Los ácidos nucleicos y el ADN como material genético

1. Los ácidos nucleicos y el ADN como material genético Historia sobre la Naturaleza química de los genes

2. Los ácidos nucleicos como biomoléculas ¿QUÉ ES UNA BIOMOLÉCULA? • Son sustancias estrechamente relacionadas con los procesos vitales, presentes en todas las células por lo que son indispensables para la vida. ¿CUÁLES SON LAS BIOMOLÉCULAS? Carbohidratos. Lípidos. Proteínas. Ácidos nucleicos.

3. ¿CUÁL ES LA FUNCIÓN QUE DESEMPEÑAN ? • Los carbohidratos, lípidos y proteínas, al ser metabolizados producen: • Energía. • Regulación de procesos celulares • Nuevos materiales celulares . ¿QUÉ PASA CON LOS ÁCIDOS NUCLEICOS ? • Nuestro metabolismo no los transforma a energía o a nuevos materiales. • Participan en la transmisión de los caracteres hereditarios y en la • Síntesis de proteínas que permiten el control del metabolismo celular.

4. ¿CUÁLES SON LOS ÁCIDOS NUCLEICOS? • Son dos tipos principales de moléculas llamadas: • DNA o ácido desoxirribonucleico. • RNA o ácido ribonucleico. ¿DÓNDE SE ENCUENTRAN ESTAS MOLÉCULAS ? Se encuentran en el interior de la célula. El DNA se encuentra principalmente en el núcleo celular y una pequeña cantidad en las mitocondrias y los cloroplastos. El RNA se encuentra en el núcleo y en el citoplasma celular. El 80% del RNA se encuentra en los ribosomas

5. La mayor parte del RNA se encuentra en los ribo- somas Núcleo celular (fibra de cromatina) Mitocondrias • El DNA se encuentra en: DNA

6. ¿QUÉ SUCEDE CON EL MATERIAL GENETICO COMO LA CROMATINA AL MOMENTO DE LA DIVISIÓN CELULAR? Sufre una serie de enrollamientos y acortamientos transformándose en pequeñas estructuras llamadas cromosomas, las cuales se ven dobles o duplicados. Las células humanas presentan 23 pares de cromosomas. Cada cromosoma consiste en dos hebras llamadas cromátidas, las cuales se unen en una región llamada centrómero o cinetocoro. El DNA queda en el interior de estas estructuras formando unidades llamadas genes. Nuestra información está almacenada en unos 25.000 a 35.000 genes, de acuerdo a las investigaciones derivadas del proyecto genoma humano.

7. Cromosomas Genes Cromátidas Cinetocoro o centrómero

8. Papel genético del DNAen la transmisión de la herencia APORTES DE DIFERENTES CIENTIFICOS AL DESCUBRIMIENTO DEL ADN COMO MATERIAL GENETICO

9. ¿CÓMO SE LOGRÓ ESTABLECER LA RELACIÓN DEL DNA CON LA HERENCIA? • En 1869 se iniciaron los trabajos que permitieron encontrar “quien” o “que” era el responsable de la herencia. • Para ello se consideraron los siguientes aspectos: • Los cromosomas están relacionados con la herencia. • Están formados por proteínas, DNA y RNA. • Alguno de estos tres componentes debe ser el responsable de la herencia. • Quién resulte responsable, deberá tener la capacidad de duplicarse a si mismo.

10. ¿QUIÉNES COLABORARON EN ESTA INVESTIGACIÓN? • Para lograr establecer la relación del DNA con la herencia, fue necesaria la participación de varios investigadores, entre ellos: • Friedrich Miescher. • Wilhelm Roux • Oscar Hertwing • Robert Feulgen • Fred Griffith. • Avery, McLeod y McCarty. • Phoebus Aaron Levene • Erwin Chargaff. • James Watson y Francis Crick.

11. ¿QUE APORTÓ FRIEDRICH MIESCHER? En 1869 logró aislar, del núcleo de glóbulos blancos, una sustancia a la que denominó nucleina. Años más tarde, a esta sustancia se le dio el nombre de ácido nucleico. Aun cuando Miescher no pudo establecer la función de dicha sustancia, en la década de 1880, algunos investigadores la empezaron a relacionar con la herencia. Tuvieron que pasar varios años para que esto fuera un hecho demostrado. Glóbulos blancos

12. APORTE DE: Wilhelm Roux: • En 1880 postuló que la información genética estaba en los cromosomas. Oscar Hertwing: En 1884 estableció que la información genética se encontraba en la cromatina que conformaba los cromosomas. Robert Feulgen: Utilizando un colorante llamado fucsina logra teñir al DNA, observando que esta sustancia se encontraba en todos los núcleos de las células eucarióticas, especialmente en los cromosomas.

13. APORTE DE: Frederick Griffith • En 1928 trabajó con una bacteria llamada neumococo. • Esta bacteria está relacionada con una enfermedad llamada neumonía. • Griffith observó que los neumococos eran de dos tipos: • Neumococos lisos, los cuales provocaban la enfermedad (S). • Neumococos rugosos, los cuales no provocaban la enfermedad (R). • También observó que los neumococos rugosos se podían convertir en neumococos lisos. neumococos

14. ¿CÓMO EXPLICÓ ESTO GRIFFITH? ¿Cómo es posible que un neumococo “R” que no provoca la enfermedad se transforme en uno “S” que si la provoca? Esto lo explicó con ayuda del siguiente experimento: Inyectó neumococos S o capsulados vivos a un grupo de ratones, los ratones murieron a causa de la neumonía; al analizar su sangre encontró neumococos S vivos. Neumococos S vivos +

15. Inyectó neumococosRugosos sin cápsulavivos a un grupo de ratones, los ratones permanecieron sanos; al analizar su sangre encontró neumococosRvivos. Neumococos R vivos + Inyectó neumococos S o capsuladosmuertos a un grupo de ratones, los ratones permanecieron sanos; al analizar su sangre encontró neumococosSmuertos. Neumococos S muertos +

16. Inyectó una mezcla de neumococos R sin cápsula vivos y S encapsulados pero muertos por calor a un grupo de ratones Neumococos R vivos + S muertos + Los ratones murieron a causa de la neumonía, al analizar su sangre encontró neumococosSvivos. Los neumococos R se convirtieron en S. Griffith concluye diciendo: Los neumococos “S” muertos transmitieron algún agente a los “R” vivospara transformarlos a “S” vivos. A este agente transformador de las bacterias le dio el nombre de “principio transformador” y no pudo determinar su naturaleza.

17. EL APORTE DE GRIFFITH

18. Papel genético del DNANuevos aportes científicos

19. RETOMANDO A GRIFFITH? • Frederick Griffith postuló la existencia de un “principio transformador de las bacterias”. • El no pudo establecer la naturaleza química de dicho principio transformador; su trabajo lo continuaron tres investigadores: APORTE DE: Oswald Avery, Colin McLeod y Maclyn McCarty: • En 1944 lograron aislar el principio transformador que había porstulado Griffith. • Encontraron que dicho principio era el DNA. • Establecieron que: “el DNA es el material responsable de la transformación genética de las bacterias” “El DNA es el material de la herencia”

20. APORTE DE HERSHEY Y CHASE 1952 Demuestran con su experimento con virus que el ADN viral era el causante de la infección y de la transferencia genética y no las proteínas que conforman la cápside o envoltura viral. Utilizan elementos radiactivos como P y S “marcados”. “El DNA es el material de la herencia y no las proteínas”

21. NUEVAS INTERROGANTES • A raíz del descubrimiento de Avery, McLeod y McCarty, surgen nuevas preguntas con respecto al material hereditario: • ¿Cómo es el DNA? • ¿En que parte tiene la información genética? • ¿Cómo se organiza esta información? • ¿A qué se refiere la información que tiene el DNA? • ¿Cómo se transmite esta información de padres a hijos? Estos cuestionamientos fueron resueltos por otros investiga-dores, entre ellos: Levene, Chargaff, Watson y Crick.

22. APORTE DE: Phoebus Aaron Levene (1920): Este investigador ruso, estableció que en la composición química del DNA participaban las siguientes sustancias: Cuatro bases nitrogenadas: adenina, guanina, citosina y timina Una molécula de azúcar: la desoxirribosa Un grupo fosfato:

23. APORTE DE: Erwin Chargaff: Entre 1949-1951, utilizó una nueva técnica para analizar la composición de bases nitrogenadas de diversas fuentes de DNA, logrando concluir lo siguiente: En todo tipo de DNA la cantidad de adenina es igual a la de timina mientras que la cantidad de guanina es igual a la de citosina. A = T y G = C El DNA de tejidos diferentes de la misma especie, tiene la misma composición de bases nitrogenadas. La composición de bases en el DNA, varía de una especie a otra. La composición del DNA de una especie no cambia con la edad o nutrición. Fuentes de DNA: hombre, ternera, oveja, rata, gallina, staphylococcus aureus y levadura

24. APORTE DE WATSON Y CRICK En 1953, Watson y Crick postularon un modelo tridimensional para explicar la estructura del DNA. • Se apoyaron en los trabajos de: • Cristalografía de rayos X de Maurice Wilkins y Roslind Franklin • Leyes de equivalencias de bases nitrogenadas de ErwinChargaff. • Otros aportes de Watson y Crick: • Establecieron un modelo para explicar la autoduplicación del DNA • Participaron en el desciframiento del código del DNA o código genético. “La doble hélice”

25. WATSON Y CRICK : LOS DESCUBRIDORES DEL MODELO DEL ADN “La doble hélice”

26. Estructura de los ácidos nucleicos:DNA y RNA • Nucleótidos • Polinucleótidos

27. ¿CUÁL FUE EL APORTE DE LEVENE ? En 1920, Phoebus Aaron Levene, estableció que la unidad básica de la estructura de los ácidos nucleicos era el nucleótido. ¿CÓMO ESTÁ FORMADO UN NUCLEÓTIDO ? El nucleótido tiene tres componentes: Una base nitrogenada: Derivada de las purinas o de las pirimidinas.

28. Una molécula de azúcar: Ribosa o desoxirribosa. Un grupo fosfato: Derivado del ácido fosfórico.

29. ¿CÓMO SE UNEN PARA FORMAR EL NUCLEÓTIDO? Si tomamos a la molécula de azúcar como el punto de referencia, podemos decir lo siguiente: Elgrupo fosfatose une al carbono 5 de la molécula de azúcar. Labase nitrogenadase une al carbono 1 de la molécula de azúcar.

30. ¿CUÁNTOS NUCLEÓTIDOS ESTÁN PRESENTES EN LOS ÁCIDOS NUCLEICOS? Los nucleótidos reciben el nombre de la base nitrogenada que aparece en su estructura. Así que tendremos5 nucleótidosdiferentes en los ácidos nucleicos: Nucleótido deadenina. Nucleótido deguanina. Nucleótido decitosina. Nucleótido detimina. Nucleótido deuracilo.

31. ¿QUÉ ES UN POLINUCLEÓTIDO? La unión de varios nucleótidos forma unpolinucleótido. Esto es característico de los ácidos nucleicos. Los principales polinucleótidos son elDNAy elRNA. ¿CÓMO SE UNEN ENTRE SI LOS NUCLEÓTIDOS? La unión es en dirección 3’ – 5’. Esto significa que el enlace seinicia en el carbono 3’ de la molécula de azúcar del primer nucleótido ytermina en el carbono 5’de la molécula de azúcar del siguiente nucleótido.

32. Con fórmulas Con figuras

33. ¿QUÉ NUCLEÓTIDOS PARTICIPAN EN EL DNA? En el DNA, la molécula de azúcar es ladesoxirribosa. Los nucleótidos son:adenina, guanina, citosina ytimina.

34. ¿QUÉ NUCLEÓTIDOS PARTICIPAN EN EL RNA? En el RNA, la molécula de azúcar es la ribosa. Los nucleótidos son: adenina, guanina, citosina y uracilo.

35. Estructura de los ácidos nucleicos • Estructura del DNA • Replicación del DNA

36. ¿QUÉ SE ACEPTABA SOBRE EL DNA? Para 1952 se aceptaban las siguientes ideas sobre el DNA: • Transporta la información genética. • La información está almacenada a lo largo de las cadenas de polinucleótidos. • La secuencia de nucleótidos determina la informa- ción del DNA. • El nucleótido de adenina se aparea con timina, mientras que el nucleótido de guanina se aparea con citosina.

37. ¿QUIÉN ESTABLECIÓ LA ESTRUCTURA QUÍMICA DEL DNA? Para comprobar todo lo anterior, era necesario conocer la estructura tridimensional del DNA. Esto se logró en 1953 con el trabajo de James Watson y Francis Crick. James Dewey Watson 6-Abril-1928 Francis Harry Crick 8-Junio-1916 Estos dos investigadores, utilizaron la técnica de difracción de rayos X para establecer la estructura del DNA, a la que llamaron: “la doble hélice”. Se apoyaron en los trabajos de Erwin Chargaff y el equipo formado por Rosalind Franklin y Maurice Wilkins.

38. ¿QUÉ ES LA DOBLE HÉLICE? De acuerdo con Watson y Crick, la estructura del DNA tiene las siguientes características: Es una doble cadena de polinucleótidos; las cadenas son antiparalelas; el extremo 5’ de una de las cadenas se enfrenta al 3’ de la otra cadena El nucleótido de adenina se une al de timina a través de dos puentesde hidrógeno. El nucleótido de guanina se une al de citosina a tra-vés de tres puentesde hidrógeno. Las bases nitrogenadas se unen por enlace covalente al azúcar. El grupo fosfato se enlaza a los azúcares adyacentes por medio de enlace fosfodiéster.

39. Con fórmulas Con figuras

40. OTRAS CARACTERÍSTICAS SON La cadena es helicoidal, semejante a una escalera de caracol. La hélice tiene un diámetro de 2.0 nm; se forma una vuelta cada 3.4 nm. Cada vuelta tiene diez nucleótidos; la distancia entre cada nucleótido es de 0.34 nm. 1 nm = 10 –9 m. La Doble Hélice

41. R E P L I C A C I Ó N D E L D N A ¿DÓNDE SE ALMACENA LA INFORMACIÓN EN EL DNA? • La información genética se encuentra almacenada en la secuencia de nucleótidos. • Esta información debe permanecer inalterada todas las veces que la célula se reproduzca o divida. • La información debe pasar tal cual a la descendencia. ¿CÓMO SE LOGRA LO ANTERIOR? De acuerdo con Watson y Crick, el DNA forma réplicas de si mismo. Para explicar la forma en que el DNA se duplica, propusieron el siguiente mecanismo:

42. ¿CÓMO EXPLICAN LA REPLICACIÓN DEL DNA? Por acción enzimática se rompen los puentes de hidrógeno. La doble cadena se abre a manera de una horquilla, quedando las bases nitrogenadas expuestas al medio celular. Las bases expuestas se aparean con los nucleótidos complementarios que se encuentran libres en el medio celular. 4. Al finalizar el proceso se observan dos moléculas de DNA idénticas.

43. Clic para continuar duplicación

44. Cultivaron E. coli en un medio con nitrógeno pesado (N15) en vez de nitrógeno normal (N14) y compararon la densidad de los ADN aparecidos en sucesivas generaciones con controles.El ADN aparecido en la F1 tiene una densidad intermedia, entre la correspondiente a ADN pesado y ADN ligero. En la F2 aparece una banda correspondiente a ADN ligero y otra intermedia; y en la F3, una intermedia y otra ligera.

45. La replicación del DNA es semiconservativa, ya que en cada cadena existe una sección nueva y otra vieja.

46. La duplicación semi conservativa del ADN

47. En la replicación del DNA participan varias enzimas, esta duplicación se manifiesta en una cadena en forma contínua y en la otra en forma discontínua ( fragmentos de Okasaky.

49. Replicación : es el proceso que permite la formación de nuevas copias de la información genética a partir de una molécula patrón. Cada copia de ADN es idéntica a la otra en cantidad y calidad de información genética. La replicación requiere de la separación de las 2 cadenas de la doble hélice, esto se logra a través de una Girasa ( o Topoisomerasa, la cual rompe el giro de la hélice) y la enzima ADN helicasa (que rompe la unión de las bases complementarias). Se forma la horquilla de replicación. Después actúan las proteínas desestabilizadoras de la hélice (estiran la hebra y evitan que se vuelvan a unir las bases complementarias).

50. Cada cadena de polinucleótidos sirve de molde para la síntesis de una nueva molécula de ADN. La replicación sigue la regla del apareamiento de bases. El ADN es sintetizado por enzimas denominadas ADN polimerasa ( siempre une el nucleótido en el C3´) que son necesarias no solo para la replicación del ADN, sino que también para su reparación. Esta ADN polimerasa sintetizan ADN sólo en el sentido 5' a 3', lo cual crea un problema porque las 2 cadenas del ADN son antiparalelas. Aquella hebra que se enfrenta a la ADN polimerasa con un extremo 3¨ libre, sintetiza una larga cadena complementaria continua en la dirección 5' a 3' (se le llama hebra conductora o lider).