TEMA 1 Naturaleza Y Estructura DEL Material GenÉtico PDF

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TEMA 1: NATURALEZA Y ESTRUCTURA DEL MATERIAL GENÉTICO La Genética se define como el estudio de la herencia. Se ocupa de las propiedades físico químicas y biológicas del material hereditario, de cómo la información que contiene se expresa en el desarrollo de un individuo, de cómo se transmite de una generación a la siguiente, y de cómo cambia a lo largo del tiempo. El fenómeno de la herencia ha interesado a la humanidad desde el inicio de la civilización, pero su naturaleza sólo ha comenzado a entenderse en detalle en los últimos 150 años. En este corto periodo de tiempo se ha demostrado que la información hereditaria se transmite según unas leyes específicas, que dicha información reside en los cromosomas y está contenida en un tipo concreto de molécula, que está escrita en un código genético preciso, y que es leída de forma ordenada por cada célula para determinar la forma y la función de cada organismo. ➔ La Genética como conjunto de principios y procedimientos analíticos comienza en 1865 cuando Gregor Mendel publica sus trabajos. Mendel concluyó que los caracteres de los guisantes (como la altura de la planta y el color de la flor) están controlados por unidades hereditarias discretas (que ahora llamamos genes). Además concluyó que los genes que controlan un carácter están en parejas, y que los miembros de cada pareja se separan en la formación de gametos. Su trabajo se publicó en 1866, pero fue ignorado hasta que en 1900 Correns, de Vries y Tschermak redescubrieron sus trabajos llegando de forma independiente a idénticas conclusiones. ➔ Boveri y Sutton observaron la similitud entre el comportamiento de los factores mendelianos y la segregación de cromosomas durante la meiosis, proponiendo en 1902 la teoría cromosómica de la herencia según la cual los cromosomas son los portadores de las unidades mendelianas de la herencia (genes). El término gen fue propuesto por el danés Johannsen en 1909. ➔ En 1869, el médico suizo Miescher descubrió y aisló por primera vez el ADN a partir del núcleo de los glóbulos blancos. A estas moléculas, las cuales tenían un alto contenido en fósforo y bajo de azufre (a diferencia de las proteínas), las llamó nucleínas. ➔ En 1910, Levene propuso la hipótesis del tetranucleótido, en la cual el ADN está formado por cuatro núcleotidos repetidos de forma monótona. ➔ El primer paso hacia la identificación de la naturaleza del material genético tuvo lugar en 1928, cuando Griffith realizó sus experimentos: utilizó dos cepas de Diploccocus pneumoniae, una virulenta (con cápsula de mucopolisacáridos) y otra no virulenta (sin capa de mucopolisacáridos). En sus experimentos, observó que cuando inyectaba a un ratón una mezcla de células virulentas(IIIS) muertas y células no virulentas (IIR) el ratón moría. Con esto concluyó que había “algo” que pasaba de las bacterias virulentas a las no virulentas y las transformaba en IIIS. A ese algo lo llamó principio transformante. También se dió cuenta que esa característica era hereditaria.

➔ En 1944, Avery, McLeod y McCarthy aislaron el principio transformante, demostrando que posee las características del ácido desoxirribonucleico, ADN. ➔ En 1952, Hosey y Chase descubrieron que el ADN es el material genético de los bacteriófagos. En su experimento marcaron ADN y proteínas con isótopos radiactivos para saber qué era lo que inyectaban los bacteriófagos. Utilizaron fósforo (marcaba en ADN) y azufre (marcaba las proteínas) radiactivos y, realizando los experimentos por separado, observaron que los fagos radiactivos que se originaron fue sólo en el caso del marcaje con fósforo. COMPOSICIÓN DEL ADN Los ácidos nucleicos (ADN y ARN), son polímeros de nucleótidos. Un nucleótido se compone de una base  nitrogenada, una molécula de azúcar y un grupo fosfato. La combinación de la base y el azúcar se denomina nucleósido, siendo los nucleótidos ésteres fosfóricos de los nucleósidos. El azúcar de cada nucleótido se une a la base por la posición 1’ y al fosfato por la 5’ Bases nitrogenadas: ➢ Púricas(dos anillos): Adenina(A) y Guanina (G). Se unen al azúcar por su N₉. ➢ Pirimidínicas (un anillo): Timina (T), Citosina (C) y uracilo (U). Se unen al azúcar por su N₁. El azúcar del ADN es la 2-desoxirribosa y no contiene Uracilo mientras que el azúcar de ARN es la ribosa y no contiene Timina.

Los nucleótidos se unen entre sí por enlaces covalentes de tipo fosfodiéster que se establecen entre la posición 5’ del azúcar de cada nucleótido y la 3’ del azúcar del nucleótido vecino. Por tanto, los polinucleótidos son moléculas polarizadas, ya que sus extremos 3’-OH y 5’-fosfato son diferentes. ➔ En 1948, Chargaff descubrió que, dependiendo de la especie, variaba la composición de bases y que además, independientemente de la especie, existía una proporción entre ellas (A:T y G:C). ➔ En 1952, Rosalind Franklin analizó el ADN mediante difracción de rayos X. Para ello, tuvo que conseguir cristales de ADN sobre los que hizo incidir un haz de rayos X. Viendo la película fotográfica descubrió que era una estructura con periodicidad y una doble hélice helicoidal.

➔ Watson y Crick probaron diferentes estructuras para el ADN: ➢ Si se unían dos piridinas la cadena sería muy delgada mientras que para dos purinas la cadena sería muy gruesa. ➢ Si se enfrentaban dos grupos fosfato se repelían al estar cargados negativamente. Finalmente, en 1953, proponen la estructura real del ADN-B: se trata de una doble hélice helicoidal en la que las bases están enfrentadas (púrica con pirimidínica) y existe complementariedad entre ellas. Dicha hélice es dextrógira y las 2 cadenas tienen polaridad opuesta, es decir, son antiparalelas. 5’------------3’ 3’------------5’ Ambas cadenas se unen entre sí mediante puentes de hidrógeno que se establecen entre las bases (G ≡ C y A=T). Éstas se disponen en un plano perpendicular a los esqueletos azúcar-fosfato situados en la parte externa de la molécula. En el interior hidrofóbico de la molécula se encuentran apiladas las bases de cada cadena, interaccionando mediante fuerzas de Van der Waals. Dichas fuerzas, junto con los puentes de hidrógeno, estabilizan la hélice. La doble hélice tiene un diámetro de 20 Ȧ y cada 34 Ȧ y 10 pares de nucleótidos ésta da una vuelta completa. En consecuencia: ➢ La distancia internucleotídica es de 3,4 Ȧ ➢ Cada par de bases no ocupan exactamente el centro de la fibra, es decir, los esqueletos de las dos cadenas no están diametralmente opuestos. Por tanto, al ir girando, la hélice genera un surco mayor y un surco menor.

El modelo de doble hélice ofrece una explicación molecular par cada una de las tres propiedades fundamentales del material genético: ➢ Capacidad de autorreplicación, resuelta con complementariedad química entre las dos cadenas. ➢ Potencial informativo, resuelto con la libertad de secuencias a lo largo de una cadena. ➢ Capacidad de variación y, por tanto, de evolución: un cambio en la secuencia de nucleótidos origina un cambio en la herencia. OTRAS FORMAS DE ADN El ADN-B es el predominante en condiciones fisiológicas, sin embargo, existen otras formas que se presentan en determinadas condiciones de salinidad e hidratación: el ADN-A y ADN-Z. ➔ ADN-A: prevalece bajo condiciones de alta salinidad o deshidratación. Es ligeramente más compacto que el ADN-B, con 9 pares de bases en cada vuelta de la hélice. A pesar de que también es dextrógiro, las bases están orientadas lateralmente hacia el eje de la hélice, lo que provoca una modificación en la apariencia del surco mayor y menor. Diámetro: 23 Ȧ. ➔ ADN-Z: es una doble hélice levógira. Contiene 12 pares de bases por vuelta y adquiere una conformación en zigzag. Diámetro: 18 Ȧ ARN Es similar a la del ADN, sin embargo, el ARN es de cadena sencilla, aunque destacan dos excepciones importantes: ➔ Algunas veces las moléculas de ARN se pliegan sobre sí mismas para formar regiones de doble cadena de pares de bases complementarias. ➔ Algunos virus animales que tienen ARN como material genético contienen hélices de doble cadena. Como ya hemos comentado antes, su azúcar es la ribosa y contiene Uracilo en lugar de Timina (que es complementario a la Adenina en la síntesis de ARN). Existen 3 tipos de ARN: transferente, ribosómico y mensajero. (Ver en la bibliografía) PROPIEDADES DE LOS ÁCIDOS NUCLEICOS Absorción de luz ultravioleta En solución acuosa, los ácidos nucleicos presentan una mayor absorción de luz ultravioleta para una longitud de onda de 260 nm, debido a la interacción entre luz UV y los sistemas anulares de las bases nitrogenadas. Por lo tanto, una molécula de ADN monocatenario absorberá más intensidad de luz al estar sus bases nitrogenadas más expuestas. Desnaturalización Cuando se produce la desnaturalización de un ADN monocatenario, se rompen los puentes de hidrógeno, la hélice se desenrolla y las cadenas se separan. Con esto, la absorción UV aumenta. La desnaturalización puede provocarse mediante calentamiento o con tratamiento químico.

➔ Curva de fusión: representación gráfica de la absorción a 260 nm frente a la temperatura de calentamiento. Al punto medio de esta curva se le llama temperatura de fusión, y representa el punto en que el 50% de las cadenas están desenrrolladas.

Puesto que los pares de bases G y C tienen un enlace más que los pares de A y T, son más estables al tratamiento por calor. Así, un ADN con mayor proporción de G ≡ C requiere temperaturas más altas para desnaturalizarse completamente. El proceso de desnaturalización es reversible: si el ADN se enfría lentamente, las colisiones aleatorias entre cadenas complementarias daría lugar a su reasociación. Electroforesis en gel de agarosa La electroforesis separa moléculas de una mezcla haciéndolas migrar bajo la influencia de un campo eléctrico. El uso de geles de agarosa nos permiten separar dos moléculas con la misma relación carga:masa pero tamaños diferentes. Las moléculas pequeñas migran a través del gel a una velocidad mayor que las más grandes, debido a la matriz de poros del gel, ue restringe el movimiento a la moléculas más grandes. Una vez finalizada la electroforesis, las bandas que representan las moléculas de distinto tamaño se identifican por autorradiografía o mediante un colorante fluorescente (como bromuro de etidio) que se une a los ácidos nucleicos....