miércoles, 8 de febrero de 2012

BITÁCORA UNIDAD I


INSTITUTO TECNOLOGICO DE ALTAMIRANO

MATERIA: BIOLOGÍA MOLECULAR


PROFESOR: FRANCISCO XAVIER PUCHE ACOSTA


LIC EN BIOLOGIA           VI SEMESTRE


ALUMNA:

LAURA ORTEGA TORRES





UNIDAD I: INTRODUCCIÓN A LA BIOLOGÍA MOLECULAR

Los acontecimientos fisiológicos que acontecen en nuestro organismo están modulados por múltiples factores actuando  a distintos niveles biológicos: molecular,  subcelular, celular, de órgano o de tejido y de organismo completo. Hasta hace poco tiempo, el estudio de las enfermedades humanas consistía exclusivamente en el estudio de las anomalías que se producían  a nivel del organismo completo o  a nivel de determinados órganos o tejidos en particular.
El termino biología molecular fue utilizado por primera vez en 1945 por William Astbury para referirse al estudio de la estructura química y física de las macromoléculas biológicas.
La Biología Molecular es una ciencia cuyo objetivo fundamental es la comprensión de todos aquellos procesos celulares, que contribuyen a que la información genética se transmita eficientemente de unos seres a otros, y se exprese en los nuevos individuos. 
La Biología Molecular se ocupa entonces de la estructura y funciones de las entidades de dimensiones inferiores a las de las células estudiadas en la biología clásica, pero superiores a las de moléculas, estudiadas por los métodos químicos tradicionales. Por lo tanto, trata de las bases moleculares que subyacen a los procesos biológicos.
Según Benjamin Lewin, el paradigma de la Biología Molecular es que los genes codifican proteínas que a su vez son responsables de la síntesis de otros tipos de estructuras, incluyendo los ácidos nucleicos y las propias proteínas.

1.1 EL DESARROLLO DE LA BIOLOGÍA MOLECULAR.

1.1.1 EL DESCUBRIMIENTO DEL PRINCIPIO TRANSFORMANTE.

EL NACIMIENTO DE LA BIOLOGÍA MOLECULAR

La biología molecular nace formalmente en 1953, con la publicación del modelo estructural del ácido desoxirribonucleico adn o, de manera universal, dna por sus siglas en inglés propuesto por James Watson, Maurice Wilkins, Rosalind Franklin y Francis Crick. En ese entonces también se fraguaba, de manera por demás importante, el concepto de que la biología obedecía a fenómenos físicos y químicos cuantificables; esto es, que la biología no era meramente una disciplina descriptiva sino también cuantitativa.
Como sabemos que los genomas están compuestos de DNA?
En el caso de los cromosomas nucleares eucarióticos, es relativamente sencillo demostrar este hecho mediante la utilización de pruebas histoquímicas y fisicas. Los colorantes que se unen al DNA, como Feulgen, tiñen principalmente los cromosomas nucleares y también mitocondrias y cloroplastos. Además si se fraccionan los componentes de una masa de células, se observa claramente que la mayor parte del DNA aparece en la fracción nuclear y el resto en las mitocondrias y cloroplastos.


 EXPERIMENTOS DE GRIFFITH (1928)

El descubrimiento de la trasformación. En 1928 en el transcurso de sus experimentos con la bacteria Streptococcus pneumoniae, Frederick Griffith había hecho una misteriosa observación. Esta bacteria humana causante de la neumonía humana, es normalmente letal para los ratones. Sin embargo, han aparecido diferentes cepas que difieren en su virulencia. Griffith utilizo en sus experimentos dos cepas que se distingan por la apariencia de las colonias crecidas en laboratorio. Las células de una de las cepas, de tipo virulento normal, están rodeadas por una cápsula de polisacáridos que le da a la colonia apariencia lisa (smooth en ingles); de ahí llamada estirpe S. Las células de la otra cepa (un tipo mutante) no virulento que se reproduce en los ratones pero no es letal, carecen de esta cápsula de polisacáridos, lo cual hace que las colonias tengan apariencia rugosa; esta es la denominada estirpe R.
El experimento de Griffith, llevado a cabo en 1928, fue uno de los primeros experimentos que demostró que las bacterias eran capaces de transferir información genética mediante un proceso llamado transformación.
En 1928, el microbiólogo Frederick 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 que la rugosa (R), no lo era ya que la cepa S se cubre a si 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 inmunitario. Cuando, inactiva por calor, la cepa S era inyectada, no había secuelas y el ratón vivía.





Griffith mato algunas células virulentas, hirviéndolas e inyecto las células muertas en ratones. Los ratones sobrevivieron, demostrando así que las cápsulas de las células no provocan la muerte.
Sin embargo, ratones inyectados con una mezcla de células no virulentas vivas y células virulentas muertas, murieron. Además podían recuperarse  bacterias vivas de los ratones muertos; esta producían colonias lisas y en subsiguientes inyecciones eran virulentas. De alguna manera, los restos celulares de las células S hervidas habían convertido a las células S vivas. Este proceso se denomina transformación.

EXPERIMENTOS DE AVERY Y COLABORADORES (1944)


Este mismo método básico se utilizó para determinar la composición  del “principio trasformante.
En 1944, Oswald Avery, C. MacLeod y M. McCarty separaron los distintos tipos de moléculas que se encuentran en las células S muertas y estudiaron su capacidad de transformación por separado. 


Estas pruebas demostraron, en primer lugar, que los propios polisacáridos no trasformaban a las células rugosas. Por tanto la cubierta de polisacáridos, aunque claramente implicada en la acción patogénica, es solo la expresión fenotípica de la virulencia. Tras el escrutinio de los diferentes compuestos (Polisacáridos, Lípidos, RNA, Proteínas y DNA), Avery y col. Descubrieron que solo DNA, inducía la transformación de las células R, dedujeron que el DNA es el agente que determina la aparición del polisacárido y, por tanto, del carácter patogénico. Es mas, parece ser que proveer  a las células R del DNA de las células S es equivalente a ¡proveerlas de los genes de las células S!!.




OSWALD AVERY




NACIMIENTO
21 DE OCTUBRE DE 1877
HALIFAX,NUEVA ESCOCIA , CANADÁ

FALLECIMIENTO
2 DE FEBRERO DE 1955
CAMPO
GENÉTICA
ALMA MÁTER           
UNIVERSIDAD DE COLUMBIA
CONOCIDO POR     
DESCUBRIMIENTOS SOBRE EL ADN

EXPERIMENTOS DE HERSEY Y CHASE (1952)




Estructura y partes de un Fago T2

La mayor parte de la estructura de un fago es proteína, estando el DNA en el interior de la envuelta proteica o “cabeza”.
En las proteínas no se encuentra fósforo, que si forma parte del DNA; inversamente, el azufre esta presente e las proteínas pero nunca en el DNA.
Hersey y Chase marcaron el DNA del fago con un radioisótopo del fósforo (P32)  y las proteínas con azufre (S35), en cultivos distintos de fagos. Usaron entonces cada cultivo por separado, para infectar E. coli con muchas partículas de virus por cada célula.
Tras dejar tiempo suficiente para que se produjera la infección, separaron de las células bacterianas las carcasas vacías de los fagos llamadas “fantasmas” mediante agitación con una batidora de cocina.
Separaron las células bacterianas de los fantasmas de los fagos, mediante centrifugación, y midieron entonces la radioactividad en las dos fracciones. Cuando se usaron los fagos con P32, la mayor parte de la radioactividad terminaba en las células bacterianas, indicando que el DNA viral entraba en las células. También podía recuperarse P32 de los fagos descendientes. Cuando se usaron fagos los fagos marcados con S35, la mayor parte de la radiactividad terminaba en los fantasmas virales, indicando que la proteína viral nunca entra en la célula bacteriana.







Esquema del experimento de Hersey y Chase






1.1.2 EL DESCUBRIMIENTO DE LA ESTRUCTURA DEL ADN.

Los primeros que tuvieron éxito en descubrir la estructura fueron Watson y Crick en 1953- tuvieron en cuenta dos tipos de pistas. En primer lugar, Rosalind Franklin y Maurice Wilkins, habían acumulado muchos datos de difracción de rayos X sobre la estructura de DNA.
DNA B


Difracción de rayos x

El segundo tipo de datos procedía del trabajo de años antes de Edwin Chargaff. Estudio DNA de diferentes organismos, Chargaff estableció ciertas reglas empíricas sobre las cantidades de cada componente del DNA:
Erwin Chargaff analizó la composición de bases de distintos organismos y encontró distintas proporciones de los 4 nucleótidos en cada uno de los organismos estudiados. También observó que esta composición no cambiaba con la edad ni el ambiente. Pero lo más importante es que había tantas purinas como pirimidinas en todos los organismos. Las reglas de Chargaff son:

1.    la cantidad total de nucleótidos pirimidinicos (T + C) es siempre igual a al cantidad total de nucleótidos púricos (A + G).
2.    la cantidad de T es siempre igual a la de A y la cantidad de C es siempre igual a la de G. pero A + T no necesariamente es igual a C+G



En los primeros análisis de difracción de R-X realizados por Rosalyn Franklin se observaba que el DNA tenía un espaciado regular de 0,34 nm. Éste y otros indicios indicaban que debe tener algún tipo de estructura en hélice que se repite periódicamente, los datos sugerían que el DNA era largo y fino y que consta de dos partes separadas que corre una al lado de la otra a lo largo de la molécula, también demostraba que la molécula era helicoidal.
Watson y Crick construyeron un modelo que cumpliera todas las investigaciones que sobre el DNA se habían realizado hasta la fecha y propusieron, además, cómo tenía que conservarse y transmitirse la información de esta molécula.


1.1.3 EL DESCUBRIMIENTO DEL CÓDIGO GENÉTICO.


El código genético asocia a cada triplete de bases del ADN, llamado codón, un aminoácido concreto. Con los cuatro tipos de bases (U, uracilo; A, adenina; G, guanina; y C, citosina) que forman la molécula de ARN, sintetizada de manera complementaria a partir de la de ADN, se pueden formar 64 tripletes distintos (por ejemplo, UAC, UGG y AUC, entre otros). Cada codón se atribuye a un aminoácido concreto de los veinte posibles sin ninguna ambigüedad. Como hay menos aminoácidos que codones, algunos de aquéllos quedan designados por varios de éstos. Así, los seis tripletes UUA, UUG, CUU, CUC, CUA y CUG designan el aminoácido leucina y los dos AGU y AGC la serina; en cambio, el triptófano queda designado por un solo codón, UGG. La mayor parte de los aminoácidos están determinados de manera casi unívoca por sus dos primeras bases y, en muchos casos, el tercer nucleótido es un complemento indiferente o designa otro aminoácido de una familia próxima. Esta propiedad contribuye a limitar las consecuencias de los errores de copia o lectura.

La forma en que la clave genética fue descifrada como se determinaron los aminoácidos concretos representados por cada triplete- constituye una de la aventuras biológicas mas apasionantes en las ultimas décadas. Una vez que estuvieron disponibles las técnicas experimentales adecuadas, la clave genética se descifro en un suspiro.

Numero de letras de cada codón: se partió del hecho de que la clave debería ser de 3 letras; porque? Si la clave fuera de una letra (nucleótido : A, G, C, U) solo habría cuatro aminoácidos diferentes (4 letras diferentes). La clave genética no podría ser asi, pr que se necesitaría una distinta para cada uno de los 20 aminacidos!
Si la clave fuera de 2 letras, entonces seria posible 42 = 16; por ejemplo, AU, CU o CC, este vocabulario no seria todavía suficientemente variado.
Si la clave fuera de 3 letras, entonces seria posible 43 = 64; por ejemplo AUU, GCC o UGC. Esta clave ofrece mas combinaciones que las necesarias para los aminoácidos.
Y hacia 1961 parecía claro que estos codones no eran solapados.

El primer paso para el desciframiento fue el descubrimiento de cómo fabricar RNAm sintético. Si los nucleótidos que conforman el RNA se mezclan con una enzima especial (fosforilasa de los polinucleotidos) se forma una cadena sencilla de RNA de la reacción. Esta síntesis no requiere ADN y los nucleotidos se incorporan al azar. La capacidad de sintetizar RNA habria la posibilidad de crear secuencias especificas de ARN y comprobar que aminoácidos se incorporaban al utilizarlas como RNAm.
El primer mensajero sintético obtenido, Poli(U), se fabrico mezclando solo nucleótidos de U, produciendo asi –UUUUUUUU-.
En 1961 Marshal Nirenberg y Heinrich Mathaei mezclaron in vitro Poli (u) y la maquina sintetizadora de proteínas de E. coli (Ribosomas, RNAt, energía, varias enzimas y algunas cosas mas) y observaron la formación de una proteína!! Resultando como secuencia de proteína ser una ristra de Fenilalanina. Así pues, el triplete UUU debe ser el codon de fenilalanina.




1.1.4 EL MODELO DEL OPERÓN.

1.2 LA BIOLOGÍA MOLECULAR EN MÉXICO.

La biología molecular nace formalmente en 1953, con la publicación del modelo estructural del ácido desoxirribonucleico ADN o, de manera universal, DNA por sus siglas en inglés propuesto por James Watson, Maurice Wilkins, Rosalind Franklin y Francis Crick. En ese entonces también se fraguaba, de manera por demás importante, el concepto de que la biología obedecía a fenómenos físicos y químicos cuantificables; esto es, que la biología no era meramente una disciplina descriptiva sino también cuantitativa. Es así que el inicio de la biología molecular fue influido en gran medida por los físicos, destacando Max Delbruck, quien se dedicó a la genética después de una trayectoria en la física teórica y quien estimuló a otro físico, Erwin Schrodinger, a escribir su importante libro ¿Qué es la vida?
La biología molecular nace, asimismo, de la bioquímica. La bioquímica en sí, se gestó dentro del pensamiento cuantitativo, particularmente con la visión de que la vida se podía explicar a través de una serie de reacciones químicas, catalizadas por enzimas. Así se construyeron los grandes esquemas de las vías metabólicas que incluyen, entre otros muchos, el ciclo de Krebs, el ciclo de la urea, la cadena respiratoria, la biosíntesis de ácidos grasos, de las hormonas, y de las vitaminas y la fotosíntesis.


1.3 PERSPECTIVAS FUTURAS DE LA BIOLOGÍA MOLECULAR.


Después de que los científicos lograron identificar el ADN como la molécula que contiene la mayoría, si no toda, de la información genética de una célula el mero campo de la geneática molecular avanzo rápidamente a finales de la decada de los años 50 y principios de los años 60 proporcionado nuevos conceptos a una velocidad que solo puede compararse con la del desarrollo de al mecánica cuántica de los años 20. el éxito inicial y la acumulación  de una gran cantidad de información permitieron a los investigadores aplicar las técnicas y los moderno métodos biológicos de la genética molecular.

Las aplicaciones de la biología molecular y campo de estudio

  • Estudios en investigación molecular básica y aplicada:
  • Clonación genética e hibridación
  • Tecnología del ADN Recombinante o ingeniería genética (organismos transgenicos)
  • Reacción en Cadena de la Polimerasa (RCP)
  • Aislamiento de DNA y RNA (Southern y Northern)
  • La tecnología denominada huella de ADN (DNA fingerprinting)
  • Procedimiento denominado secuenciación de ADN
  • Terapia génica
  • Genes interrumpidos (Knock out)
  • Control de la expresión génica
  • Terapia germinal (células madres)
  • Creación de genotecas (bibliotecas de ADN)
  • Taxonomia genética y evolucionismo
  • Otros.
La investigación sobre el ADN tiene un impacto significativo, especialmente en el ámbito de la medicina. A través de la tecnología del ADN recombinante los científicos pueden modificar microorganismos que llegan a convertir en auténticas fábricas para producir grandes cantidades de sustancias útiles. Por ejemplo, esta técnica se ha empleado para producir insulina (necesaria para los enfermos de diabetes) o interferón (muy útil en el tratamiento del cáncer). Los estudios sobre el ADN humano también revelan la existencia de genes asociados con enfermedades específicas como la fibrosis quística y determinados tipos de cáncer. Esta información puede ser valiosa para el diagnóstico preventivo de varios tipos de enfermedades.

La medicina forense utiliza técnicas desarrolladas en el curso de la investigación sobre el ADN para identificar delincuentes. Las muestras de ADN tomadas de semen, piel o sangre en el escenario del crimen se comparan con el ADN del sospechoso; el resultado es una prueba que puede utilizarse ante los tribunales..

El estudio del ADN también ayuda a los taxónomos a establecer las relaciones evolutivas entre animales, plantas y otras formas de vida, ya que las especies más cercanas filogenéticamente presentan moléculas de ADN más semejantes entre sí que cuando se comparan con especies más distantes evolutivamente. Por ejemplo, los buitres americanos están más emparentados con las cigüeñas que con los buitres europeos, asiáticos o africanos, a pesar de que morfológicamente y etológicamente son más similares a estos últimos.

La agricultura y la ganadería se valen ahora de técnicas de manipulación de ADN conocidas como ingeniería genética y biotecnología. Las estirpes de plantas cultivadas a las que se han transferido genes pueden rendir cosechas mayores o ser más resistentes a los insectos. También los animales se han sometido a intervenciones de este tipo para obtener razas con mayor producción de leche o de carne o razas de cerdo más ricas en carne y con menos grasa.


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