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MECANISMOS DE LA

HERENCIA

Cromosomas y el DNA

• Una vez Morgan y su grupo determinaron

que los dos componentes de los

cromosomas son el DNA y las proteínas,

mucha especulación se originó con las

proteínas. Sus propiedades físicas y

químicas eran bastantes definidas y

uniformes pero, poco se sabía de los

ácidos nucleicos.

El DNA Como Material Hereditario

• Originalmente se pensaba que el material

hereditario se almacenaba en forma de

proteínas. Durante la década de los 1940

esta era la idea que predominaba en la

comunidad científica. El hecho de que la

genética se desarrollara de forma paralela

con la bioquímica ayudó grandemente a

que se descubrieran las bases

moleculares verdaderas de la genética.

• El papel del DNA en la transmisión de las

características hereditarias se estudió

primeramente en las bacterias y en los

virus que las infectaban. Estos

organismos son más simples que los

guisantes, las moscas o los seres

humanos.

Experimento de Griffith-Avery:

Principio Transformador

• En el 1928, Frederick Griffith realizó

trabajos con cepas de bacterias

(neumococos) que lo llevaron a descubrir

lo que él llamó el principio transformador.

Se conocía que una cepa lisa S (smooth)

era virulenta o letal al inyectarse a

ratones, éstos desarrollaban neumonía y

morían. Existía otra cepa, R (rugosa) la

cuál era no letal.

Experimento de Grffith-Avery:

Principio Transformador cont.

• Griffith encontró que al inyectar la cepa S

a ratones, todos morían, mientras que al

inyectar la cepa R, los ratones

sobrevivían. Cuando una mezcla de

células de la cepa S muertas por calor y

células R vivas se le inyectaba a los

ratones, la mayoría de éstos moría.

Posteriormente,se podía aislar células de

la cepa S vivas en los ratones muertos.

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• El bacteriólogo Oswald Avery continuó

más tarde los trabajos de Griffith.

• Se concentró en el DNA, RNA y las

proteínas.

• Avery rompió la cubierta de la bacteria

patogénica muerta por calor y extrajo el

contenido celular.

• En muestras separadas, usó tratamientos

específicos que inactivaron cada uno de

los tres tipos de moléculas(DNA,RNA y las

proteínas).

• Luego usó cada muestra para medir su

habilidad para transformar bacterias vivas

no patógenas.

• Sólo cuando el DNA se mantenía activo

ocurría la transformación.

• En 1944, Avery y sus colegas Maclyn,

McCarty y MacLeod anunciaron que el

agente transformador era el DNA

Experimento de Hershey-Chase:

Bacteriófagos

• En el 1952 Alfred Hershey y Martha Chase realizaron una serie de experimentos sobre la producción de bacteriófagos (virus que infectan bacterias). La demostración de Hershey y Chase de que los bacteriófagos inyectan su DNA en las células bacterianas y dejan la mayor parte de sus proteínas en el exterior puso de relieve la importancia del DNA en la reproducción de los virus y fue considerada por muchos como otra indicación importante de que el DNA era el material hereditario.

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Modelo del DNA: Watson y Crick

• El DNA no fue ampliamente aceptado

como material genético hasta que James

Watson y Francis Crick propusieron un

modelo para su estructura, el cual era

extraordinariamente explicativo. Cuando

Watson y Crick se interesaron en el

estudio del DNA ya se conocían muchas

de sus propiedades físicas y químicas.

Modelo del DNA: Watson y Crick

cont.

• Su gran contribución fue integrar toda esa

información en un modelo que demuestra

cómo la molécula puede al mismo tiempo

contener información y servir como su

propia plantilla para autorreplicarse.

• Cuando Watson y Crick comenzaron a intentar

descifrar la estructura del DNA, ya Wilkins y

Franklin habían obtenido información importante

sobre la misma utilizando la técnica de

difracción de rayos X en cristales de DNA

purificado. Las imágenes demostraban de

manera clara que el DNA tiene un tipo de

estructura helicoidal y tres tipos principales de

patrones repetitivos en la molécula, con las

dimensiones de 0.34, 3.4 y 2.0 nm.

Modelo del DNA: Watson y Crick

cont.

• Después de intentarlo en varias

ocasiones, estos investigadores lograron

un modelo compatible con los datos

existentes. Las cadenas nucleotídicas se

ajustaban a las dimensiones de las

características radiográficas, sólo si cada

molécula de DNA consistía en dos

cadenas polinucleotídicas dispuestas en

una doble hélice.

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Modelo del DNA: Watson y Crick

cont.

• En su modelo, los esqueletos de azúcar y

fosfato de las dos cadenas constituían la

parte externa de la hélice. Las bases

pertenecientes a las dos cadenas se

asociaban en pares en el centro.

• Otro aspecto necesario para que el

modelo funcionara, es que las dos

cadenas deben estar dispuestas en

sentido opuesto, de este modo, cada

extremo de la doble hélice debe tener un

fosfato 5‘ expuesto en una cadena y un

grupo hidroxilo 3‘ en la otra. Como las

cadenas corren en sentidos opuestos, se

dice que son antiparalelas.

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Duplicación del DNA

• “No ha escapado a nuestra atención, el

hecho de que el apareamiento específico

de bases que hemos postulado sugiere de

inmediato un posible mecanismo de

copiado para el material genético.”

(fragmento del artículo original de Watson

y Crick).

Duplicación del DNA cont.

• El modelo sugería que, como los

nucleótidos se parean entre sí de manera

complementaria, cada cadena de la

molécula de DNA podría servir como

plantilla o patrón para la síntesis de la

cadena opuesta. Solo sería necesario

que los enlaces de hidrógeno entre las

dos cadenas se rompieran y que las dos

cadenas se separaran.

Duplicación del DNA cont.

• Cada semihélice podría entonces parearse con nucleótidos complementarios para restituir al compañero faltante. El resultado serían dos dobles hélices de DNA, cada una idéntica a la original y consistente en una cadena complementaria recién sintetizada. Este tipo de copiado de información se conoce como mecanismo de duplicación semiconservativa.

Duplicación del DNA cont.

• El reconocer que el DNA podía duplicarse

de esta forma explica, además la manera

en que pueden ocurrir las mutaciones y

que las mismas puedan ser transmitidas a

otras generaciones.

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Duplicación del DNA cont.

• El modelo de la duplicación semiconservativa

fue probado por los experimentos de Meselson

y Stalh. Estos investigadores utilizaron un

isótopo de Nitrógeno (15N) para marcar el DNA

de bacterias. Al cultivar las bacterias con el

DNA marcado en un medio con el nitrógeno

normal se encontró que las cadenas de DNA

formadas tenían la mitad con nitrógeno pesado

(15N) y la otra mitad con nitrógeno normal (14N).

Duplicación del DNA cont.

• El proceso requiere una “máquina de

duplicación” compleja que contiene una

gran cantidad de enzímas y proteínas.

Muchas de las características escenciales

de la duplicación del DNA son universales,

pero existen algunas diferencias entre

procariotes y eucariotes, debido a que su

DNA se organiza de forma diferente.

Duplicación del DNA cont.

• En células bacterianas como E. coli, todo

o casi todo el DNA se encuentra en forma

de una sola doble cadena de forma

circular. Cada cromosoma eucariótico no

duplicado contiene una sola doble cadena

lineal, asociada a una gran cantidad de

proteínas.

Duplicación del DNA cont.

• Las cadenas de DNA deben desenrollarse

durante la duplicación. El desenrollamiento es

efectuado por enzimas helicasas de DNA, las

cuales recorren la hélice, desenrollando las

cadenas a medida que avanzan. Una vez que

las cadenas están separadas, proteínas

desestabilizadoras de la hélice se unen por

separado a la cadena, impidiendo que vuelva a

formarse la doble hélice mientras se copian las

cadenas.

Duplicación del DNA cont.

• La síntesis de DNA siempre procede en

sentido 5'→3‘. Las enzímas que catalizan

la unión de las subunidades nucleotídicas

se denominan polimerasas de DNA solo

pueden añadir nucleótidos en el extremo

3‘ de una cadena polinucleotídica en

crecimiento, y esta cadena debe estar

pareada a la cadena que se está

copiando.

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Duplicación del DNA cont.

• Para la síntesis de DNA se requiere un

RNA cebador (RNA primer). El RNA

cebador es sintetizado por un complejo

proteínico que se denomina primosoma,

que incluye una enzima capaz de

comenzar una nueva cadena de RNA

opuesta a la cadena de DNA.

Duplicación del DNA cont.

• Luego que se han agregado unos pocos

nucleótidos, la polimerasa de DNA

desplaza el primosoma y puede entonces

agregar subunidades al extremo 3‘ del

corto RNA cebador. Este es degradado

después por enzimas específicas y el

espacio es ocupado por ácido

desoxirribonucleico (DNA).

Duplicación del DNA cont.

• La duplicación del DNA es discontínua en

una cadena y contínua en otra. La

duplicación comienza en sitios

específicos de la molécula de DNA,

denominados orígenes de duplicación y

ambas cadenas se duplican al mismo

tiempo en una estructura en forma de Y

que se conoce como Horquilla de

duplicación (o punto de crecimiento).

Duplicación del DNA cont.

• La posición de la horquilla de duplicación

está en constante desplazamiento a

medida que el proceso avanza a cargo de

dos moléculas de polimerasa de DNA

idénticas. Una de las cadenas (5'→3‘) se

forma de manera continua y uniforme

(cadena directora).

• La segunda cadena se conoce como

seguidora y crece en sentido opuesto a la

horquilla de duplicación. Debido a que

esta cadena se sintetiza en sentido

opuesto a la horquilla, los fragmentos que

se añaden tienen que ser cortos (100 a

1,000 nucleótidos) y se denominan

fragmentos de Okazaki, en honor a su

descubridor, Reijii Okazaki.