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.
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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