citosina se encuentran tanto en el DNA
como en el RNA, mientras que la timina se encuentra sólo en el DNA
y el uracilo sólo en el RNA. Aunque sus componentes químicos son
muy semejantes, el DNA y el RNA desempeñan papeles biológicos
muy diferentes. El DNA es el constituyente primario de los
cromosomas de las células y es el portador del mensaje genético. La
función del RNA es transcribir el mensaje genético presente en el
DNA y traducirlo a proteínas.
Los nucleótidos, además de su papel en la formación de los ácidos
nucleicos, tienen una función independiente y vital para la vida
celular. Cuando un nucleótido se modifica por la unión de dos grupos
fosfato, se convierte en un transportador de energía, necesario para
que se produzcan numerosas reacciones químicas celulares. La
energía en los nucleótidos modificados, esta disponible en cantidades
convenientes y aceptado en forma generalizada.
El principal portador de energía, en casi todos los procesos
biológicos, es una molécula llamada adenosín trifosfato o ATP.
Figura 4
EL MODELO DE LA MOLÉCULA DE ADN: WATSON Y CRICK (1953)
En 1953, James D. Watson y Francis H.C. Crick, dos científicos que trabajaban en la Universidad de Cambridge,
Inglaterra, propusieron el modelo que hoy se acepta para la estructura de la molécula de ADN, sobre la base de todos los
datos disponibles. Las principales características de la molécula de ADN, de acuerdo con el modelo Watson - Crick, se
pueden resumir en los siguientes puntos:
1.
2.
3.
4.
5.
6.
.
La molécula se compone de dos barras torcidas entre sí, configurando una doble hélice.
Cada barra se compone de una cadena de nucleótidos, las que se disponen de manera antiparalela, es decir, una
cadena va en dirección 5'  3' y la otra 3'  5'.
Los nucleótidos de cada barra se unen entre sí por los grupos fosfatos.
Las cuatro bases nitrogenadas se encuentran apareadas con sólo dos posibles combinaciones: A =T y G = C.
Las bases nitrogenadas están unidas entre sí por débiles enlaces de hidrógeno, los que son fáciles de romper.
Como la secuencia de nucleótidos es el único elemento variable en la molécula, es evidente que debe ser también
la propiedad que se utiliza para codificar las instrucciones genéticas.
Figura 5: Modelo de la
molécula de ADN de
Watson y Crick; A: detalle
en que se muestra la
disposición
de
los
nucleótidos
formando
enlaces de hidrógeno entre
los pares de bases
(flecha); B: esquema más
general, en que se muestra
la organización general de
las dos fibras antiparalelas;
C: morfología general de la
molécula de ADN, la doble
hélice
A
B
C