El ADN y la genética molecular
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¡Datos, Watson, necesito datos! No se puede construir una
casa sin ladrillos.
Sir Arthur Conan Doyle, Estudio en escarlata
El soporte físico de la herencia | Contenidos
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.("Se levantaba en pleno invierno a las 4 y se
iba a orillas del Rhin con su ayudante para pescar. Luego, procedía a
la extracción de nucleína en un laboratorio abierto a todos los
vientos, donde la temperatura rondaba los 2 °C. Una temperatura
demasiado elevada habría impedido manipular la nucleína..." ***)
A posteriori 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).
Existen cuatro nucleótidos que integran el ADN: uno
con citosina (C), uno con guanina (G), uno con adenina (A), y uno
con timina (T), y se muestran aquí en su forma
"activa", como trinucleótidos, antes de entrar en la
molécula de ADN, recuerde que el nucleótido tiene un solo
fosfato.
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A comienzo "del año 1900", el
estudio de la genética comienza a dar frutos: la relación entre
el trabajo de Mendel y el de los biólogos celulares resultó en
la teoría cromosómica de la herencia; Garrod propuso la
relación entre los "errores innatos del metabolismo" y
los genes. La pregunta quedó planteada: ¿que es un gen? .
La repuesta la trajo el estudio de una
enfermedad infecciosa mortal la neumonía. Durante los
años 20 (192... por supuesto) Frederick Griffith estudió las
diferencias entre una cepa de la bacteria Streptococcus
peumoniae que producía la enfermedad y otra que no la
causaba. La cepa que causaba la enfermedad estaba rodeada de una cápsula
( también se la conoce como cepa S ,del ingles smooth,
o sea lisa, que es el aspecto de la colonia en las placas
de Petri). La otra cepa ( la R , de rugosa, que es
el aspecto de la colonia en la placa de Petri) no tiene cápsula
y tampoco causa neumonía. Frederick Griffith (1928) fue capaz
de inducir la transformación de una cepa no patogénica Streptococcus
pneumoniae EN PATOGÉNICA. Griffith postuló la existencia de
un factor de transformación como
responsable de este fenómeno.
Griffith inyectó las diferentes cepas de la
bacteria en ratones. La cepa S mataba a los ratones mientras que
la cepa R no lo hacía. Luego comprobó que la cepa S, muerta por
calentamiento, no causaba neumonía cuando se la inyectaba. Sin
embargo cuando combinaba la cepa S muerta por calentamiento, con
la cepa R viva, e inyectaba la mezcla a los ratones ( recuerde
que ningún componente individual de la mezcla mata a los
ratones) los ratones contraían la neumonía y morían.
Las bacterias que se aislaban de los ratones
muertos poseían cápsula y, cuando se las inyectaba, mataban
otros ratones!
Hipótesis
- La cepa S, muerta por el calor, fue reanimada o resurreció.
- La cepa R viva fue Modificada por algún
"factor de transformación" (transforming factor).
Otros experimentos mostraron que la segunda
postulación era la correcta.
En los años 40 (19..), Oswald Avery, Colin
MacLeod, y Maclyn McCarty revisaron el experimento de Griffith y
concluyeron que el factor de transformación era el ADN. Oswald
Avery demostró que el factor de transformación era el ADN
repitiendo el trabajo de Griffith con el agregado de una enzima
que destruía el ADN. Cuando Avery agregaba esta enzima, no
observaba la transformación obtenida por Griffith. El concluyó
que el material hereditario era ADN y no una proteína. Su
evidencia era fuerte pero no totalmente concluyente, para esa
época el "candidato principal" para ser el material
hereditario eran las proteínas.
La última palabra en la cuestión
de determinar cual era el material hereditario vino de los
trabajos de Max Delbruck y Salvador Luria en los 40. Los bacteriófagos
son un tipo de virus que atacan a las bacterias, Delbruck y Luria
trabajaron con virus que atacan a la bacteria del intestino
humano Escherichia coli. Los bacteriófagos consisten en
ADN con una cubierta de proteínas. Los bacteriófagos infectan
una célula inyectándole su ADN. Este ADN viral
"desaparece" mientras toma control de la maquinaria de
la bacteria que comienza a fabricar nuevos virus. Luego de 25
minutos de haber sido inyectado la célula hospedadora estalla,
liberando cientos de nuevos bacteriófagos. Como los fagos tienen
solo ADN y Proteínas, eran la herramienta ideal para resolver la
naturaleza del material hereditario.
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En 1952 Alfred
D. Hershey y Martha Chase realizaron
una serie de experimentos destinados a dilucidar si el ADN o las
proteínas eran el material hereditario. Marcando el ADN y las
proteínas con isótopos radioactivos el experimento demostraría cual de ellos entraba en la
bacteria. Ese sería el material hereditario ( factor
transformador de Griffith). Dado que el ADN contiene fósforo
(P) pero no azufre (S), ellos marcaron el ADN con Fósforo-32
radioactivo. Por otra parte, las proteínas no contienen P pero
si S, y por lo tanto se marcaron con Azufre-35. Hershey y Chase
encontraron que el S-35 queda fuera de la célula mientras que el
P-32 se lo encontraba en el interior, indicando que el ADN era el
soporte físico de la herencia.
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La estructura del ADN | Contenidos
Erwin Chargaff analizó las base nitrogenadas
del ADN en diferentes formas de vida, concluyendo que, la
cantidad de purinas no siempre se encontraban en proporciones iguales a las de
las pirimidinas (contrariamente a lo propuesto por Levene), la
proporción era igual en todas las células de los individuos de
una especie dada, pero variaba
de una especie a otra.
Los experimentos de Hershey-Chase probaron que
el ADN era el material genético pero, no como el ADN conformaba
los genes. El ADN debía transferir información de la célula de
origen a la célula hija. Debía también contener información
para replicarse a si mismo, ser químicamente estable y tener
pocos cambios. Sin embargo debía ser capaz de cambios
mutacionales. Sin mutaciones no existiría el proceso evolutivo.
Muchos científicos se interesaron en descifrar
la estructura del ADN, entre ellos, Francis Crick, James Watson,
Rosalind Franklin, y Maurice Wilkins.
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| Maurice
Wilkins (1999) |
Rosalind
Franklin(1920-1958) |
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| Watson en la Conferencia de
Asilomar, Estados Unidos (1979) |
Watson (23 años) y Crick (34 años)
Laboratorio Cavendish, Cambridge, Inglaterra circa 1953) |
Watson y Crick
integraron todos los datos disponibles en
un intento de desarrollar un modelo de la estructura del ADN.
Franklin tomó fotomicrografías de difracción de rayos X de
cristales de ADN, que fueron la pieza clave del rompecabezas. Los
datos que se conocían por ese tiempo eran :
1) que el ADN era una molécula grande también
muy larga y delgada.
2) los datos de las bases proporcionados por
Chargaff (A=T y C=G; purinas/pirimidinas=k para una misma
especie).
3) los datos de la difracción de los rayos-x
de Franklin y Wilkins
(King's College de Londres).
4) los trabajos de Linus Pauling sobre
proteínas (forma de hélice mantenida por puentes hidrógeno),
quién sugirió para el ADN una estructura semejante.
El ADN es una doble hélice, con las bases
dirigidas hacia el centro, perpendiculares al eje de la molécula
(como los peldaños de una escalera caracol) y las unidades
azúcar-fosfato a lo largo de los lados de la hélice (como las
barandas de una escalera caracol). Las hebras que la conforman
son complementarias (deducción realizada por Watson y
Crick a partir de los datos de Chargaff, A se aparea con T y C
con G, el apareamiento se mantiene debido a la acción de los
puentes hidrogeno entre ambas bases). Tome nota que una purina
con doble anillo siempre se aparea con una pirimidina con un solo
anillo en su molécula.
Las purinas son la Adenina (A) y la Guanina
(G). Durante este curso hablamos del Adenosin trifosfato (ATP),
pero en ese caso el azúcar era la ribosa, mientras que en el ADN
se encuentra la desoxirribosa.
Las Pirimidinas son la Citosina (C) y la Timina
(T).
Las bases son complementarias, con
A en un lado de la molécula únicamente encontramos T del otro
lado, lo mismo ocurre con G y C. Si conocemos la secuencia de
bases de una de las hebras, conocemos su complementaria.
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Note que mientras
una hebra va de 3' a 5' la otra lo hace de 5' a 3' (antiparalelas) |
Replicación del
ADN | Contenidos
Una vez que se comprobó que el ADN era el
material hereditario y se descifró su estructura, lo que quedaba
era determinar como el ADN copiaba su información y como la
misma se expresaba en el fenotipo. Matthew Meselson y Franklin W.
Stahl diseñaron el experimento para determinar el método de la replicación del ADN. Tres modelos de replicación era plausibles.
1. Replicación conservativa
durante la cual se produciría un ADN completamente nuevo durante
la replicación.
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2. En la replicación
semiconservativa se originan dos moléculas de ADN, cada una
de ellas compuesta de una hebra de el ADN original y de una hebra
complementaria nueva. En otras palabras el ADN se forma de una
hebra vieja y otra nueva. Es decir que las hebras existentes
sirven de molde complementario a las nuevas.
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3. La replicación dispersiva
implicaría la ruptura de las hebras de origen durante la
replicación que, de alguna manera se reordenarían en una
molécula con una mezcla de fragmentos nuevos y viejos en cada
hebra de ADN.
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El experimento de Meselson-Stahl consiste en
cultivar la bacteria Escherichia coli en un medio que
contenga nitrógeno pesado (15Nitrógeno que es mas pesado que el
isótopo mas común: el 14Nitrógeno ). La primera generación
de bacterias se hizo crecer en un medio que únicamente contenía 15Nitrógeno como fuente de N. La bacteria se transfirió luego a
un medio con 14N. Watson y Crick habían pronosticado que la
replicación del ADN era semiconservativa, de ser así el ADN
extraído de las bacterias luego de cultivarlas por una
generación en 14N tendría un peso intermedio entre el ADN
extraído del medio con 15N y el del extraído de medio con 14N y así fue.
Los detalles del experimento que incluye un
proceso de ultracentrifugación en cloruro de Cesio (CeCl2) puede
encontrarse en el Curtis.
La replicación del ADN, que ocurre una sola vez
en cada generación celular, necesita de muchos
"ladrillos", enzimas, y una gran cantidad de energía
en forma de ATP (recuerde que luego de la fase S del ciclo celular las células pasan a una fase
G a fin de, entre otras
cosas, recuperar energía para la siguiente fase de la división
celular). La replicación del ADN en el ser humano a una
velocidad de 50 nucleótidos por segundo, en procariotas a
500/segundo. Los nucleótidos tienen que se armados y estar
disponibles en el núcleo conjuntamente con la energía para
unirlos.
La iniciación de la replicación siempre
acontece en un cierto grupo de nucleótidos, el origen de la replicación, requiere entre otras de las enzimas
helicasas para romper los puentes hidrógeno y las
topoisomerasas
para aliviar la tensión y de las proteínas de unión a
cadena simple para mantener separadas las cadenas abiertas.
Una vez que se abre la molécula, se forma una
área conocida como "burbuja de replicación" en ella
se encuentran las "horquillas de replicación" . Por
acción de la la ADN polimerasa los nuevos nucleótidos entran en
la horquilla y se enlazan con el nucleótido correspondiente de
la cadena de origen (A con T, C con G). Los procariotas abren una
sola burbuja de replicación, mientras que los eucariotas
múltiples. El ADN se replica en toda su longitud por confluencia
de las "burbujas".
Dado que las cadenas del ADN son antiparalelas,
y que la replicación procede solo en la dirección 5' to 3'
en ambas cadenas, numerosos experimentos mostraron que, una
cadena formará una copia continua, mientras que en la otra se
formarán una serie de fragmentos cortos conocidos como
fragmentos de Okazaki . La cadena que se sintetiza de manera
continua se conoce como cadena adelantada y, la que se
sintetiza en fragmentos, cadena atrasada.
Para que trabaje la ADN polimerasa es necesario
la presencia, en el inicio de cada nuevo fragmento, de pequeñas
unidades de ARN conocidas como cebadores, a posteriori,
cuando la polimerasa toca el extremo 5' de un cebador, se
activan otras enzimas, que remueven los fragmentos de ARN,
colocan nucleótidos de ADN en su lugar y, una ADN ligasa
los une a la cadena en crecimiento.
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Traducción, redacción y diagramación a cargo de :
Dr. Jorge S. Raisman, lito@unne.edu.ar _
Ing. Ana María Gonzalez, amgonza@unne.edu.ar
Actualizado en Febrero del 2000. Reproducción autorizada únicamente con fines educativos citando su origen.
Se agradecen comentarios y sugerencias.
 | ADN (ácido
desoxirribonucleico) |
Un ácido nucleico compuesto de dos
cadenas polinucleotídicas que se disponen alrededor de
un eje central formando una doble hélice, capaz de
autorreplicarse y codificar la síntesis de ARN.
Lugar donde esta "depositada" la
información genética.
Ácido nucleico que funciona como soporte
físico de la herencia en el 99% de las especies. La
molécula, bicatenaria, esta formada por dos cadenas
antiparalelas y complementarias entre si. Su unidad
básica, el nucleótido, consiste en una molécula del
azúcar desoxirribosa, un grupo fosfato, y una de estas
cuatro bases nitrogenadas: adenina, timina, citosina y
guanina. Fórmula
| Alelo (del griego allelon = "el uno al
otro", recíprocamente): Formas alternativas de un gen,
se hereda separadamente de cada padre (p. ej. en el locus
para el color de ojos puede haber un alelo para ojos azules o uno para ojos
negros). Uno o más estados alternativos de un gen.
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| Asilomar: Conferencia
realizada en 1974 donde se acordaron las bases de una precaria
"moratoria" en las investigaciones de ingeniería genética. |
| Cromosomas (del griego chroma = color;
soma = cuerpo): Estructuras del núcleo de la
célula eucariota que consiste en
moléculas de ADN (que contienen los genes) y proteínas
(principalmente histonas). |
| Crossing over (del inglés entrecruzamiento): Proceso
que ocurre en la meiosis e incluye la ruptura de un
cromosoma materno y uno paterno (homólogos), el
intercambio de las correspondientes secciones de ADN y su
unión al otro cromosoma. Este proceso puede resultar en un intercambio de alelos entre cromosomas |
| Evolución (del latín e-
= fuera; volvere = girar): Cambio de los organismos
por adaptación, variación, sobrerreproducción y reproducción/ sobrevivencia diferencial, procesos a los que
Charles Darwin y Alfred Wallace se refirieron como selección
natural. |
| Eucariotas (del griego eu
= bueno, verdadero; karyon = núcleo, nuez): organismos
caracterizados por poseer células con un núcleo verdadero
rodeado por membrana. El registro arqueológico muestra su
presencia en rocas de aproximadamente 1.200 a 1500 millones de
años de antigüedad |
| Gameto (del griego gamos = "unión de los
sexos", esposa): Célula reproductora haploide(n)
que cuando su núcleo se fusiona con otro gameto (n) del sexo opuesto origina
un cigoto (2n), que por mitosis desarrolla un individuo con células somáticas
diploides (2n), en algunos hongos y protistas puede, por meiosis, producir
células somáticas haploides (n)
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| Genética : el estudio de la herencia de los caracteres |
| Genes (del griego genos =
nacimiento, raza; del latín genus = raza, origen): segmentos
específicos de ADN que controlan las estructuras y funciones
celulares; la unidad funcional de la herencia. Secuencia de bases
de ADN que usualmente codifican para una secuencia polipeptídica
de aminoácidos. Tema
ampliado |
| Genotipo: La totalidad de los alelos de un organismo. |
| Haploide (del griego haploos = simple, ploion
= nave): Célula que contiene solo un miembro de cada cromosoma
homólogo (número haploide = n)
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| Herencia (del
latín haerentia= pertenencias, cosas vinculadas)
Transmisión de características de padres a hijos. |
| Hipótesis (del griego hypo (como
prefijo) = debajo, tithenai = poner): idea que puede ser
sometida a experimentación y si no se convalida es descartada;
idea con el menor nivel de confiabilidad. |
| Homólogos: Un par de cromosomas en cual un miembro del par tiene origen materno y el otro paterno; se los
encuentra en células diploides
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| Isótopo (del griego isos = igual, topos
= lugar): átomos con el mismo número atómico pero con un diferente
número de neutrones; se los nombra agregando el número de masa
al nombre del elemento, p.ej. carbono 12 o 12C;
carbono 14 o 14C. |
| Locus (del latín: lugar, plural loci): Posición que ocupa un
determinado gen en un cromosoma. |
| Meiosis (del griego meio = menor; meiosis = reducción):
División celular en la cual la copia de los cromosomas es seguida por dos
divisiones nucleares. Cada uno de los cuatro gametos
resultantes recibe la mitad del número de cromosomas (número haploide) de la célula original
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| Monómero (del griego monos = solo, meros =
parte) molécula pequeña que se encuentra repetitivamente en otra más grande (polímero)
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| Número atómico: el número de
protones en el núcleo de un átomo. |
| Polímero(del griego polys
= muchos, meros = parte): Molécula compuesta por muchas
subunidades idénticas o similares. |
| Proteínas: (del griego proteios
= primario, del griego Proteo, dios mitológico que
adoptaba numerosas formas). Polímeros
constituidos por aminoácidos que intervienen en numerosas
funciones celulares. Una de las clases de macromoléculas
orgánicas que tienen funciones estructurales y de control en los
sistemas vivientes. Las proteínas son polímeros de aminoácidos
unidos por uniones peptídicas. |
| Radioactividad (del latín radius = rayo): Energía emitida por los
núcleos inestables de determinados isótopos
(los así llamados "radioactivos") en forma de ondas o
partículas |
| Recombinación: El proceso por el cual se produce en la progenie
una combinación de genes diferentes a los de los padres. En los organismos
superiores por el proceso de entrecruzamiento (crossing
over)
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| Replicación del ADN ( del
latín replere = rellenar): El uso de un ADN existente
como molde para la síntesis de nuevas hebras de ADN. Proceso que
en eucariotas ocurre en el núcleo. |
| Teoría cromosómica de la herencia:
sostiene que los factores hereditarios (los genes)
están situados sobre los cromosomas, que su ordenamiento
es lineal y que, al fenómeno hereditario de la
recombinación, le corresponde un fenómeno en el ámbito
celular: el intercambio de segmentos cromosómicos por
"sobrecruzamiento" (crossing over) |
| Transformación
: 1. Proceso de introducción de ADN exógeno en una bacteria por
medios físicos o químicos. 2. Conversión de una célula animal
fenotípicamente normal en una célula con crecimiento
descontrolado, por acción de un virus oncogénico. Se
manifiesta además en alteraciones de la forma celular y en la pérdida
de inhibición por contacto. |
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FACILITADO POR HIPERTEXTOS
DEL ÁREA DE LA BIOLOGÍA
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