Bases Moleculares de la Herencia Sección I: El DNA - la molécula de la herencia
DNA from the Beginning
http://www.dnaftb.org/dnaftb/
Capítulo 11
Dr. Monterrubio
1953 James Watson y Francis CricK describieron la estructura de la molécula de DNA (ácido desoxiribonucléico) Sabiendo la estructura es mas fácil entender:
- Como el DNA almacena información - Como puede ocurrir la variación en su estructura - Como se replica la molécula de DNA - Como se transmite a futuras generaciones Todas esas son características que debe reunir un material genético Dr. Monterrubio
Ahora sabemos que: - La información hereditaria esta codificada en la molécula de DNA y se reproduce en todas las células del cuerpo
- El DNA dirige el desarrollo de los rasgos bioquímicos, anatómicos, fisiológicos y en algun grado el comportamiento de los organismos
Dr. Monterrubio
A principio del siglo 20 los biólogos estaban dedicados a identificar las moléculas de la herencia Morgan: genes estaban en los cromosomas Cromosomas: estaban hechos de proteinas y de ácidos nucléicos La llave en los descubrimientos fué elegir un modelo experimental adecuado
El papel del DNA en la herencia se descubrio estudiando bacterias y virus Dr. Monterrubio
Primera evidencia de que el DNA transmite informaci贸n provino de bacterias 1928 Frederick Griffith descubri贸 el papel del material gen茅tico trabajando con dos cepas de bacterias (una patogena y otra no)
Streptococcus penumoniae
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El mat贸 a la cepa patogena con calor y la inyect贸 a ratones
Ratones vivieron
El mezclo cepa patogena (muerta por calor) con la bateria no patogena (viva)
Ratones murieron
El propuso que la cepa no patogena habia sido transformada: cambio en el genotipo y fenotipo debido a la asimilaci贸n de DNA de una fuente externa. Obtuvo la capsula y la paso a sus hijos
1920s, Frederick Griffith Descubre el proceso de transformación bacteriana. (no sabia la base bioquimica) Define un factor transformador
-molécula que continen la información genética -es hereditaria
En el tiempo de Griffith no se podia determinar la composición bioquímica de esta substancia Dr. Monterrubio
• 1944 –Oswald Avery. Colin M. MacLeod y Maclyn McCarthy – Purifican el factor transformador. – Lo identifican como DNA.
Dr. Monterrubio
Dr. Monterrubio
Muchos bi贸logos permanecieron esc茅pticos porque no se sabia nada de la estructura del DNA. Podria haber contaminantes en los experimentos de Avery, MacLeod y McCarthy Mas evidencia provino de estudios con virus que infectan bacterias (Bacteriofagos o fagos)
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Bacteri贸fago = virus que infecta bacterias. Composici贸n del bacteri贸fago T2: Prote铆na y DNA.
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1952, Alfred Hershey y Martha Chase El DNA es ampliamente utilizado en la naturaleza?
Diseñaron experimentos para saber si el DNA o las proteínas del fago eran responsables de transmitir la información genética Los experimentos mostraron que solo el DNA de fago llamado T2 entraba a la bacteria durante la infección Dr. Monterrubio
Experimento de Hershey y Chase estrategia experimental • Las proteínas presentes en la cubierta del fago contienen azufre y no contienen fósforo. • El DNA contiene fósforo y no contiene azufre. Dr. Monterrubio
Hershey & Chase marcaron las proteĂnas del fago incuvandolo con 35S 35S
35S
35S
+ 35S
35S
35S
Fagos con ProteĂnas marcadas (35S) Dr. Monterrubio
Hershey & Chase Marcaron tambien el DNA del fago incuvandolo con 32P 32P
+
32P 32P
32P
32P 32P
Fagos con DNA marcado (32P) Dr. Monterrubio
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Resultados: 1. Las proteinas virales se quedan fuera de la célula huesped (bacteria). 2. El DNA viral es inyectado dentro de la célula huesped. 3. El DNA inyectado dirige la producción de nuevas partículas de virus. Conclusion: Material hereditario es el DNA. Dr. Monterrubio
Evidencia adicional de que el DNA es el material genético 1950, Erwin Chargaff reportó que la composición de DNA varia entre especies
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El DNA era un buen candidato para ser el material genético por su diversidad Ya se conocía que el DNA era un polímero de nucleótidos (de base nitrogenada, azúcar y fosfato
Regla de Chargaff: en cualquier especie dada hay igual número de Adeninas y Timinas, e igual número de Guaninas y Citocinas - Análisis de la composición de DNA de distintos organismos. - La composición del DNA varía de especie en especie.
- Diversidad molecular = diversidad de especies. - Las bases nitrogenadas están presentes en una razón característica.
Regla de Chargaff
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A=T G=C A+C = G+T A+T ≠ C+G
Ya se conocía que el DNA era un polímero de nucleótidos formado de bases nitrogenadas, azúcares y grupos fosfato Sugar–phosphate backbone 5 end
Nitrogenous bases
Thymine (T)
Después de que muchos biólogos se convencieron de que el DNA era el material genético empezaron a estudiar como su estructura podria explicar su función
Adenine (A)
Para 1950 no se conoce la estructura tridimensional Cytosine (C)
Científicos trabajando en ello:
- Linus Pauling (California) Sugar (deoxyribose) 3 end
Guanine (G)
- Maurice Wilkins y Rosalind Franklin (Londres) Dr. Monterrubio
• 1869- F. Miescher aisla nucleina a partir de núcleos de células blancas. • 1900- Nucleina es una molécula larga compuesta de: azúcar de 5 carbonos, fosfato y 5 tipos de bases nitrogenadas (A, T, C, G y U) • 1920- Se describen 2 tipos de ácidos nucléicos: RNA y DNA. Dr. Monterrubio
ﾃ…idos Nuclﾃｩicos DNA acido desoxiribonucleido Estructura: Doble cadena Base pirimidica: Timina
RNA Acido ribonucleido Estructura: Cadena sencilla Base pirimidica: Uracilo
Un tipo: genes
Tres tipos: mRNA, rRNA, tRNA
Azucar: Desoxiribosa
Azucar: ribosa
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~1951- Maurice Wilkins y Rosalind Franklin usaron cristalografia de rayos X para estudiar la estructura molecular del DNA Franklin produjo la primera foto del DNA
Fotograf铆a de difracci贸n de rayos X del DNA
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Descubrimientos de Franklin • Esqueleto de azúcar-fosfato hacia afuera de la molécula • Doble hélice • Datos cuantitativos de la forma y tamaño de la doble hélice (3.4 nm cada vuelta 2 nm de ancho).
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Rosalind Franklin (1920 - 1958) • http://www.accessexc ellence.org/RC/AB/B C/Rosalind_Franklin.h tml
Secret of photo 51 • http://www.pbs.org/w gbh/nova/photo51/ Dr. Monterrubio
LA DOBLE HELICE: RELATO PERSONAL DEL DESCUBRIMIENTO DE LA ESTRUCT URA DEL ADN de WATSON, JAMES D.
~1951- Linus Pauling – physical chemist • nature of the chemical bond – resonance theory proposed that some molecules "resonate" between different structures
• use of X-rays to examine the molecular structure of crystals – Description of a-helical polypeptide structure. http://www.achievement.org/aut odoc/photocredit/achievers/pa u0-029 Dr. Monterrubio
¿Cómo se acomodan las bases en la molécula de DNA?
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1953- Watson y Crick - Watsongenética - Crick- físico, experto en cristalografía de rayos X Ganaron el Premio Novel en 1962 junto a Maurice Wilkins Dr. Monterrubio
Los datos de cristalografía de rayos X de Franklin permitieron a Watson y Crick deducir que: - El DNA era una molécula helicoidal - El ancho de la helice y el espacio entre bases nitrogenadas - El ancho sugirió que el DNA estaba hecho de 2 cadenas formando una doble helice Dr. Monterrubio
Watson y Crick razonaron como se acomodaban mejor las bases que fueran consistentes con los datos de rayos X de Franklin Dedujeron que solo una pirimidina con una purina daban la distancia correcta de 2 nm
2-nm Dr. Monterrubio
La idea del Apareamiento propuesto por Watson y Crick daba la complementaridad de las cadenas Explica la regla de Chargaff, A=T y C=G. Sugiere mecanismo de replicación. – Cadenas son complementarias. – Mecanismo de templado (como un patron). No hay restricción en cuanto la secuencia de bases (secuencia altamente variable) Estabilidad entre las cadenas de DNA por – Puentes de hidrógeno entre las bases – Fuerzas Van der Waals Dr. Monterrubio
Puentes de hidrógeno entre las bases.
A=T GC Sugiere complementaridad Dr. Monterrubio
Extremo 3’ OH
Cadenas antiparalelas
2’ 1’
3’ pentosa 4’
Extremo 5’
O Base Nitrogenada
5’
2’
O
4’ pentosa 3’ 2’
1’
1’
Base Nitrogenada 4’ pentosa 3’ 2’
2’
1’
1’
Base Nitrogenada fosfato
OH 3’
Extremo 3’
5’
fosfato
3’
pentosa 4’
5’ fosfato
Extremo 5’
pentosa
4’
4’
Base Nitrogenada
O
5’
pentosa
Base Nitrogenada
O
5’
3’
O
fosfato
fosfato
Base Nitrogenada
O
fosfato
5’
1’
2’ Dr. Monterrubio
Cadenas antiparalelas
Secuencia específica y complementaridad Timina - Guanina – Citocina - Adenina Adenina - Citocina – Guanina -Timina
TGCA ACGT Dr. Monterrubio
La secuencia de bases es critica para almacenar y transmitir información
Replicación del DNA Watson y Crick proponen Modelo semiconservativo: • Puentes de H se rompen de manera secuencial. • Separación de las hebras. • Cada cadena puede servir como templado. • Genes son copiados en base a un pareo específico entre las bases complementarias. Dr. Monterrubio
El modelo Semiconcervativo de Watson y Crick predice: Cuando el DNA se replica, cada molécula hija tendrá una cadena nueva y una cadena vieja (derivada de la molécula madre)
A
T
A
T
A
T
A
T
C
G
C
G
C
G
C
G
T
A
T
A
T
A
T
A
A
T
A
T
A
T
A
T
G
C
G
C
G
C
G
C
(a) Parent molecule
(b) Separation of strands
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(c) “Daughter” DNA molecules, each consisting of one parental strand and one new strand
Otras posibles hipotesis para explicar la replicaci贸n del DNA Parent cell
(a) Conservative model
(b) Semiconservative model
(c) Dispersive model
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First replication
Second replication
La doble helice parental permanece intacta
La nueva helice esta compuesta de una cadena nueva y una vieja Cada cadena hija es una mezcla de segmentos viejos y nuevos
Meselson y Stahl hiceron los experimentos para poner a prueba esas hipótesis
- Marcaron los nucleótidos de la cadena vieja con isótopo de nitrógeno pesado (15N): varias generaciones - Transfirieron las células a medio con 14N (isotopo ligero) para que las células se duplicaran una vez o dos veces y analizaron el DNA Dr. Monterrubio
Experimentos de Meselson y Stahl
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Replicaci贸n Semi-conservativa del DNA Durante replicaci贸n las dos hebras se separan y sirven de templado Las hebras se copian siguiendo las reglas de complementaridad AT/GC Se obtienen 2 nuevas dobles h茅lices con la misma secuencia de bases del DNA original Dr. Monterrubio