lunes, 30 de septiembre de 2013
UNIDAD II
INFORMACIÓN GENÉTICA
CONTENIDO 5: Bases Químicas de la Herencia.
Propósito:
- Identificar los antecedentes históricos que condujeron a la demostración de que el ADN es la macromolécula que contiene información genética.
- Determinar la composición química básica de los ácidos nucleicos.
- Reconocer las características del modelo de Watson y Crick del ADN.
- Identificar los principales tipos de ARN en las células.
BASES
QUÍMICAS DE LA HERENCIA.
Trabajos
que Dilucidaron la Naturaleza del Material Hereditario
Experimentos de Griffith
El experimento de Griffith, llevado a cabo en 1928 por Frederick
Griffith, fue uno de los primeros experimentos que mostró que las bacterias
eran capaces de transferir información genética mediante un proceso llamado
transformación. En 1928, el microbiólogo Fred Griffith, que investigaba varias cepas de
neumococo (Streptococcus pneumoniae), inyectó en ratones la cepa S y la cepa
R de la bacteria. La cepa S era dañina, mientras quela rugosa (R), no lo era ya
que la cepa S se cubre a sí misma con una cápsula de polisacárido que la protege
del sistema inmune del ser que ha sido infectado, resultando en la muerte de
este, mientras que la cepa R no contiene esa cápsula protectora es derrotada
por el sistema inmunológico. Cuando, inactiva por calor, la cepa S era
inyectada, no había secuelas y el ratón vivía. Sorprendentemente, al
combinar cepa R (no letal), con cepa S inactivada por calor (no letal), el
ratón murió. Además, Griffith encontró células decepa S vivas. En apariencia la
cepa R se convirtió en cepa S. Este hallazgo no se pudo explicar, hasta queen
1944 Avery, Mc Leod, y Mc Carty, cultivaron cepa S y:
1.
Produjeron extracto de lisado de células (extracto libre de células).
2.
Luego que los lípidos, proteínas y polisacáridos se removieron, el estreptococo
aún conservó su capacidad de replicar su ADN e introducirlo en neumococo R.
La
inactivación por calor de Griffith habría dejado intacto el ADN de los
cromosomas de las bacterias, que era el causante de la formación del gen S, y
podía ser liberado por las células destruidas e implantarse en cultivos
sucesivos de cepa R.
Experimentos de Avery, MacLeod y McCarty
Avery,
Mac Leod y Mc Carty, quienes repitieron los experimentos de transformación de
Griffith y caracterizaron químicamente el principio transformante. Avery, Mac Leod,
y Mc Carty demostraron que el DNA procedente de una cepa virulenta lisa de
neumococo pudo transformar una cepa rugosa en la variedad lisa. Éste es el
primer experimento que concluye que el DNA es el material genético.
Experimentos de Chargaff
Esta
idea fue desechada en 1950 por el científico checo Erwin Chargaff del Instituto
Rockefeller, quien analizó en detalle la composición de bases del ADN extraído
de diferentes organismos. Llegó a la sorprendente conclusión de que las cuatro
bases nitrogenadas no se encontraban en proporciones exactamente iguales en las
distintas especies, lo cual sugirió que el ADN no debía ser tan monótono como se
pensaba. Chargaff demostró que, independientemente del origen del ADN, la
proporción de purinas era igual a la de pirimidinas. Es decir, Adenina (A) aparecía
con tanta frecuencia como la Tímida (T) y la Guanina (G), con tanta frecuencia
como la Citosina (C). Había dos juegos de equivalencias, A y T por un lado y G
y C por otro.
Este
resultado reflejaba por primera vez un aspecto estructural del ADN. Indicaba
que, independientemente de la composición de A o de G en un ADN, siempre la
concentración de A es igual a la de T y la de C igual ala de G. Sin embargo, en
aquel momento Chargaff no sospechó las implicancias que podían tener estasreglas,
denominadas más tarde “reglas de Chargaff”, en el esclarecimiento de la
estructura del ADN.
Experimentos de Hershey y Chase
En
1952 Alfred Hershey y Martha Chase realizaron una serie de experimentos para
confirmar que es el ADN la base del material genético (y no las proteínas), en
lo que se denominó el experimento de Hershey y Chase. Si bien la existencia del
ADN había sido conocida por los biólogos desde 1869, en aquella época se había
supuesto que eran las proteínas las que portaban la información que determina
la herencia. En 1944 mediante el experimento de Avery-MacLeod-McCarty se tuvo
por primera vez algún indicio del rol que desempeña el ADN.
Experimentos
de Franklin y Wilkins
En
1953, Rosalind Franklin y Maurice H. Wilkins utilizaron para sus estudios una
técnica física conocida como difracción de rayos X. Esta técnica se utiliza
para obtener patrones de difracción de cualquier molécula, los cuales son
analizados e interpretados matemáticamente, con el fin de proponer una determinada
estructura tridimensional de la molécula estudiada. El patrón de difracción de
rayos X que obtuvieron Franklin y Wilkins les permitió proponer que la molécula
de ADN forma una doble hélice semejante a una escalera de caracol.
El Modelo de Watson y Crick
En
1953, Watson y Crick propusieron el modelo que establece las bases de la molécula
responsable de contener la información genética de todo ser vivo, una
estructura tridimensional denominada ácido desoxirribonucleico (ADN). Contribución
que celebra este año su cincuenta aniversario y que festeja especialmente la
biología molecular. Si bien los científicos ya habían establecido de tiempo
atrás que la información genética está contenida en el ADN, desconocían a
ciencia cierta su estructura molecular. De esta manera, la doble hélice
propuesta por James Watson y Francis Crick, permitió dar respuesta a las
interrogantes de la estructura y los mecanismos de la herencia.
El
ADN está formado por unidades químicas (nucleótidos) coloquialmente denominadas
A, T, G y C; estos nucleótidos se alinean y se acoplan con otra cadena para
formar la doble hélice (A se acopla con T y G con C). La importancia del orden
de los nucleótidos es tal, que determina a las proteínas, responsables de la
estructura y funcionamiento de cada célula de un ser vivo. Cuando se separan,
cada una de las cadenas sirve de molde para la construcción de otra
complementaria; así, una molécula de ADN dividida puede generar dos de su mismo
tipo.
Con
esta duplicación de cadenas, la información genética se transmite a las
siguientes generaciones. Cabe señalar que el modelo de la doble hélice
propuesto originalmente fue totalmente teórico. E incluso hubo datos que no
pudieron descifrarse directamente de experimentos, y he aquí el enorme mérito
de Watson y Crick. Para definir el modelo integraron datos dispersos y
consideraron las famosas reglas de Chargaff sobre la composición cuantitativa
de nucleótidos en los ácidos nucleicos y construyeron un modelo compatible con
los datos de difracción de rayos X obtenidos por Rosalind Franklin. Por ello
ambos científicos son ya figuras centrales de la disciplina que hoy llamamos
biología molecular; participaron de manera importante en la elucidación del
código genético y han publicado diversos artículos y libros científicos,
impactando a generaciones de biólogos e investigadores. A partir de la doble
hélice comprendimos fenómenos biológicos como la replicación, transcripción, traducción
y regulación de la expresión génica.
 |
| Bosquejo de Crik del ADN |
Características
del Modelo de Watson y Crick
El
modelo para la estructura tridimensional de la molécula de DNA propuesto por
Watson y Crick, se basa en la interpretación de imágenes obtenidas a través de
difracción de rayos X por Rosalind Franklin quien trabajaba en el laboratorio
de Maurice Wilkins (Fig. 1).Para la interpretación de estas imágenes, Watson y
Crick contaban con la siguiente información:
- Los ácidos nucleicos están formados por nucleótidos.
- Un nucleótido equivale a una base + un azúcar + un fosfato.
- La relación molar entre Adenina y Timina es igual a 1.0 (A/T = 1.0) y entre Guanina y Citosina es también 1.0 (G/C = 1.0). Esto había sido demostrado por Erwin Chargaff, al analizar mediante cromatografía en capa fina el contenido de bases de las moléculas de DNA de diferentes organismos.
Composición
Química de los Ácidos Nucleicos
Están
constituidos por un azúcar que es una pentosa, la cual puede ser: ribosa en el
caso del ARN y la desoxirribosa en el caso del ADN. Otro componente de su
estructura son las bases nitrogenadas, estas pueden ser:
Púricas:
Adenina y Guanina
Pirimidínicas:
Citosina, timina y uracilo
La
composición la finaliza el ácido fosfórico. Las diferencias químicas entre el
ADN y el ARN, la pentosa es distinta, al igual que las bases nitrogenadas, el
ARN contiene uracilo y citosina mientras que el ADN contiene timina y citosina.
El ADN es el Ácido DesoxirriboNucleico.
Es el tipo de molécula más compleja que se conoce. Su secuencia de nucleótidos
contiene la información necesaria para poder controlar el metabolismo un
ser vivo. El ADN es el lugar donde reside la información genética de un
ser vivo.
El estudio de su estructura se puede
hacer a varios niveles, apareciendo estructuras, primaria,
secundaria,
terciaria,
cuaternaria
y niveles de empaquetamiento superiores.
Estructura primaria
El ADN está compuesto por una
secuencia de nucleótidos formados por desoxirribosa. Las bases
nitrogenadas que se hallan formando los nucleótidos de ADN son Adenina, Guanina,
Citosina y Timina. No aparece Uracilo. Los nucleótidos se unen
entre sí mediante el grupo fosfato del segundo nucleótido, que sirve de puente
de unión entre el carbono 5' del primer nucleótido y el carbono
3' de siguiente nucleótido.
Como el primer nucleótido tiene
libre el carbono 5' y el siguiente nucleótido tiene libre el carbono 3', se
dice que la secuencia de nucleótidos se ordena desde 5' a 3' (5' → 3').
Estructura secundaria
La estructura secundaria del ADN fue
propuesta por James Watson y Francis Crick, y la llamaron el modelo de doble
hélice de ADN. Este modelo está formado por dos hebras de nucleótidos.
Estas dos hebras se sitúan de forma antiparalela, es decir, una
orientada en sentido 5' → 3' y la otra de 3' → 5'. Las dos están
paralelas, formando puentes de Hidrógeno entre las bases nitrogenadas
enfrentadas. Cuando en una hebra encontramos Adenina, en la otra hebra
hallamos Timina. Cuando en una hebra encontramos Guanina, en la
otra hallamos Citosina. Estas bases enfrentadas son las que constituyen
los puentes de Hidrógeno. Adenina forma dos puentes de Hidrógeno con
Timina. Guanina forma tres puentes de Hidrógeno con la Citosina. Las dos
hebras están enrolladas en torno a un eje imaginario, que gira en contra
del sentido de las agujas de un reloj. Las vueltas de estas hélices se
estabilizan mediante puentes de Hidrógeno. Esta estructura permite que las
hebras que se formen por duplicación de ADN sean copia complementaria de
cada una de las hebras existentes.
Estructura terciaria
El ADN es una molécula
muy larga en algunas especies y, sin embargo, en las células eucariotas se
encuentra alojado dentro del minúsculo núcleo. Cuando el ADN se une a proteínas
básicas, la estructura se compacta mucho. Las proteínas básicas son Histonas o Protaminas. La unión con Histonas
genera la estructura denominada nucleosoma. Cada nucleosoma está
compuesto por una estructura voluminosa, denominada core, seguida por un
eslabón o "Linker". El core está compuesto por un octámero de
proteínas, Histonas, denominadas H2A, H2B, H3 y H4. Cada tipo de histona
se presenta en número par. Esta estructura está rodeada por un tramo de ADN que
da una vuelta y 3/4 en torno al octámero. El Linker está formado por un tramo
de ADN que une un nucleosoma con otro y una histona H1. El conjunto de la
estructura se denomina fibra de cromatina de 100Å. Tiene un aspecto
repetitivo en forma de collar de perlas, donde las perlas serían los
nucleosomas, unidos por los linker. El ADN debe encontrarse más compacto en el
núcleo de los espermatozoides. En este caso, el ADN se une a proteínas
de carácter más básico, denominadas Protaminas. El ADN se enrolla sobre
estas proteínas, formando una estructura muy compacta, denominada estructura
cristalina del ADN.
Estructura cuaternaria
La cromatina en el núcleo tiene un
grosor de 300Å. La fibra de cromatina de 100Å se empaqueta formando una fibra
de cromatina de 300Å. El enrollamiento que sufre el conjunto de nucleosomas
recibe el nombre de solenoide. Los solenoides se enrollan formando la cromatina
del núcleo interfásico de la célula eucariota. Cuando la célula entra en
división, el ADN se compacta más, formando los cromosomas.
El Ácido RiboNucleico
está constituido por la unión de nucleótidos formados por una pentosa, la
Ribosa, unas bases nitrogenadas, que son Adenina, Guanina, Citosina
y Uracilo. No aparece la Timina. Los nucleótidos se unen formando
una cadena con una ordenación en la que el primer nucleótido tiene libre
el carbono 5’ de la pentosa. El último nucleótido tiene libre el carbono
3’. Por ello, se dice que la ordenación de la secuencia de nucleótidos va
desde 5’ a 3’ (5’ ® 3’). En la célula aparecen cuatro tipos de ARN, con
distintas funciones, que son el ARN
mensajero, el ARN
ribosómico, el ARN
transferente y el ARN
heteronuclear.
ARN mensajero (ARNm)
ARN lineal, que contiene la información,
copiada del ADN, para sintetizar una proteína. Se forma en el núcleo
celular, a partir de una secuencia de ADN. Sale del núcleo y se asocia a
ribosomas, donde se construye la proteína. A cada tres nucleótidos (codon)
corresponde un aminoácido distinto. Así, la secuencia de aminoácidos de la
proteína está configurada a partir de la secuencia de los nucleótidos del ARNm.
El ARN ribosómico, o ribosomal, unido
a proteínas de carácter básico, forma los ribosomas. Los ribosomas
son las estructuras celulares donde se ensamblan aminoácidos para formar
proteínas, a partir de la información que transmite el ARN mensajero. Hay dos
tipos de ribosomas, el que se encuentra en células procariotas y en el
interior de mitocondrias y cloroplastos, y el que se encuentra en el
hialoplasma o en el retículo endoplásmico de células eucariotas.
ARN transferente (ARNt)
El ARN transferente o soluble es un
ARN no lineal. En él se pueden observar tramos de doble hélice intracatenaria,
es decir, entre las bases que son complementarias, dentro de la misma cadena.
Esta estructura se estabiliza mediante puentes de Hidrógeno.
Además de los nucleótidos de
Adenina, Guanina, Citosina y Uracilo, el ARN transferente presenta otros
nucleótidos con bases modificadas. Estos nucleótidos no pueden
emparejarse, y su existencia genera puntos de apertura en la hélice,
produciendo bucles.
En el ARNt se distinguen tres tramos
(brazos). En uno de ellos (1 en la figura), aparece una secuencia de
tres nucleótidos, denominada anticodon. Esta secuencia es complementaria
con una secuencia del ARNm, el codon. En el brazo opuesto (2 en
la figura), en el extremo 3' de la cadena, se une un aminoácido específico predeterminado
por la secuencia de anticodon.
La función del ARNt consiste
en llevar un aminoácido específico al ribosoma. En él se une a la secuencia
complementaria del ARNm, mediante el anticodon. A la vez, transfiere el
aminoácido correspondiente a la secuencia de aminoácidos que está
formándose en el ribosoma.
En el siguiente dibujo, se describe trascripción del ADN al ARN y a la
proteína, este proceso es el fundamento de la biología molecular y es
representado por cuatro etapas importantes.
1) El ADN replica su información en un proceso que implica muchas
enzimas. 2) Síntesis del ARN mensajero (ARN m). 3) En las células eucariotas el
ARN m es procesado y migra del núcleo al citoplasma. 4) El ARN mensajero lleva
la información del código a los ribosomas, Los ribosomas son orgánulos sin membrana, sólo
visibles al microscopio electrónico debido a su reducido tamaño ,29 nm en
células procariotas y 32 nm en las eucariotas. Su función es ensamblar
proteínas a partir de la información genética que le llega del ADN transcrita
en forma de ARN mensajero (ARNm).
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