Las bases moleculares de la herencia

Transcripción

1 Chapter 16 Las bases moleculares de la herencia PowerPoint Lectures for Biology, Seventh Edition Neil Campbell and Jane Reece Lectures by Chris Romero Copyright 2005 Pearson Education, Inc. publishing as Benjamin Cummings

2 Instrucciones de funcionamiento de la vida En 1953, James Watson y Francis Crick introdujeron un elegante modelo de doble hélice para la estructura del ácido desoxirribonucleico, o ADN La información hereditaria está codificada en el ADN El ADN dirige el desarrollo de rasgos bioquímicos, anatómicos, fisiológicos y (en cierta medida) comportamentales Copyright 2005 Pearson Education, Inc. publishing as Benjamin Cummings

3 Copyright 2005 Pearson Education, Inc. publishing as Benjamin Cummings

4 El ADN es el material genético A principios del siglo 20, la identificación de las moléculas de la herencia representaba un gran reto para los biólogos Copyright 2005 Pearson Education, Inc. publishing as Benjamin Cummings

5 La búsqueda del material genético: la investigación científica Cuando el grupo de Morgan mostró que los genes estaban localizados en los cromosomas, los dos componentes de los cromosomas - ADN y proteína - se convirtieron en candidatos para el material genético El factor clave para determinar el material genético fue elegir adecuados organismos experimentales Copyright 2005 Pearson Education, Inc. publishing as Benjamin Cummings

6 Evidencia de que el ADN puede transformar bacterias El descubrimiento del papel genético del ADN comenzó con la investigación de Frederick Griffith en 1928 Griffith trabajó con dos cepas de una bacteria, una cepa patógena "S" y una cepa inofensiva "R Cuando mezcló restos de la cepas patógenas muertas por calor con células vivas de la cepa inofensiva, algunas células vivas se convirtieron en patógenas Éste fenómeno lo llamó transformación, ahora definido como un cambio debido a la asimilación de ADN extraño Copyright 2005 Pearson Education, Inc. publishing as Benjamin Cummings

7 LE 16-2 Células S vivas (control) Células R vivas (control) Células S muertas Por calor (control) Mezcla de células S muertas por calor y células R vivas RESULTADOS Ratón muerto Ratón saludable Ratón saludable Ratón muerto Células S vivas encontradas en Muestras de sangre

8 En 1944, Oswald Avery, Maclyn McCarty y Colin MacLeod anunciaron que la sustancia transformadora era el ADN Su conclusión se basó en la evidencia experimental de que sólo el ADN funcionó en la transformación de bacterias inocuas en bacterias patógenas Muchos biólogos se mostraron escépticos, sobre todo porque se sabía muy poco acerca del ADN Copyright 2005 Pearson Education, Inc. publishing as Benjamin Cummings

9 Evidencia de que el ADN viral puede programar células Más evidencia de DNA como material genético vino de estudios de un virus que infecta bacterias Tales virus, llamados bacteriófagos (o fagos), son ampliamente utilizados en investigación genética molecular Copyright 2005 Pearson Education, Inc. publishing as Benjamin Cummings

10 LE nm Cabeza del fago Cola Fibra de la cola ADN Célula bacteriana

11 En 1952 Alfred Hershey y Martha Chase realizaron experimentos que mostraron que el ADN es el material genético de un fago conocido como T2 Para determinar la fuente de material genético en el fago, diseñaron un experimento mostrando que sólo uno de los dos componentes de T2 (ADN o proteína) entra en una célula de E. coli durante la infeccióno Llegaron a la conclusión de que el ADN inyectado de los fagos proporciona la información genética Copyright 2005 Pearson Education, Inc. publishing as Benjamin Cummings

12 LE 16-4 Fago Célula bacteriana Proteína radiactiva Cubierta vacía Radioactividad (proteína del fago) en líquido Grupo 1: Azúfre ( 35 S) ADN ADN del fago Centrifuga ADN radioactivo Precipitado (células bacterianas) Grupo 2: Fósforo ( 32 P) Centrifuga Precipitado Radioactividad (ADN del fago) en precipitado

13 Evidencia adicional de que el ADN es el material genético En 1947, Erwin Chargaff reportó que la composición del ADN varía de una especie a otra Esta evidencia de diversidad hizo del ADN un candidato más creíble para el material genético Por la década de 1950, ya se sabía que el ADN es un polímero de nucleótidos, cada uno formado por una base nitrogenada, un azúcar y un grupo fosfato Copyright 2005 Pearson Education, Inc. publishing as Benjamin Cummings

14 LE 16-5 Esqueleto Azúcar-Fosfato Extremo Bases nitrogenadas Timina (T) Adenina (A) Citosina (C) Fosfato Nucleótido de ADN Azúcar (desoxirribosa) Extremo Guanina (G)

15 Construcción de un modelo estructural del ADN: investigación científica Después de que la mayoría de los biólogos se convencieron de que el ADN era el material genético, el reto era determinar cómo su estructura influye en su papel Maurice Wilkins y Rosalind Franklin estaban usando una técnica llamada cristalografía de rayos X para estudiar la estructura molecular Franklin produjo una imagen de la molécula de ADN usando esta técnica Copyright 2005 Pearson Education, Inc. publishing as Benjamin Cummings

16 LE 16-6 Rosalind Franklin Difracción de rayos X

17 Las imágenes del ADN obtenidas por Franklin por cristalografía de rayos X permitieron a Watson y Crick deducir que el ADN era helicoidal Las imágenes de rayos X también permitieron a Watson y Crick deducir la anchura de la hélice y la separación de las bases nitrogenadas La anchura sugiere que la molécula de ADN se compone de dos hebras, formando una doble hélice Copyright 2005 Pearson Education, Inc. publishing as Benjamin Cummings

18 LE 16-7 Puente de hidrógeno 1 nm 3.4 nm Características clave de la estructura del ADN 0.34 nm Estructura química parcial Tridimensional

19 Watson y Crick construyeron modelos de doble hélice para ajustarse a los rayos X y química del ADN En un primer momento Watson y Crick pensaban que las bases se apareaban de igual a igual (A con A, y así sucesivamente), pero este tipo de emparejamientos no dieron lugar a una anchura uniforme En su lugar, el emparejamiento de una purina con una pirimidina dio como resultado una anchura uniforme consistente con la de rayos X Copyright 2005 Pearson Education, Inc. publishing as Benjamin Cummings

20 LE 16-UN298 Purina + purina: demasiado ancho Pirimidina + pirimidina: demasiado estrecho Purina + pirimidina: anchura consistente con los datos de rayos X

21 LE 16-8 Azúcar Adenina (A) Timina (T) Azúcar Azúcar Azúcar Guanina (G) Citosina (C)

22 Muchas proteínas trabajan juntas en la replicación y reparación de ADN La relación entre estructura y función se manifiesta en la doble hélice Watson y Crick observaron que el apareamiento específico de bases sugiere un posible mecanismo de copia para el material genético Copyright 2005 Pearson Education, Inc. publishing as Benjamin Cummings

23 El principio básico: apareamiento de bases a una cadena molde Dado que las dos hebras de ADN son complementarias, cada una actúa como una plantilla para la construcción de una nueva hebra en la replicación En la replicación del ADN la molécula parental se desenrolla y dos nuevas cadenas hijas son construidas con base en las reglas de apareamiento de bases Copyright 2005 Pearson Education, Inc. publishing as Benjamin Cummings

24 LE 16-9_1 La molécula parental tiene dos cadenas complementarias de ADN. Cada base está emparejada por enlaces de hidrógeno con su par específico, A con T y G con C.

25 LE 16-9_2 La molécula parental tiene dos cadenas complementarias de ADN. Cada base está emparejada por enlaces de hidrógeno con su par específico, A con T y G con C. El primer paso en la replicación es la separación de las dos hebras de ADN.

26 LE 16-9_3 La molécula parental tiene dos cadenas complementarias de ADN. Cada base está emparejada por enlaces de hidrógeno con su par específico, A con T y G con C. El primer paso en la replicación es la separación de las dos hebras de ADN. Cada cadena parental ahora sirve como una plantilla que determina el orden de los nucleótidos a lo largo de una nueva hebra complementaria.

27 LE 16-9_4 La molécula parental tiene dos cadenas complementarias de ADN. Cada base está emparejada por enlaces de hidrógeno con su par específico, A con T y G con C. El primer paso en la replicación es la separación de las dos hebras de ADN. Cada cadena parental ahora sirve como una plantilla que determina el orden de los nucleótidos a lo largo de una nueva hebra complementaria. Los nucleótidos están conectados para formar el esqueleto azúcar-fosfato de las nuevas hebras. Cada molécula de ADN "hija" se compone de una cadena parental y una hebra nueva.

28 El modelo de replicación semiconservativa de Watson y Crick predice que cuando una doble hélice se replica, cada molécula hija tendrá una hebra antigua ( derivada o conservada a partir de la molécula parental) y una recién creada Los modelos que competían eran el modelo conservador y el modelo de dispersión Copyright 2005 Pearson Education, Inc. publishing as Benjamin Cummings

29 LE Célula parental Primera replicación Segunda replicación Modelo conservativo. Las dos cadenas parentales se vuelven a asociar después de actuar como plantillas para nuevas cadenas, restaurando así la doble hélice parental Modelo semiconservativo. Las dos cadenas de la molécula parental se separan, y cada una funciona como un molde para la síntesis de una nueva cadena complementaria. Modelo dispersivo. Cada hebra de ambas moléculas hijas contiene una mezcla de ADN antiguo y recién sintetizado.

30 Los experimentos de Meselson y Stahl apoyaron el modelo semiconservativo Ellos marcaron los nucleótidos de las hebras antiguas con un isótopo pesado del Nitrógeno, mientras los nucleótidos nuevos fueron marcados con un isótopo más ligero La primera replicación produce una molécula de ADN híbrido, eliminando el modelo conservador La segunda replicación produce ADN híbrido y AND solo con isótopos ligeros, eliminando el modelo dispersivo y afirmando el modelo semiconservativo. Copyright 2005 Pearson Education, Inc. publishing as Benjamin Cummings

31 LE Bacterias cultivadas en medio que contenía 15 N Bacteria transferida a un medio que contenía 14 N Muestra de ADN centrifugada luego de 20 minutos (después de la primera replicación) Modelo conservativo Primer replicación Muestra de ADN Menos centrifugada denso luego de 40 minutos (después de Más denso la segunda replicación) Segunda replicación Modelo semiconservativo Modelo dispersivo

32 Replicación del ADN: Una mirada más cercana La copia de ADN es extraordinaria en su velocidad y precisión Más de una docena de enzimas y otras proteínas participan en la replicación del ADN Copyright 2005 Pearson Education, Inc. publishing as Benjamin Cummings

33 Comenzando: Los orígenes de la replicación La replicación comienza en sitios especiales llamados orígenes de replicación, donde se separan las dos hebras de ADN, abriendo una "burbuja de replicación. Un cromosoma eucariota puede tener cientos, o incluso miles, de origenes de replicación. La replicación avanza en ambas direcciones desde cada origen, hasta que se copia la molécula entera A los extremos de cada burbuja de replicación hay una horquilla de replicación. Copyright 2005 Pearson Education, Inc. publishing as Benjamin Cummings

34 LE Origen de la replicacíón Hebra parental (molde) Hebra hija (nueva) 0.25 µm Burbuja Horquilla de replicación Dos moléculas hijas de ADN En eucariotas la replicación del ADN comienza en muchos sitios a lo largo de la molécula de ADN de cada cromosoma En esta micrografía tres burbujas de replicación son visibles a lo largo del ADN de células de hámster

35 Alargamiento de una nueva hebra de ADN Enzimas llamadas ADN polimerasas catalizan la elongación de ADN nuevo Cada nucleótido que se añade a una cadena de ADN en crecimiento es un nucleósido trifosfato La tasa de alargamiento es aproximadamente 500 nucleótidos por segundo en las bacterias y 50 por segundo en las células humanas Copyright 2005 Pearson Education, Inc. publishing as Benjamin Cummings

36 LE Cadena nueva Cadena molde Azúcar Fosfato Base ADN polimerasa Pirofosfato Nucleósido trifosfato

37 Elongación antiparalela La ADN polimerasa agrega nucleótidos sólo al extremo 3 libre de una hebra en crecimiento; por tanto, una nueva hebra de ADN puede elongarse sólo en dirección 5 a 3 Copyright 2005 Pearson Education, Inc. publishing as Benjamin Cummings

38 A lo largo de una cadena molde de ADN, llamado el filamento principal, la ADN polimerasa puede sintetizar una cadena complementaria de forma continua, moviéndose hacia la horquilla de replicación Para alargar la otra nueva hebra, llamada filamento de revestimiento, la ADN polimerasa tiene que trabajar en la dirección de alejamiento del tenedor de replicación La hebra rezagada se sintetiza como una serie de segmentos denominados fragmentos de Okazaki, que se unen entre sí por la ADN ligasa. Copyright 2005 Pearson Education, Inc. publishing as Benjamin Cummings

39 LE ADN Parental Hebra líder Fragmentos de Okazaki ADN polimerasa III Hebra retrasada Hebra molde Hebra líder Hebra retrasada Hebra molde ADN ligasa Dirección general de la replicación

40 Cebado de la síntesis de ADN Las ADN polimerasas no pueden iniciar la síntesis de un polinucleótido; sólo pueden añadir nucleótidos al extremo 3 La hebra inicial de nucleótidos es un cebador de ARN Una enzima llamada primasa puede comenzar una cadena de ARN desde cero Sólo se necesita un cebador para sintetizar la cadena líder, pero para la cadena retrasada cada fragmento de Okazaki se debe cebar por separado Copyright 2005 Pearson Education, Inc. publishing as Benjamin Cummings

41 LE 16-15_1 La Primasa une nucleótidos de ARN a un cebador Hebra molde Overall direction of replication

42 LE 16-15_2 La Primasa une nucleótidos de ARN a un cebador Hebra molde ADN pol III agrega nucleótidos de ADN al cebador, formando un fragmento de Okazaki Cebador de ARN Overall direction of replication

43 LE 16-15_3 La Primasa une nucleótidos de ARN a un cebador Hebra molde ADN pol III agrega nucleótidos de ADN al cebador, formando un fragmento de Okazaki Cebador de ARN Luego de alcanzar el siguiente cebador de ARN (no mostrado), la ADN pol III se desprende Fragmento de Okazaki Overall direction of replication

44 LE 16-15_4 La Primasa une nucleótidos de ARN a un cebador Hebra molde ADN pol III agrega nucleótidos de ADN al cebador, formando un fragmento de Okazaki Cebador de ARN Luego de alcanzar el siguiente cebador de ARN (no mostrado), la ADN pol III se desprende Fragmento de Okazaki Luego de que el segundo fragmento es cebado, la ADN pol III agrega nucleótidos hasta que alcanza el primer cebador y se desprende Overall direction of replication

45 LE 16-15_5 La Primasa une nucleótidos de ARN a un cebador Hebra molde ADN pol III agrega nucleótidos de ADN al cebador, formando un fragmento de Okazaki Cebador de ARN Luego de alcanzar el siguiente cebador de ARN (no mostrado), la ADN pol III se desprende Fragmento de Okazaki Luego de que el segundo fragmento es cebado, la ADN pol III agrega nucleótidos hasta que alcanza el primer cebador y se desprende La ADN pol I reemplaza el ARN con ADN, agregándolo al extremo 3 del fragmento 2 Overall direction of replication

46 LE 16-15_6 La Primasa une nucleótidos de ARN a un cebador Hebra molde ADN pol III agrega nucleótidos de ADN al cebador, formando un fragmento de Okazaki Cebador de ARN Luego de alcanzar el siguiente cebador de ARN (no mostrado), la ADN pol III se desprende Fragmento de Okazaki Luego de que el segundo fragmento es cebado, la ADN pol III agrega nucleótidos hasta que alcanza el primer cebador y se desprende La ADN pol I reemplaza el ARN con ADN, agregándolo al extremo 3 del fragmento 2 La ADN ligasa forma un enlace entre el nuevo ADN y el ADN adyacente del fragmento 1. La hebra retrasada en la región ahora está completa Dirección general de la replicación

47 Otras proteínas que ayudan a la replicación del ADN La Helicasa desenrolla la doble hélice y separa las cadenas molde de ADN Las proteínas de unión de cadena sencilla se unen y estabilizan el ADN de una sola hebra hasta que se puede utilizar como una plantilla La Topoisomerasa corrige "la sobretensión" por delante de las horquillas de replicación mediante la ruptura, el giro sobre el eje, y volviendo a unir las hebras de ADN Copyright 2005 Pearson Education, Inc. publishing as Benjamin Cummings

48 La primasa sintetiza un cebador de ARN en el extremo 5 de la hebra principal y los fragmentos de Okazaki En bacterias la ADN pol III sintetiza continuamente la hebra principal y alarga los fragmentos de Okasaki La DNA pol I remueve los primer de la terminación de la cadena líder y en los fragmentos de Okazaki remplazado el primer con nucleótidos de DNA La ADN ligasa une el extremo 3 del ADN que reemplaza al cebador al resto de la cadena líder, de la misma forma une los fragmentos de la cadena retrasada Copyright 2005 Pearson Education, Inc. publishing as Benjamin Cummings

49 LE Dirección general de la replicación Hebra líder Hebra Origen de replicación rezagada ADN pol III Leading strand Hebra rezagada Hebra líder ADN Parental Horquilla de Replicación Primasa Cebador ADN pol III Hebra rezagada ADN pol I ADN ligasa

50 Revisión y reparación de ADN Las ADN polimerasas revisan el ADN nuevo, reemplazando nucleótidos incorrectos Cuando se detectan errores, enzimas de reparación los corrige apareando las bases correctas. En la reparación por escisión de nucleótidos, las enzimas cortan y reemplazan tramos dañados de ADN Copyright 2005 Pearson Education, Inc. publishing as Benjamin Cummings

51 LE Un dímero de timina distorsiona la molécula de ADN. Una enzima nucleasa corta la hebra dañada de ADN en dos Puntos y la sección dañada es removida Nucleasa ADN polimerasa La ADN polimerasa rellena los nucleótidos que faltan ADN ligasa La ADN ligasa sella el extremo libre del ADN nuevo al antiguo, completando la hebra

52 Replicando los extremos de las moléculas de ADN Las limitaciones de la ADN polimerasa crean problemas para el ADN lineal de los cromosomas eucarióticos La maquinaria de replicación habitual no proporciona ninguna manera para completar los extremos 5 ', de modo que ciclos repetidos de replicación producen moléculas de ADN más cortas producen moléculas Copyright 2005 Pearson Education, Inc. publishing as Benjamin Cummings

53 LE Extremo de las cadenas de ADN parentales Hebra líder Hebra rezagada Último fragmento Fragmento previo Hebra rezagada Cebador de RNA Cebador retirado, pero no puede ser reemplazado por ADN porque no hay un extremo 3 disponible para la ADN polimerasa Remoción de cebadores y reemplazo con ADN donde hay un extremo 3 disponible Segunda ronda de replicación Nueva hebra líder Nueva hebra líder Más rondas de replicación Moléculas hijas cada vez más cortas

54 Las moléculas de ADN cromosómicas de Eucariotas tienen en sus extremos secuencias de nucleótidos llamados telómeros Los telómeros no impiden el acortamiento de las moléculas de ADN, pero posponen la erosión de los genes cerca de los extremos de las moléculas de ADN Copyright 2005 Pearson Education, Inc. publishing as Benjamin Cummings

55 LE µm

56 Si los cromosomas de las células germinales se acortan en cada ciclo celular, los genes esenciales eventualmente se perderían de los gametos que producen Una enzima llamada telomerasa cataliza el alargamiento de los telómeros en las células germinales Copyright 2005 Pearson Education, Inc. publishing as Benjamin Cummings