Primera Parte: El Material Hereditario.

Transcripción

1 Curso: Principios de genética biotecnología y salud Titulo: Reproducción Celular y Conceptos Básicos de Genética Unidad: 1 Primera Parte: El Material Hereditario.

2 2 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.

3 3 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.

4 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. 4

5 5 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,

6 6 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 Albrecht Kossel,

7 7 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

8 8 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,

9 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. 9

10 10 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.

11 11 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,

12 Experimento de Avery La imagen a continuación, representa una descripción del protocolo de trabajo desarrollado por Avery, Mc Leod y Mc Carty en

13 13 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.

14 14 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 Alfred Hershey

15 Experimento de Hershey y Chase La imagen a continuación, representa una descripción del protocolo de trabajo desarrollado Hershey y Chase en

16 16 Descripción del experimento de Hershey y Chase. 1. Hershey y Chase marcaron fagos con isótopos radiactivos de S 35 y P 32. El azufre radiactivo (S 35 ) se une exclusivamente a las proteínas, mientras que el fósforo radiactivo (P 32 ) 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.

17 17 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

18 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. 18

19 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. 19

20 20 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.

21 21 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).

22 22 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,

23 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. 23

24 24 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.

25 25 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,

26 26 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 Francis Crick

27 27 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).

28 - 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) 28

29 - 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. 29

30 - 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. 30

31 - 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. 31

32 - 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. 32

33 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. 33

34 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.