Titulo: Reproducción Celular y Conceptos Básicos de Genética Unidad: 1
Primera Parte:
El Material Hereditario.
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.
• 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.
• 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.
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, 1844-1895
• 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 1910. Albrecht Kossel, 1853-1927
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
• 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, 1879-1941.
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.
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.
• 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, 1877 – 1955.
Experimento de Avery.
La imagen a continuación, representa una descripción del protocolo de trabajo desarrollado por Avery, Mc Leod y Mc Carty en 1944.
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.
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.
Alfred Hershey 1908-1997 Martha Chase
1927-2003.
Experimento de Hershey y Chase
La imagen a continuación, representa una descripción del protocolo de trabajo desarrollado Hershey y Chase en 1952.
Descripción del experimento de Hershey y Chase.
1. Hershey y Chase marcaron fagos con isótopos radiactivos de S35 y P32. El azufre radiactivo (S35) se une exclusivamente a las proteínas, mientras que el fósforo radiactivo (P32) 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.
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
• 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.
•
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.
• 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.
5. Formulación del modelo actual de ADN
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).
• 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, 1905-2002
• 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.
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.
• 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, 1920-1958
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 1928-
Francis Crick 1916-2004
• 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).
- 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)
- 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.
- 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.
- 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.
-
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.
• 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.
• 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.
