Unidad
Temas Subtemas
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Introducción a la Biología Molecular
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1.1 El desarrollo de la Biología
Molecular.
1.1.1 El descubrimiento del principio transformante.
1.1.2 El descubrimiento de la estructura del ADN.
1.1.3 El descubrimiento del código genético.
1.1.4 El modelo del operón.
1.2 La biología Molecular en México.
1.3 Perspectivas futuras de la Biología Molecular.
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INSTITUTO TECNOLOGICO DE
CD. ALTAMIRANO
BITÁCORA
UNIDAD I.
VANESA
ANAID SIERRA LUVIANO
DOCENTE:
FRANCISCO JAVIER PUCHE ACOSTA
MATERIA:
BIOLOGIA
MOLECULAR
SEXTO
SEMESTRE
LIC. EN
BIOLOGIA
CD.
ALTAMIRANO, GRO., A 08 DE FEBRERO DE
2012
UNIDAD I : INTRODUCCIÓN A LA BIOLOGÍA MOLECULAR
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 se ocupa entonces de la estructuras
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.
1.1 EL DESARROLLO DE LA
BIOLOGÍA MOLECULAR.
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.
Que
el DNA es el material genético esta hoy día perfectamente demostrado en muchas
procariotas y eucariotas. Pero la
demostración de ese hecho llevo a la realización de brillantes e ingeniosos
experimentos.
·
EXPERIMENTOS
DE GRIFFITH (1928)
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.
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.
Conclusión:
Los
experimentos de Griffith demostraron que la transformación ocurría por la
absorción por parte de células vivas (estirpe R) de un “principio trasformante”
que se encontraba en las células muertas (Estirpe S). Ese principio trasformante
tenia la característica de producir una cápsula de polisacáridos (se expresaba)
y producía además la muerte en ratones, en otras palabras estaban confiriendo propiedades hereditarias a la celula recipiente,
ese principio trasformante se sabría después que eran moléculas de DNA.
·
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!!
·
EXPERIMENTOS
DE HERSEY Y CHASE (1952)
Los
experimentos llevados a cabo por Avery eran definitivos,
pero muchos científicos se resistieron a aceptar como material genético al DNA
(y no a las proteínas). La prueba definitiva se obtuvo en 1952 por Alfred Hersey y Martha Chase, usando el fago (virus T2). su razonamiento fue que la
infección del fago debe implicar la
introducción dentro de la bacteria
de la información que dicta la reproducción viral
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.
***El
DNA es el material hereditario; las proteínas fágicas son meros empaquetadores estructurales que se desechan
después de inyectar el vital DNA en la
célula bacteriana.***
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.
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. También
introdujeron que esta molécula se podía mutagenizar espontáneamente mediante la
tautomería.
1.1.3
El descubrimiento del código genético.
Desde que se demostró que las proteínas eran
producto de los genes, y que cada gen estaba formado por fracciones de cadenas
de ADN, los científicos llegaron a la conclusión de que debe haber un código
genético mediante el cual el orden de las cuatro bases nitrogenadas en el ADN
podría determinar la secuencia de aminoácidos en la formación de polipéptidos.
La estructura tridimensional de la
molécula de ADN fue demostrada por James D. Watson y Francis Crick en 1953.
Pero faltaba averiguar cómo interpreta el organismo la secuencia de las
distintas bases que forman la estructura lineal del ADN para sintetizar las
cadenas de aminoácidos de las proteínas. La solución a este enigma, el código genético,
se halló en 1966 gracias a la colaboración entre numerosos investigadores,
entre ellos Marshall Nirenberg.
Se observó que la obtención de un polipéptido a
partir del ADN se producía de forma indirecta a través de una molécula
intermedia conocida como ARN mensajero (ARNm).
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
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.
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.
U U U U U U U U U U U U
-
Phe -
Phe - Phe
-Phe -
Este
tipo de análisis se amplio mezclando diferentes tipos de nucleótidos, en
proporciones fijas conocidas. En un experimento los nucleótidos Uracilo y
Guanina se mezclaron en razón 3:1. al incorporase los nucleótidos al azar en el
RNAm sintético, la frecuencia relativa con la que aparece. hacia 1966 con Severo
Ochoa ya se había descifrado los codones de los 20 aminoácidos.
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.
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.
El inicio de la biología molecular en México
Como en todo el mundo, la biología molecular en México
nació de la bioquímica. La Sociedad Mexicana de Bioquímica había sido fundada
el primero de julio de 1957, por doce visionarios de la ciencia mexicana. Sin
embargo, entre ese grupo no había biólogos moleculares, más que nada porque la
disciplina no había nacido formalmente en los planes de estudio de las
universidades, aunque se considera que su inicio fue en 1953, con el reporte de
James Watson y Francis Crick sobre la estructura del ácido desoxirribonucleico
(DNA).
Previamente a este trabajo, Edwin Chargaff había
realizado los estudios más completos sobre la composición bioquímica del DNA y
Oswald T. Avery y colaboradores las primeras observaciones sobre la
transformación del pneumococo, lo
cual revelaba la importancia de la función del DNA. En 1957, se estaban
realizando los primeros estudios relativos a descifrar el código genético, por
Marshall Nirenberg, Severo Ochoa, y H.G. Khorana, y la estructura de los
ribosomas y el RNA (ácido ribonucleico) ribosomal, mensajero, y de
transferencia, por Masayasu Nomura, entre otros muchos; así como las primeras
descripciones del modo de replicación del DNA por Matthew Meselson y Frank
Stahl, y el concepto del operón por Francois Jacob y Jacques Monod. Más aun, en
la escuela de estructura y cristalografía de Cambridge, Max Perutz y
colaboradores revelaban las formas de las primeras proteínas que se estudiaron.
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.
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.
