Genetica Molecular. Gen y Genoma I
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Introducción a la Genética Molecular: Gen y Genoma Mg. Blgo. Jesús Ruiz Baca UNIVERSIDAD SAN PEDRO FACULTAD DE MEDICINA ESCUELA PROFESIONAL MEDICINA HUMANA
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Introducción a la Genética
Molecular: Gen y Genoma
Mg. Blgo. Jesús Ruiz Baca
UNIVERSIDAD SAN PEDRO
FACULTAD DE MEDICINA
ESCUELA PROFESIONAL MEDICINA HUMANA
I. EL CONCEPTO DE GEN COMO UNIDAD DE LA
HERENCIA Gregorio Mendel en 1860 se interesa en la transmisión de la descendencia.
Mendel decidió enfocarse en siete caracteres o rasgos muy definibles:
Mendel llego a las siguientes conclusiones:
1) Las características de las plantas dependían de factores de herencia (genes).
Teniendo 2 genes idénticos o no, posteriormente, estas dos formas
alternativas de genes se conocieron como alelos.
2) Cada célula germinativa (gameto) de la planta sólo tenia una copia del gen correspondiente a cada característica. Alelo recesivo o dominante. Unión de
gametos masculino y femenino.
3) La “ley de la segregación”, los 2 alelos permanecen unidos en la planta
separándose en la formación de gametos.
4) La “ley de la permutación independiente”, La separación de los dos alelos correspondientes de un rasgo no tiene efecto sobre la separación de los
alelos de otro rasgo, es decir, que son independientes.
II. CROMOSOMAS: PORTADORES FÍSICOS DE LOS GENES
El descubrimiento de los cromosomas
• Walther Flemming en los primeros años de la década de 1880 observó que
durante la división celular, el material del núcleo se organizaba en “filamentos”
visibles, que se denominaron cromosomas, término que significa “corpúsculos
coloreados”.
• Theodore Boveri experimentó en huevos de erizo de mar, fecundados con dos espermatozoides en vez de uno (poliespermia), como sucede en condiciones
normales, caracterizada por alteración de la división celular y la muerte
temprana del embrión.
• Boveri concluyó que el proceso ordenado del desarrollo normal es “dependiente
de una combinación particular de cromosomas y esto sólo puede significar que los cromosomas individuales deben poseer diferentes cualidades”.
• En 1883, el biólogo belga Edouard van Beneden observo que las células del
cuerpo del gusano Ascaris poseían cuatro cromosomas grandes, pero los
núcleos masculino y femenino con 2 cromosomas cada uno.
• en 1887 el biólogo alemán August Weismann propuso que la meiosis incluía
una “división reducida” durante la cual el numero de cromosomas disminuía a la mitad después de la formación de los gametos.
Cromosomas como portadores de la información genética
En 1903, Walter Sutton, En las células germinales de la gónada masculina
ocurren dos tipos de divisiones: la mitótica, las espermatogonias producen
mas espermatogonias, y la meiótica, la espermatogonia genera
espermatozoides.
Durante la observación de los estados de mitosis del espermatozoide del saltamontes, Sutton cuantificó 23 cromosomas.
Se distinguieron 11 pares de cromosomas (estructuras bivalentes) junto con
un cromosoma adicional, llamado cromosoma accesorio (cromosoma X
determinante del sexo), que no tenía pareja o estaba solo.
Sutton comprobó que la presencia de pares de cromosomas, o cromosomas homólogos como pronto se los denomino, se correlacionaba
perfectamente con los pares de factores hereditarios descubiertos por
Mendel.
El numero de alelos que posee cada gameto es igual al numero de alelos con
el gameto homologo, y los dos gametos que se unen durante la fecundación
producen un individuo con dos alelos para cada rasgo.
Los genes en un mismo cromosoma debían actuar como si estuvieran
ligados entre si, es decir, formar parte de un mismo grupo de ligamiento.
Los genes que controlan cada rasgo estudiado por Mendel pueden
identificarse en cromosomas diferentes o estar separados en el mismo
cromosoma y actuar de manera independiente. Ejem: se demostró en los guisantes dulces que dos rasgos (color de las flores y forma del polen)
estaban ligados
Análisis genético en Drosophila En 1909, Thomas Hunt Morgan, se enfocó en la mosca de la fruta,
Drosophila sp. para la investigación en genética. Por su tiempo de
generación de 10 días aprox., producción de mas de 1000 huevecillos en su
tiempo de vida y por ser económico.
• Pero tuvo una gran desventaja: sólo disponía
de una “cepa” de la mosca, la de tipo
silvestre.
• Antes de un año, después de criar miles de
moscas, logro su primer mutante, es decir, un individuo con una característica hereditaria
que lo diferenciaba del tipo silvestre. El
mutante tenia ojos blancos en lugar de los
ojos rojos habituales.
• En algunas ocasiones muy raras ocurría un cambio espontaneo, o mutación, dentro de
un gen, que se alteraba de manera
permanente y podía transmitirse de una
generación a la siguiente.
• Esto sugería un mecanismo para la variación que dentro de las poblaciones, evidencia de
relación directa con la teoría de la evolución.
Entrecruzamiento y recombinación • Aunque se confirmo la vinculación de genes entre grupos ligados, la relación
entre alelos sobre el mismo cromosoma era incompleta.
• Las características maternas y paternas heredadas por un individuo en
cromosomas homólogos separados pueden remezclarse de modo que terminen
en el mismo cromosoma de un gameto. Por el contrario, dos características que se heredaron juntas en el mismo cromosoma podían separarse la una de la otra
y colocarse al final en gametos separados.
• Morgan sugirió que este fenómeno, que
denominó entrecruzamiento (o recombinación
genética), podría explicar la aparición de la
descendencia (recombinantes) de modo tal que
surgen combinaciones inesperadas de características genéticas.
• Si se fija el locus de cada gen, la frecuencia de
recombinación entre dos genes provee una
medida de la distancia que separa a estos dos
genes. Cuanto mayor sea el espacio disponible entre dos sitios del cromosoma, más probable
es que ocurra la rotura entre esos dos sitios y
mayor la frecuencia de recombinación.
• En 1911, Alfred Sturtevant, concibió la idea de que las frecuencias de
recombinación podían utilizarse para mapear las posiciones relativas de los
genes individuales a lo largo de un cromosoma específico.
• A partir de las frecuencias de recombinación, Sturtevant comenzó a construir
un mapa detallado del orden de los genes colocados uno atrás de otro de los cuatro cromosomas de la mosca de la fruta. Desde entonces se emplean las
frecuencias de recombinación para elaborar mapas cromosómicos de
diferentes organismos, desde virus y bacterias hasta una gran variedad de
especies eucariotas.
Mutagénesis y cromosomas gigantes
• En 1927, H. J. Muller, observó que las moscas sometidas a rayos X presentaban una frecuencia 100 veces mayor de mutaciones espontaneas respecto a controles. Aumenta el uso de agentes mutagénicos (rayos X y radiación ultravioleta), además de sus peligros.
• En 1933, Theophilus Painter, existe notoria variación entre organismos, a nivel macro y micro (celular y subcelular). Células de la glándula salival de la larva Drosophila con cromosomas casi 100 veces mas grandes que otras células (cromosomas politénicos).
• Durante el desarrollo de la larva, estas células dejan de dividirse, pero mantienen su crecimiento.
• La replicación del DNA continúa y provee el material genético adicional necesario para conservar los altos niveles de actividad secretora de estas células gigantes.
• La comparación de patrones de bandas de cromosomas politénicos de
diferentes especies se tiene la oportunidad de investigar cambios evolutivos a
nivel del cromosoma.
• Son estructuras dinámicas en las cuales regiones definidas se “esponjan”
durante etapas particulares del desarrollo, siendo sitios de alta transcripción del DNA a RNA.
III.LA NATURALEZA QUÍMICA DEL GEN La estructura del DNA
• En 1953, James Watson y Francis Crick resolvieron la incógnita de la
estructura del DNA.
• Existen 2 tipos de bases nitrogenadas (BN): pirimidinas, con un solo anillo (T y
C), y las purinas, con dos anillos (G y A).
• El nucleósido es una molécula que sólo contiene una de las cuatro BN unida a una fracción de azúcar pentosa. Ejm: desoxiadenosina, desoxiguanosina,
desoxitimidina y desoxicitidina.
• El nucleótido es un nucleósido con 1 o más grupos fosfato. Es la unidad
básica para construir un DNA. Ejm: 5′-monofosfato de desoxiadenosina (dAMP),
5′-difosfato de desoxiguanosina (dGDP) y 5′-trifosfato de desoxicitidina (dCTP). • Por muchos años que el DNA poseía una estructura simple de repeticiones
tetranucleotidicas (p. ej., —ATGCATGCATGC—).
• En 1950, Erwin Chargaff eliminó la teoría del tetranucleótido y proporcionó
información vital de la estructura del DNA.
• Si la teoría del tetranucleotido era correcta, la proporción de cada base en un DNA debía ser casi de 25% de la cantidad total, pero no fue así.
• Pero el número de purinas siempre es igual al número de pirimidinas. Es decir,
el número de adeninas siempre fue igual al número de timinas y el número de
guaninas siempre semejo al de las citosinas:
Con el uso de datos de difracción de rayos X y los modelos construidos a partir de
recortes de los cuatro tipos de nucleótidos, Watson y Crick propusieron una estructura
de DNA:
1.- La molécula esta compuesta por 2 cadenas de nucleótidos.
2.- Las dos cadenas están en espiral alrededor de la otra formando un par de hélices
dextrógiras.
3.- Las 2 cadenas comprenden una doble hélice que corre en direcciones opuestas (5’
3’ y 3’ 5’).
4.- El azúcar-fosfato de c/cadena se ubica hacia el exterior y las BN sobresalen hacia el
centro. Los grupos fosfato dan a la molécula carga negativa.
5.- Las bases ocupan planos que son aproximadamente perpendiculares al eje largo de
la molécula y están apiladas una encima de otra. Las Interacciones hidrófobas y
fuerzas de van der Waals proporcionan estabilidad de la molécula de ADN completa.
6.- Las dos cadenas se mantienen unidas por enlaces de hidrógeno entre cada base de
una hebra y una base asociada en la otra hebra. Aditividad de los enlaces.
7.- La distancia del esqueleto del átomo de fosfato al centro del eje es de 1 nm (en
consecuencia, el ancho de la doble hélice es de 2 nm).
8.- Una pirimidina en una cadena esta siempre apareada con una purina en la cadena
complementaria.
9.- Los átomos de nitrógeno unidos al C4 de la citosina y al C6 de la adenina muestran
la configuración amino (NH2) en vez de imino (NH). Similar a los átomos de oxigeno
unidos al C6 de la guanina y el C4 de la timina muestran configuración ceto (C=O)
en vez de enol (C—OH). Por lo tanto, los únicos pares posibles son A-T y G-C.
10.- Los espacios entre los giros que forman la hélice crean dos surcos de
diferente amplitud (surco mayor y surco menor) que rodean la superficie
externa.
11.- La doble hélice realiza una vuelta completa cada 10 residuos de nucleótido
(3.4 nm) o 150 vueltas por cada millón de daltones de masa molecular. 12.- las dos cadenas de la doble hélice son complementarias entre sí.
5′-AGC-3′ 3′-TCG-5′
La doble hélice (continuación). c) Pares de
bases de Watson y Crick. El modelo original mostraba tanto el par A-T como el G-C con dos enlaces de hidrogeno; el tercer enlace de
hidrogeno en el par G-C fue identificado después por Linus Pauling.
Modelo del DNA que elaboraron James Watson y
Francis Crick de la Cambridge University en 1953. El recuadro muestra la foto tomada por Rosalind Franklin del patrón de difracción de rayos X de una
fibra de DNA que sugería la estructura helicoidal del DNA.
La importancia de la propuesta de Watson y Crick se define en 3
funciones principales:
1.- Almacén de la información genética.
2.- Replicación y herencia.
3.- La expresión del mensaje genético.
DNA superenrollado • El DNA tiene la capacidad de enrollarse sobre si mismo, llamado
superenrollamiento.
• Una molécula posee el número estándar de 10 pares de bases por vuelta de
hélice y se dice que esta relajada. Si se tuerce el DNA a lo largo y en dirección
opuesta a la cual están enrollados los dobletes, la molécula tiende a desenrollarse. Una molécula de DNA desenrollada tiene mayor numero de pares
de bases por vuelta de hélice. La molécula tiende a oponerse al esfuerzo para
desenrollarla, vuelve a enrollarse sobre si misma y posee una conformación
superenrollada.
• Se dice que el DNA superenrollado es negativo cuando se genera por desenrollamiento, y positivo cuando se forma por retorcimiento excesivo.
DNA circular superenrollado,
sin ramificaciones (la línea
representa la doble hélice):
Izquierda.-DNA circular superenrollado,
con una ramificación.
Derecha.-El superenrollamiento puede
permitir que posiciones lejanas en la
secuencia se aproximen.
• Las células dependen de enzimas para cambiar el estado de
superenrollamiento del DNA dúplex, son llamadas topoisomerasas y cambian
la topología del DNA.
• Se conocen 2 tipos de isomerasas: tipo I y tipo II.
• Las topoisomerasas de tipo I cambian el estado de superenrollamiento de la
molécula de DNA tras crear una rotura transitoria en una cadena del dúplex,
permitiendo que la cadena intacta complementaria sufra una rotación
controlada, la cual relaja la molécula superenrollada.
• Esencial en procesos de replicación del DNA y la transcripción. Previenen el
superenrollamiento excesivo.
• Las topoisomerasas tipo II hacen una rotura transitoria en ambas cadenas del DNA duplex. Otro segmento de la molécula del DNA (o una molécula separada
por completo) se transporta entonces a través de la rotura y las cadenas se
unen de nueva cuenta. Se requieren para separar las moléculas de DNA antes
de que los cromosomas se dupliquen para separarse durante la mitosis.
• Son un blanco para diferentes fármacos, destruyendo de manera primaria las
células que se dividen y de esta forma se emplean para el tratamiento contra el
cáncer.
LAS TOPOISOMERASAS DEL DNA. a) Un modelo que ilustra la acción de la topoisomerasa I humana. La enzima ha cortado una de las cadenas de DNA, la cual gira alrededor del enlace fosfodiester en la cadena intacta. La cadena cortada vuelve
entonces otra vez a religarse. (Nota: el dibujo muestra una topoisomerasa de tipo IB; las enzimas de tipo IA encontradas en bacterias actúan por un mecanismo diferente.)
b) Un modelo molecular basado en cristalografía de rayos X muestra la acción de la topoisomerasa II. En el paso 1, la enzima dimérica tiene una conformación “abierta” lista para unirse al segmento G del DNA, así nombrado porque establece el
punto de partida a través del cual pasa el segmento T-DNA (o DNA transportado). En el paso 2, la enzima ha sufrido un cambio conformacional cuando se une al segmento
G. En los pasos 3 y 4, la enzima se une a una molécula de ATP, el segmento G se corta y el segmento T se traslada a través de la “compuerta” abierta. El estado de rotura representa un intermediario hipotético que lleva hacia afuera el paso en el cual
el segmento T se transporta a través del segmento G. En este estado, ambos extremos cortados del segmento G están unidos de manera covalente a la enzima. En
el paso 5, los dos extremos del segmento G se unen de nueva cuenta y el segmento T se libera. Se ha propuesto que la hidrólisis de ATP y la liberación de ADP y fosfato inorgánico ocurren a medida que el estado de inicio se regenera. c) Tipos de
reacciones que pueden catalizar las topoisomerasas. La parte 1 ilustra las reacciones de superenrollamiento y relajación; la parte 2 las reacciones de anudación
y desanudación; la parte 3 las reacciones de formación de concatameros y desconcatenacion.
Los gorilas Comparten el 98% del material genético con los humanos, con quien tuvieron un antepasado común hace unos ocho millones de años.
"Entre el 5% y el 10% de las regiones del material genético del gorila se repiten y provocan enfermedades que también se dan en humanos, como el autismo y la esquizofrenia".
Nature es la revista científica que ha publicado la secuenciación del genoma de los grandes simios. El primer estudio, del año 2005, analizó el material genético del chimpancé, con quien el ser humano comparte el 99% del genoma. El año pasado, el orangután mereció la portada de la revista, con quien la coincidencia genética es del 96%. Ahora, el gorila con el 98% ocupa un lugar intermedio entre ellos.
Algunos de los genes ligados al sexo
