GUÍA DE ESTUDIO Subsector: Biología Profesores: Ricardo Sánchez A. Fuente: Biocarampangue.cl Nivel: NM4 Fecha: MARZO 2011 I. UNIDAD : INFORMACIÓN GENÉTICA Y PROTEÍNAS II. CONTENIDO : Experimentos que identificaron al DNA como material genético. III. APRENDIZAJE ESPERADO : Conocen los experimentos clásicos que revelaron al DNA como la molécula que contiene la información genética y reflexionan sobre la simpleza de su composición química en comparación con las proteínas. INTRODUCCIÓN El problema de la naturaleza física del gen era uno de los grandes problemas de la biología que había fascinado por años a los científicos. El concepto de gen fue introducido en 1860 por Mendel y recién alrededor de 1920 se realizaron los primeros experimentos que revelaron al DNA como material genético. La clave para el modelo de estudio fue una enigmática observación realizada en 1928 por Frederick Griffith (1879 - 1941) microbiólogo británico, en el curso de experimentos con una bacteria llamada Streptococcus pneumoniae que produce neumonía en humanos y que es generalmente letal en ratones. Su trabajo abrió el camino a experimentos posteriores (Oswald Avery, Colin MacLeod y McCarty en 1944) que demostraron que el ácido desoxirribonucleico (ADN) es el material que, dentro de la célula, transmite los rasgos genéticos. Muchos lo consideran el padre de la biología molecular. LA TRANSFORMACIÓN BACTERIANA La transformación bacteriana es un proceso en el cual se produce un cambio en las características de los organismos debido a transferencia génica. Fue descubierta en 1928 por Frederick Griffith mientras estudiaba los efectos de la infección en ratones por una bacteria que produce neumonía en humanos. Lo neumococos con cápsula producen colonias lisas y brillantes, mientras que los que carecen de cápsula producen colonias rugosas de apariencia opaca. Los neumococos encapsulados que infectan ratones son extremadamente virulentos, es decir, tienen un tremendo poder para producir enfermedad. Una sola bacteria inyectada a un ratón puede multiplicarse rápidamente y causar la muerte del animal. La cápsula protege a las bacterias de las defensas del organismo. EXPERIMENTO DE GRIFFITH Figura 1 Griffith inyectó algunos ratones con neumococos de colonias lisas (encapsulados) virulentas (L), otros con estas mismas bacterias, pero muertas por calor, y también inyectó algunos otros ratones con una mezcla de bacterias, rugosas (R) y bacterias lisas y muertas por calor (Figura 1). Tal como se esperaba, los ratones que recibieron neumococos lisos murieron, en cambio sobrevivieron los que recibieron neumococos lisos muertos o neumococos rugosos. Esto mostró que los restos celulares no eran capaces de causar daño y muerte del animal. Por sorpresa, también murieron los ratones que recibieron neumococos lisos muertos junto con neucomocos rugosos. Griffith aisló de estos animales muertos las bacterias que tenían y se encontró con un hallazgo de crucial importancia. La presencia de bacterias muertas encapsuladas había permitido que las bacterias vivas sin cápsula desarrollaran cápsula y se hicieran virulentas. Ni Griffith ni sus colegas supieron cómo había ocurrido esta transformación. Más aún, generaciones posteriores de estas bacterias mantuvieron el fenotipo virulento. Esta transformación era heredable. Lo que muestra este experimento es que, de alguna manera desconocida en ese momento, los restos celulares de las bacterias virulentas convierten a las bacterias no virulentas en virulentas, siendo estos cambios en las bacterias permanentes y heredables Este proceso se llamó transformación y en la actualidad es utilizado corrientemente en procedimientos de biotecnología. Tras los hallazgos la pregunta surge ¿en qué consiste o cuál es la naturaleza química del material causante de la transformación? ¿Qué significa esto? ¿Que el material genético es físicamente transmisible en un modelo experimental de laboratorio y que se abrió por primera vez la posibilidad de aislarlo? ¿Qué experimento harían a continuación para identificar la molécula responsable de esta transformación? EXPERIMENTOS DE Oswald Avery, Colin MacLeod y McCarty (1944) Dos años después se encontró en el laboratorio de Avery que se podía repetir el experimento dejando de lado la inyección en ratones. Se establecieron condiciones para la transformación bacteriana enteramente en cultivo. Oswald Avery y colaboradores descubrieron que una cápsula de polisacáridos era la responsable de la virulencia de las bacterias y en 1944 se aisló en su laboratorio la sustancia responsable de la transformación, marcando el inicio de la genética molecular. Primero se logró transformar bacterias de colonias “R” en bacterias de colonias “S” cultivándolas en presencia de los restos de bacterias virulentas muertas por calor. Luego se comenzó a aislar los componentes químicos de las bacterias “S” y probar su capacidad de producir la misma transformación en las bacterias “R”. Tal como se ilustra en la figura 2, el elemento transformante resultó ser el DNA, molécula ya conocida bioquímicamente como compuesta por apenas cuatro unidades diferentes. En esa época ya se había aislado DNA de las Figura 2 plantas y animales, pero se creía que eran las proteínas las portadoras de la información genética. Sólo después de que Watson y Crick determinaron la estructura del DNA quedó claro que esta molécula codificaba la información genética. Sin embargo, a pesar de que el trabajo del grupo de Avery realizó numerosas pruebas (Figura 3) para descartar que su preparación no estuviera contaminada por proteínas, por muchos años se siguió pensando que el material genético debía ser proteína. EL EXPERIMENTO DE HERSHEY Y CHASE A pesar del cuidadoso trabajo de Oswald T. Avery y colaboradores en la identificación del Figura 3 ADN como material genético, muchos biólogos no aceptaron el hecho de que este ácido nucleico pudiera contener la compleja información genética. Así, hasta los comienzos de los años cincuenta (1950) muchos todavía continuaban creyendo que las proteínas podrían ser el material génico. En 1952, los genetistas Alfred Hershey y Martha Chase, del Instituto Carnagie, efectuaron una serie de experimentos que demostrarían, en forma concluyente, que el material de los genes es el ADN. Estos investigadores trabajaron con la bacteria intestinal Escherichia coli y un cierto tipo de virus denominados bacteriófagos (fagos en forma abreviada). Estos virus infectan y destruyen a las células de E. coli. Se sabía que los bacteriófagos tenían una forma definida, y en particular, que estaban compuestos sólo por una envoltura proteica y ADN. Era conocido, además, el modo como los fagos invaden a las bacterias, adhiriéndose a la célula bacteriana y luego de alrededor de 25 minutos, la bacteria explota, liberando cientos de nuevos bacteriófagos. Además, este equipo de investigadores tenía un dato muy interesante: conocía que el ADN contiene fósforo, mientras que las proteínas no lo tienen. Por otra parte, las proteínas contienen azufre, en tanto que el ADN no. Hershey y Chase "marcaron" a los virus con material radiactivo para seguir sus huellas. Los bacteriófagos cultivados en un medio con fósforo radiactivo, incorporaron el elemento radioactivo, exclusivamente en el ADN, porque sólo éste contiene átomos de fósforo. Luego, cuando se permitió que bacteriófagos "radiactivos" infectaran a bacterias no radiactivas, éstas se hicieron radiactivas. Dado que es el ADN la sustancia que penetra en la célula, es también el material genético Finalmente hoy se sabe que es el DNA la molécula donde se almacena la información genética en la célula, una especie de librería celular, que contiene toda la información que se requiere para construir y mantener las células y los tejidos de un organismo. La duplicación exacta de esta información en cada una de las especies, de generación en generación, asegura la continuidad genética de cada especie. Esta información está organizada en unidades llamadas genes, que fueron primero identificadas por la genética clásica como unidades de herencia que controlan los rasgos característicos de cada organismo. Departamento de Ciencias GUÍA DE ESTUDIO Subsector: Biología Profesor: Ricardo Sánchez A. Katherine Rivas Fuente: Nivel: NM4 Fecha: Abril 2008 I. UNIDAD : INFORMACIÓN GÉNICA Y PROTEÍNAS II. CONTENIDO : Estructura química del DNA III. APRENDIZAJE ESPERADO : Reconocen la composición química del DNA y la estructura general de los ácidos nucleicos. INTRODUCCIÓN Si bien el período entre principios de siglo y la Segunda Guerra Mundial (1900 a 1940) ha sido considerado la edad de oro de la genética, los científicos aún no habían determinado que, en el ADN y no en las proteínas, se encontraba el material hereditario. Sin embargo en esa época se realizaron muchos descubrimientos genéticos y se estableció la relación entre genética y evolución. El ADN fue aislado por Friedrich Miescher en 1869 de esperma de salmón y de pus de heridas abiertas. Dado que la encontró solamente en los núcleos, Miescher denominó a este compuesto nucleína. Posteriormente se lo cambió a ácido nucleico y por último a ácido desoxirribonucleico (ADN). Robert Feulgen, en 1914, describió un método para revelar por tinción el ADN, basado en el colorante fucsina. Se encontró, utilizando este método, la presencia de ADN en el núcleo de todas las células eucariotas, específicamente en los cromosomas. Durante los años 20, el bioquímico P.A. Levene analizó los componentes del ADN. Encontró que contenía cuatro bases nitrogenadas: citosina, timina, adenina, y guanina; el azúcar desoxirribosa; y un grupo fosfato. El concluyó que la unidad básica (nucleótido) estaba compuesta de una base pegada a un azúcar y que el fosfato también estaba pegado al azúcar y, lamentablemente también concluyó erróneamente que las bases estaban en cantidades iguales y, que un tetranucleótido era la unidad repetitiva de la molécula. Sin embargo queda su idea de la estructura del nucleótido el cual es realmente la unidad fundamental (monómero) del ácido nucleico (polímero). Ahora ya se sabe que la cadena polimérica llamada ADN está formada por unidades, denominadas nucleótido (Figura 1) que consiste en un grupo fosfato unido a un azúcar de 5 carbonos que a su vez se une a una base orgánica. El fosfato le da carácter ácido a los nucleótidos. Las bases generalmente se abrevian A, G, C, y T. Por conveniencia, esta abreviación de una sola letra se usa cuando se escriben las largas secuencias de nucleótidos en el DNA. Los nucleótidos polimerizan para formar ácidos nucleicos en una reacción que deja un extremo de la molécula con un fosfato libre en la posición 5’ del azúcar mientras que en el otro extremo queda un grupo hidroxilo libre en la posición 3’ del azúcar. Esto se conoce como extremos 5’ y 3’ de la molécula. Por convención la secuencia se escribe de 5’ a 3’ y esta direccionalidad o asimetría en los extremos es una propiedad crucial de la molécula. ESQUEMA SIMPLE DE LOS NUCLEÓTIDOS DEL DNA. Figura 1 CARACTERÍSTICAS ELEMENTALES DE LOS NUCLEÓTIDOS La información que dicta las estructuras de la enorme variedad de moléculas de proteínas que se encuentran en los organismos está codificada en moléculas conocidas como ácidos nucleicos. La información contenida en los ácidos nucleicos es transcripta y luego traducida a las proteínas. Son las proteínas las moléculas que finalmente ejecutarán las "instrucciones" codificadas en los ácidos nucleicos. Los ácidos nucleicos están formados por cadenas largas de nucleótidos. Está formado por tres subunidades: un grupo fosfato, un azúcar de cinco carbonos y una base nitrogenada; esta última tiene las propiedades de una base y, además, contiene nitrógeno. La subunidad de azúcar de un nucleótido puede ser ribosa o bien desoxirribosa. Como puede verse, la diferencia estructural entre estos dos azúcares es leve. En la ribosa (Figura 2), el carbono 2 lleva un átomo de hidrógeno por encima del plano del anillo y un grupo hidroxilo por debajo del plano; en la desoxirribosa (Figura 1), el grupo hidroxilo del carbono 2 está reemplazado por un átomo de hidrógeno. Figura 2 Desoxirribosa Figura 3 Desoxirribosa Los nucleótidos pueden unirse en cadenas largas por reacciones de condensación que involucran a los grupos hidroxilo de las subunidades de fosfato y de azúcar. En la figura se muestra una molécula de RNA que, como se observa, está formada por una sola cadena de nucleótidos. Las moléculas de DNA, en cambio, constan de dos cadenas de nucleótidos enrolladas sobre sí mismas, formando una doble hélice. La ribosa es el azúcar en los nucleótidos que forman ácido ribonucleico (RNA) y la desoxirribosa es el azúcar en los nucleótidos que forman ácido desoxirribonucleico (DNA). Hay cinco bases nitrogenadas diferentes en los nucleótidos, que son los sillares de construcción de los ácidos nucleicos. Dos de ellas, la adenina y la guanina, se conocen como purinas. Las otras tres, citosina, timina y uracilo se conocen como pirimidinas. La adenina, la guanina y la citosina se encuentran tanto en el DNA como en el RNA, mientras que la timina se encuentra sólo en el DNA y el uracilo sólo en el RNA. Aunque sus componentes químicos son muy semejantes, el DNA y el RNA desempeñan papeles biológicos muy diferentes. El DNA es el constituyente primario de los cromosomas de las células y es el portador del mensaje genético. La función del RNA es transcribir el mensaje genético presente en el DNA y traducirlo a proteínas. Los nucleótidos, además de su papel en la formación de los ácidos nucleicos, tienen una función independiente y vital para la vida celular. Cuando un nucleótido se modifica por la unión de dos grupos fosfato, se convierte en un transportador de energía, necesario para que se produzcan numerosas reacciones químicas celulares. La energía en los nucleótidos modificados, esta disponible en cantidades convenientes y aceptado en forma generalizada. El principal portador de energía, en casi todos los procesos biológicos, es una molécula llamada adenosín trifosfato o ATP. Figura 4 EL MODELO DE LA MOLÉCULA DE ADN: WATSON Y CRICK (1953) En 1953, James D. Watson y Francis H.C. Crick, dos científicos que trabajaban en la Universidad de Cambridge, Inglaterra, propusieron el modelo que hoy se acepta para la estructura de la molécula de ADN, sobre la base de todos los datos disponibles. Las principales características de la molécula de ADN, de acuerdo con el modelo Watson - Crick, se pueden resumir en los siguientes puntos: 1. 2. 3. 4. 5. 6. . La molécula se compone de dos barras torcidas entre sí, configurando una doble hélice. Cada barra se compone de una cadena de nucleótidos, las que se disponen de manera antiparalela, es decir, una cadena va en dirección 5' 3' y la otra 3' 5'. Los nucleótidos de cada barra se unen entre sí por los grupos fosfatos. Las cuatro bases nitrogenadas se encuentran apareadas con sólo dos posibles combinaciones: A =T y G = C. Las bases nitrogenadas están unidas entre sí por débiles enlaces de hidrógeno, los que son fáciles de romper. Como la secuencia de nucleótidos es el único elemento variable en la molécula, es evidente que debe ser también la propiedad que se utiliza para codificar las instrucciones genéticas. Figura 5: Modelo de la molécula de ADN de Watson y Crick; A: detalle en que se muestra la disposición de los nucleótidos formando enlaces de hidrógeno entre los pares de bases (flecha); B: esquema más general, en que se muestra la organización general de las dos fibras antiparalelas; C: morfología general de la molécula de ADN, la doble hélice A B C