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Universidad Nacional Autónoma deMéxico

Facultad de Química

Genética y Biología MolecularClave 1630

Profesor: Javier Plasencia de la Parra

Departamento de Bioquímica

Lab. 101, Conjunto E

javierp@unam.mx

UNIDAD I. INTRODUCCIÓN YBASES CELULARES DE LA

HERENCIA

Genética y Biología MolecularObjetivos del Curso

• Proporcionar losprincipios básicos enlos que se sustentala Genética y laspredicciones de laherencia.

• Comprender a nivelmolecular en quéconsiste, cómo setransmite y cómo seexpresa lainformacióngenética.

Genética y Biología Molecular Algo de Historia....

Determinan la estructura tridimensional del DNAWatson, Crick1953

Desarrollan método para secuenciar DNAF. Sanger et al.1977

Clonan DNA en un plásmidoBoyer & Cohen1973

Publican la secuencia completa del genoma humanoVenter at al.2001

Desciframiento del código genéticoVarios1966

Demuestra la replicación semiconservativa del DNAMesselson & Stahl1958

Demuetran que el DNA contiene la informacióngenética

Avery et al.1944

Demuestra que los genes están en los cromosomasT. Morgan1910

Proponen la teoría de los cromosomasSutton & Boveri1902

Descubre el DNAF. Miescher1869

Principios de segregación y distribución indep.G. Mendel1865

Publica el “Origen de las Especies”Charles Darwin1859

EventoQuiénAño

Genética y Biología Molecular

GENÉTICA. Estudia las bases y principios de laherencia. Genesis = origen.

Gen o gene: La unidad básica de la herencia. Es unfragmento de DNA con la información para sintetizaruna proteína o un RNA.

BIOLOGÍA MOLECULAR. Estudio de la estructura delos genes y sus funciones a nivel molecular.

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Diagnóstico genético

Amniocentesis

La amniocentesis es una pruebaprenatal se extrae una pequeñamuestra del líquido amnióticoque rodea al feto paraanalizarla.

Se utiliza con frecuencia durante el segundo trimestre de embarazo paradiagnosticar ciertos defectos congénitos cromosómicos y genéticos.

Síndrome de Down: Trisomía 21 (Tres copias del cromosoma 21).

Medicina genómica/ Terapia génica

Introducir célulastransformadas (conun gen intacto) enel tejido somáticopara corregir unafunción defectuosao en la líneagerminal.

Inmunodeficiencia combinada sevéra. Defecto en la desaminasa deadenosina. Células madre de la médula ósea se transforman.

Fitomejoramiento. Aprovechar la diversidad genética en especiesvegetales para generar cultivos resistentes a plagas yenfermedades, con tolerancia a ambientes adversos y de un altorendimiento.

Genómica y Bioinformática

Estudio de laestructura yfunción degenomascompletos.

Genoma humano:

3.5 X 109 pb

Genoma E. coli

4 X 106 pb

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Tamaño Relativo de los Genomas de distintosorganismos.

Pares de Bases

Ingeniería GenéticaProducción de fármacos.

Producción de insulina humana en células de Escherichia coli

Ingeniería Genética

Cultivos de plantas que expresanproteínas bacterianas con actividadinsecticida.

• Plantas resistentes a insectos.

• Plantas resistentes a virus.

• Plantas resistentes a herbicidas.

Durante el Ciclo celular se controla la replicación delDNA y la división de la célula

P-M-A-T

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El dogma central de la Biología Molecular

Replicación. El DNA duplica suinformación antes de la divisióncelular

Transcripción. Parte de lamolécula de DNA (gen) es copiadaa RNA.

Metabolismo del RNA.Procesamiento, transporte.

Traducción. Se traduce lasecuencia de nucleótidos del RNAa secuencia de aminoácidos parasintetizar una proteína.

GEN: La unidad básica de la herencia. Es un fragmento deDNA con la información para sintetizar una proteína o un RNA.

ALELO: Una de las diferentes formas de un gen que puededarse en un locus.

Alelo para chícharos verdes

Alelo para chícharos amarillos

Par de cromosomas homólogosLocus color de frutos

GENOTIPO: Composición alélica específica de una célula o unindividuo. Se refiere al total de su genoma o conjunto de genes.

FENOTIPO: Forma que toma un carácter (o conjunto de éstos)en un individuo particular. Manifestacion externa observable deun genotipo concreto.

Algunas definiciones importantes antes de ver Mitosisy Meiosis

Cromosoma. La molécula de DNA formando uncomplejo con RNA y proteínas y que contiene a losgenes ordenados en forma lineal.

Cromátida. En mitosis o meiosis, una de las dossubunidades idénticas unidas por el centrómero yque resultan de la replicación del cromosoma.

Ploidía. Se refiere al número de juegos (sets) decromosomas o múltiplos. La mayor parte de lascélulas en un humano son diploides (2n); tienen dosjuegos de cromosomas (2 x 23 = 46).

Los gametos (espermatozoides y óvulos) son célulashaploides pues tienen solamente un juego decromosomas (n). En humanos: 23

Relación Genotipo – Fenotipo e influencia del medioambiente

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Carácteres cualitativos están determinados por ungen

carácterGene A

carácter

fenotipo

Carácteres cuantitativos están determinados porvarios genes y son influenciados por el medio

ambiente

Tipos de mutaciones de pares de bases.

CATTCACCTGTACCAGTAAGTGGACATGGT

CATGCACCTGTACCAGTACGTGGACATGGT

CATCCACCTGTACCAGTAGGTGGACATGGT

Transición (T-A to C-G) Transversión (T-A to G-C)

CATCACCTGTACCAGTAGTGGACATGGTDeleción o eliminación

CATGTCACCTGTACCAGTACAGTGGACATGGT

Inserción

Sustituciones de pares de bases transición: pirimidina a pirimidina transversión: pirimidina a purina

Secuencia silvestre

El DNA se encuentra “empacado” en los cromosomas eucariontesEl DNA extendidode una célula demamífero mediríaaproximadamente1 mt delongitud

Segmento de doble hélice

DNA + Histonas =Nucleosomas

Empaquetamiento denucleosomas. Cromatinade 30 nm

Sección de cromosomaen forma extendida

Sección de cromosomaen forma condensada

Cromosoma enmetafase

Octámero deHistonas:

H2A; H2B; H3;H4

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Dado que el DNA es la molécula que almacena lainformación genética, debe ser replicado de unamanera fidedigna.

La mitosis está diseñadaespecíficamente para distribuir loscromosomas de manera equitativa.Se distribuyen copias exactas delmaterial genético.

Céluladiploide

2n

Céluladiploide 2n

Céluladiploide 2n

Mitosis

Durante el Ciclo celular se controla la replicación delDNA y la división de la célula

P-M-A-T

El centrosoma o “centro organizador de microtúbulos” es unazona en el citoplasma de la célula donde se producen losmicrotúbulos. Cada centrosoma contiene un par de centriolosque se componen de fibras formadas por microtúbulos.

Los microtúbulos se elongan por la oligomerización de tubulinas y

I. Profase: En el núcleo, la cromatina secondensa. Se observan los cromosomas que sehan duplicado están unidos por el centrómero.(Cromátidas). Se degrada la envoltura nuclear.

En el citoplasma, los centrosomas se muevenhacia los polos de la célula y las fibras del “husomitótico” empiezan a elongarse.

II. Metafase: Las fibras del huso se unen alos centrómeros del cromosoma en unasestructuras especializadas llamadascinetocoros. Hay un cinetocoro en cada unade las cromátidas.

Los cromosomas migran hacia la línea mediaentre los dos centrosomas.

MITOSIS

Plano de la metafase

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III. Anafase: El centrómero se rompe y lascromátidas se mueven hacia los polosopuestos endirección de los respectivoscentrosomas. Ahora que están separadas, lascromátidas se denominan cromosomas.

IV. Telofase: Los dos juegos decromosomas alcanzan los polos de lacélula y comienzan a desenrrollarse. Sesintetiza la envoltura nuclear alrededorde los cromosomas para formar losnúcleos. Ocurre la división celular(citocinesis) y se tienen dos célulashijas idénticas.

METAFASE

PROFASE

ANAFASE TELOFASE

http://www.sciencephoto.com/index.html

Mitosis en células epiteliales de Xenopus sp.

¿Cómo se puede explicar una amplia diversidadgenética en una especie?

Phaseolus vulgaris Zea mays

¿Cómo se puede explicar una amplia diversidadgenética en una especie?

Canis familiaris

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Esta diversidad genética se genera por la reproducciónsexual, en la que se combina la información de doscélulas que provienen de individuos distintos.

Cada uno de los padres contribuye con un gametohaploide (n) que se fusionan para producir un cigoto.

El cigoto es una célula diploide (2n).

Céluladiploide

2n

Célulahaploide n

Meiosis I

Célulahaploide n

Célulahaploide n

Célulahaploide n

Célulahaploide n

Célulahaploide n

Los gametos haploides se generan por dos eventos de MEIOSIS

Meiosis II

Meiosis• Involucra dos divisiones celulares que resultan

en células hijas (gametos) con la mitad delnúmero de cromosomas que las célulasparentales.

• En la meiosis ocurre intercambio de materialgenético en cromosomas homólogos a travésde la recombinación que ocurre al final de laprofase I.

• La recombinación resulta en nuevascombinaciones de alelos de distintos genes enun cromosoma.

Cromosomas homólogos

Una célula diploide tiene doscopias de cada cromosoma. Unjuego proviene del padre y elotro de la madre.

M

P

Los cromosomas M1 yP1 son homólogos pues contienen losmismos genes en el mismo orden. Lo mismo M2 y P2 etc.

Gen aGen a

M1 P1

Duplicación decromosomas

Recombinaciónde cromosomashomólogos

Alineamiento Separación decromosomas

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Durante la meiosis ocurre entrecruzamiento yrecombinación de los cromosomas homólogos

M1 P1

Duplicación decromosomas

Recombinaciónde cromosomashomólogos

Alineamiento Separación decromosomas

A diferencia de la mitosis, durante la metafase I de la meiosis, sealinean los pares de los cromosomas homólogos. Durante la anafaseestos pares se separan y se distribuyen al azar. Pares M y P quedandistribuidos en las dos células después de la división.

Meiosis II

En la meiosis II ocurre una división longitudinal de lascromátidas y una subsecuente división celular. Cada célula hijacontiene un cromosoma del par cromosomal y por lo tanto soncélulas haploides.

Debido a la recombinación, los cromosomas de las células hijasno son idénticos a los de la célula original.

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Comparación entre Meiosis y Mitosis

Los cromosomashomólogos seasocian. Losmicrotúbulossolamente sepueden unir aun lado de cadacentrómero

Losmicrotúbulosseparan a loscromosomashomólogos perolas cromátidashermanas semantienenunidas.

Los cromosomashomólogos nose emparejan.se asocian. Losmicrotúbulos seunen a cadalado delcentrómero.

Losmicrotúbulosseparan a lascromátidashermanas.

En resumen, la meiosis tiene tres funciones:

1. Reducir el número de cromosomas de diploide(2n) a haploide (n).

2. Asegurarse de que las células haploides esténcompuestas de un set completo de cromosomas.

3. Promover diversidad genética.

Debido a todas las posibles combinaciones enla distribución de los cromosomas, se puedengenerar miles a millones de combinacionesdiferentes. Esto depende del número decromosomas.

Para humanos: 222 = 4,194,304 gametos distintos.

Gameto paterno Gameto materno

Pares homólogos

Gametospotenciales

Meiosis: Generación de diversidad

En mamíferos, los gametos son producidos en las gónadas poreventos meióticos que difieren en machos y hembras, tanto en

tiempo, como en resultado.

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Ovogénesis. Meiosis I

Cuerpopolar

Oocitosecundario

Los oocitos primariosse forman desde laetapa fetal. Sedetiene en la etapade diploteno de laprofase I.

Aprox. a los 8 mesesya estan formadoslos oocitos primarios.

A partir de la pubertad, por efectos hormonales,se desprende un ovocito en cada ciclo menstrual,se concluye entonces la primera división meióticay se inicia la segunda.

El oocito primario sufre una división meiótica, pero el citoplasma sedivide en forma asimétrica pues se forman dos células de tamañodistinto:

• Una célula grande oocito secundario.

• Una célula pequeña llamada cuerpo polar.

Oocitosecundario

Ovogénesis. Meiosis II

Cuando el oocito se divide se forma el oocito maduro y otrocuerpo polar.

El cuerpo polar también se divide generando otros doscuerpos polares. Sin embargo, éstos ya no se desarrollan ymueren.

Espermatogénesis. Meiosis I

El espermatocito primario que es diploide da origen a dosespermatocitos secundarios que tienen un set de cromosomashaploides duplicados.

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Espermatogénesis. Meiosis II

Cada espermatocito se divide para forma espermátidoshaploides. Estos maduran para formar espermatozoides.

Meiosis – Testículos de Ratón

Fertilización: fusión de gametos para formar un cigoto

A human egg is never alone. When released from the ovary, the ooycte (orange) issurrounded by two structures: a matrix of glycoproteins, called the zona pellucida (brownrim), and a layer of follicler cells, called the corona radiata (yellow). Human fertilizationbegins when the sperm finds its way through the corona radiata and binds to a sugar

group in the zona pellucida.

Image: Light micrograph showing sperm and an egg cell (or ovum) at the moment ofconception

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El esp. Seacerca alovocito

Las enzimas delesp. digieren lacapa externa

Las proteínas delesp. se unen areceptores

Fusión de las membranas

El núcleo del esp. penetra alcitoplasma

Fusión de losnúcleos

Fertilización: Fusión de dos gametos haploides para formar uncigoto diploide.

Formacióndel cigoto

ZonaPelucida

Gránuloscorticales

¿Cómo se previene que ocurra la fertilización por muchosespermatozoides?

La fusión del primer espermatozoidedispara un mecanismo de señalizacióny elevación de Ca2+ intracelular.

Esto causa que los granos corticalesliberen enzimas hidrolíticas que van amodificar a las glicoproteínas de la ZP.La ZP se vuelve rígida y se evita lafusión de otros espermatozoides.

Los dos núcleos haploides (pronúcleos) migran hacia el centro delovocito fecundado. Cuando hay contacto entre las envolturas nucleares,éstas se comienzan a degradar y los cromosomas contenidos se integranen un huso mitótico para la primera división del zigoto.

Gemelos monocigotos (idénticos)

Un ovocito fertilizado que se divide en dos células idénticasdurante las etapas tempranas del desarrollo embrionario, dandolugar a dos fetos.

Gemelos dicigotos (no idénticos): Dos ovocitos liberadossimultáneamente y fertilizados al por distintos espermatozoides.

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Formación de gametos en vegetales.

Las flores son los órganosreproductivos en las plantas.Una vez que se han formado,el siguiente paso en el cicloreproductivo es lagametogénesis.

Megagametogénesis:Formación del sacoembrionario.

Microgametogénesis:Formación del polen.

ovarioestiloestigma

anterasfilamentos

pétalos

La mayoría de las plantas tienen flores compuestasque contienen a los órganos masculinos y femeninos.

Hay especies que tienen las flores masc. y fem. separadas en elmismo individuo, por ejemplo maíz.

En otras especies, las flores masc. y fem. se encuentran enindividuos distintos (ej. Espárrago, espinaca).

Desarrollo de gametos y fecundación