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Universidad Nacional Autnoma de Mxico

Facultad de Qumica

Gentica y Biologa Molecular

Clave 1630

Profesor: Javier Plasencia de la Parra

Departamento de Bioqumica

Lab. 101, Conjunto E

javierp@unam.mx

UNIDAD I. INTRODUCCIN Y BASES CELULARES DE LA

HERENCIA

Gentica y Biologa MolecularObjetivos del Curso

Proporcionar los principios bsicos en los que se sustenta la Gentica y las predicciones de la herencia.

Comprender a nivel molecular en quconsiste, cmo se transmite y cmo se expresa la informacin gentica.

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Durante el Ciclo celular se controla la replicacin del DNA y la divisin de la clula

P-M-A-T

El dogma central de la Biologa Molecular

Replicacin. El DNA duplica su informacin antes de la divisin celular

Transcripcin. Parte de la molcula de DNA (gen) es copiada a RNA.

Metabolismo del RNA.Procesamiento, transporte.

Traduccin. Se traduce la secuencia de nucletidos del RNA a secuencia de aminocidos para sintetizar una protena.

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Gentica y Biologa Molecular Algo de Historia....

Determinan la estructura tridimensional del DNAWatson, Crick1953

Desarrollan mtodo para secuenciar DNAF. Sanger et al.1977

Clonan DNA en un plsmidoBoyer & Cohen1973

Publican la secuencia completa del genoma humanoVenter at al.2001

Desciframiento del cdigo genticoVarios1966

Demuestra la replicacin semiconservativa del DNAMesselson & Stahl1958

Demuetran que el DNA contiene la informacin gentica

Avery et al.1944

Demuestra que los genes estn en los cromosomasT. Morgan1910

Proponen la teora de los cromosomasSutton & Boveri1902

Descubre el DNAF. Miescher1869

Principios de segregacin y distribucin indep.G. Mendel1865

Publica el Origen de las EspeciesCharles Darwin1859

EventoQuinAo

Gentica y Biologa Molecular

GENTICA. Estudia las bases y principios de la herencia. Genesis = origen.

Gen o gene: La unidad bsica de la herencia. Es un fragmento de DNA con la informacin para sintetizar una protena o un RNA.

BIOLOGA MOLECULAR. Estudio de la estructura de los genes y sus funciones a nivel molecular.

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Diagnstico gentico

Amniocentesis

La amniocentesis es una pruebaprenatal se extrae una pequeamuestra del lquido amniticoque rodea al feto paraanalizarla.

Se utiliza con frecuencia durante el segundo trimestre de embarazo paradiagnosticar ciertos defectos congnitos cromosmicos y genticos.

Sndrome de Down: Trisoma 21 (Tres copias del cromosoma 21).

Medicina genmica

Bsqueda, identificacin y asociacin de SNPs (single-nucleotidepolymorphism con enfermedades.

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Fitomejoramiento. Aprovechar la diversidad gentica en especies vegetales para generar cultivos resistentes a plagas y enfermedades, con tolerancia a ambientes adversos y de un alto rendimiento.

Genmica y Bioinformtica

Estudio de la estructura y funcin de genomas completos.

Genoma humano:

3.5 X 109 pb

Genoma E. coli

4 X 106 pb

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Tamao Relativo de los Genomas de distintos organismos.

Pares de Bases

Ingeniera Gentica

Produccin de frmacos.

Produccin de insulina humana en clulas de Escherichia coli

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Ingeniera Gentica

Cultivos de plantas que expresan protenas bacterianas con actividad insecticida.

Plantas resistentes a insectos.

Plantas resistentes a virus.

Plantas resistentes a herbicidas.

Investigacin y Desarrollo

Genmica Funcional

Genmica Reversa

Estudio de la expresin de los genes mediante mutantes que carecen de ese gen y/o organismos transgnicos que sobreexpresan ese gen.

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Durante el Ciclo celular se controla la replicacin del DNA y la divisin de la clula

P-M-A-T

El dogma central de la Biologa Molecular

Replicacin. El DNA duplica su informacin antes de la divisin celular

Transcripcin. Parte de la molcula de DNA (gen) es copiada a RNA.

Metabolismo del RNA.Procesamiento, transporte.

Traduccin. Se traduce la secuencia de nucletidos del RNA a secuencia de aminocidos para sintetizar una protena.

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Algunas definiciones importantes antes de ver Mitosis y Meiosis

Ploida. Se refiere al nmero de juegos (sets) de cromosomas o mltiplos. La mayor parte de las clulas en un humano son diploides (2n); tienen dos juegos de cromosomas (2 x 23 = 46).

Los gametos (espermatozoides y vulos) son clulas haploides pues tienen solamente un juego de cromosomas (n). En humanos: 23

Haploide (n) Diploide (2n)

GEN: La unidad bsica de la herencia. Es un fragmento de DNA con la informacin para sintetizar una protena o un RNA.

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

Alelo para chcharos verdes

Alelo para chcharos amarillos

Par de cromosomas homlogosLocus color de frutos

GENOTIPO: Composicin allica especfica de una clula o un individuo. Se refiere al total de su genoma o conjunto de genes.

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

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Relacin Genotipo Fenotipo e influencia del medio ambiente

Carcteres cualitativos estn determinados por un gen

carcterGene A

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carcter

fenotipo

Carcteres cuantitativos estn determinados por varios genes y son influenciados por el medio

ambiente

Mutacin. Evento que da lugar a una secuencia de un gen diferente a la del silvestre

CATTCACCTGTACCAGTAAGTGGACATGGT

CATGCACCTGTACCAGTACGTGGACATGGT

CATCCACCTGTACCAGTAGGTGGACATGGT

Transicin (T-A a C-G) Transversin (T-A to G-C)

CATCACCTGTACCAGTAGTGGACATGGT

Delecin o eliminacin

CATGTCACCTGTACCAGTACAGTGGACATGGT

Insercin

Secuencia silvestre

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Algunas definiciones importantes antes de ver Mitosis y Meiosis

Cromosoma. La molcula de DNA formando un complejo con RNA y protenas y que contiene a los genes ordenados en forma lineal.

Cromtida. En mitosis o meiosis, una de las dos subunidades idnticas unidas por el centrmero y que resultan de la replicacin del cromosoma.

El DNA se encuentra empacado en los cromosomas eucariontesEl DNA extendido de una clula de mamfero medira aproximadamente 1 mt delongitud

Segmento de doble hlice

DNA + Histonas = Nucleosomas

Empaquetamiento de nucleosomas. Cromatina de 30 nm

Seccin de cromosoma en forma extendida

Seccin de cromosoma en forma condensada

Cromosoma en metafase

Octmero de Histonas:

H2A; H2B; H3;H4

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Dado que el DNA es la molcula que almacena la informacin gentica, debe ser replicado de una manera fidedigna.

La mitosis est diseada especficamente para distribuir los cromosomas de manera equitativa. Se distribuyen copias exactas del material gentico.

Clula diploide

2n

Clula diploide 2n

Clula diploide 2n

Mitosis

Durante el Ciclo celular se controla la replicacin del DNA y la divisin de la clula

P-M-A-T

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El centrosoma o centro organizador de microtbulos es una zona en el citoplasma de la clula donde se producen los microtbulos. Cada centrosoma contiene un par de centriolosque se componen de fibras formadas por microtbulos.

Los microtbulos se elongan por la oligomerizacin de tubulinas y

I. Profase: En el ncleo, la cromatina se condensa. Se observan los cromosomas que se han duplicado estn unidos por el centrmero. (Cromtidas). Se degrada la envoltura nuclear.

En el citoplasma, los centrosomas se mueven hacia los polos de la clula y las fibras del huso mittico empiezan a elongarse.

II. Metafase: Las fibras del huso se unen a los centrmeros del cromosoma en unas estructuras especializadas llamadas cinetocoros. Hay un cinetocoro en cada una de las cromtidas.

Los cromosomas migran hacia la lnea media entre los dos centrosomas.

MITOSIS

Plano de la metafase

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III. Anafase: El centrmero se rompe y las cromtidas se mueven hacia los polos opuestos endireccin de los respectivos centrosomas. Ahora que estn separadas, las cromtidas se denominan cromosomas.

IV. Telofase: Los dos juegos de cromosomas alcanzan los polos de la clula y comienzan a desenrrollarse. Se sintetiza la envoltura nuclear alrededor de los cromosomas para formar los ncleos. Ocurre la divisin celular (citocinesis) y se tienen dos clulas hijas idnticas.

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Cmo se puede explicar una amplia diversidad gentica en una especie?

Phaseolus vulgaris Zea mays

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Esta diversidad gentica se genera por la reproduccin sexual, en la que se combina la informacin de dos clulas que provienen de individuos distintos.

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

El cigoto es una clula diploide (2n).

Clula diploide

2n

Clula haploide n

Meiosis I

Clula haploide n

Clula haploide n

Clula haploide n

Clula haploide n

Clula haploide n

Los gametos haploides se generan por dos eventos de MEIOSIS

Meiosis II

Meiosis Involucra dos divisiones celulares que resultan

en clulas hijas (gametos) con la mitad del nmero de cromosomas que las clulas parentales.

En la meiosis ocurre intercambio de material gentico en cromosomas homlogos a travs de la recombinacin que ocurre al final de la profase I.

La recombinacin resulta en nuevas combinaciones de alelos de distintos genes en un cromosoma.

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Cromosomas homlogos

Una clula diploide tiene dos copias de cada cromosoma. Un juego proviene del padre y el otro de la madre.

M

P

Los cromosomas M1 yP1 son homlogos pues contienen los mismos genes en el mismo orden. Lo mismo M2 y P2 etc.

Gen aGen a

M1 P1

Duplicacin de cromosomas

Recombinacin de cromosomas homlogos

Alineamiento Separacin de cromosomas

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Durante la meiosis ocurre entrecruzamiento y recombinacin de los cromosomas homlogos

M1 P1

Duplicacin de cromosomas

Recombinacin de cromosomas homlogos

Alineamiento Separacin de cromosomas

A diferencia de la mitosis, durante la metafase I de la meiosis, se alinean los pares de los cromosomas homlogos. Durante la anafase estos pares se separan y se distribuyen al azar. Pares M y P quedan distribuidos en las dos clulas despus de la divisin.

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Meiosis II

En la meiosis II ocurre una divisin longitudinal de las cromtidas y una subsecuente divisin celular. Cada clula hija contiene un cromosoma del par cromosomal y por lo tanto son clulas haploides.

Debido a la recombinacin, los cromosomas de las clulas hijas no son idnticos a los de la clula original.

Comparacin entre Meiosis y Mitosis

Los cromosomas homlogos se asocian. Los microtbulos solamente se pueden unir a un lado de cada centrmero

Los microtbulos separan a los cromosomas homlogos pero las cromtidas hermanas se mantienen unidas.

Los cromosomas homlogos no se emparejan. se asocian. Los microtbulos se unen a cada lado del centrmero.

Los microtbulos separan a las cromtidas hermanas.

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En resumen, la meiosis tiene tres funciones:

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

2. Asegurarse de que las clulas haploides estn compuestas de un set completo de cromosomas.

3. Promover diversidad gentica.

Debido a todas las posibles combinaciones en la distribucin de los cromosomas, se pueden generar miles a millones de combinaciones diferentes. Esto depende del nmero de cromosomas.

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

Gameto paterno Gameto materno

Pares homlogos

Gametos potenciales

Meiosis: Generacin de diversidad

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En mamferos, los gametos son producidos en las gnadas por eventos meiticos que difieren en machos y hembras, tanto en

tiempo, como en resultado.

Ovognesis. Meiosis I

Cuerpo polar

Oocito secundario

Los oocitos primarios se forman desde la etapa fetal. Se detiene en la etapa de diploteno de la profase I.

Aprox. a los 8 meses ya estan formados los oocitos primarios.

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

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El oocito primario sufre una divisin meitica, pero el citoplasma se divide en forma asimtrica pues se forman dos clulas de tamao distinto:

Una clula grande oocito secundario.

Una clula pequea llamada cuerpo polar.

Oocitosecundario

Ovognesis. Meiosis II

Cuando el oocito se divide se forma el oocito maduro y otro cuerpo polar.

El cuerpo polar tambin se divide generando otros dos cuerpos polares. Sin embargo, stos ya no se desarrollan y mueren.

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Espermatognesis. Meiosis I

El espermatocito primario que es diploide da origen a dos espermatocitos secundarios que tienen un set de cromosomas haploides duplicados.

Espermatognesis. Meiosis II

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

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Meiosis Testculos de Ratn

Despus de la profase I en que ocurre recombinacin, los cromosomas homlogos forman una estructura bivalente. En la anafase I, se pierde la cohesin, lo que resulta en la separacin de cromosomas homlogos. En la anafase II, se rompe la cohesin que permite la separacin de las cromtidas hermanas.

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Fertilizacin: fusin de gametos para formar un cigoto

Fertilizacin: fusin de gametos para formar un cigoto

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El esp. Se acerca al ovocito

Las enzimas del esp. digieren la capa externa

Las protenas del esp. se unen a receptores

Fusin de las membranas

El ncleo del esp. penetra al citoplasma

Fusin de los ncleos

Fertilizacin: Fusin de dos gametos haploides para formar un cigoto diploide.

Formacin del cigoto

Zona Pelucida

Grnulos corticales

Cmo se previene que ocurra la fertilizacin por muchos espermatozoides?

La fusin del primer espermatozoide dispara un mecanismo de sealizacin y elevacin de Ca2+ intracelular.

Esto causa que los granos corticales liberen enzimas hidrolticas que van a modificar a las glicoprotenas de la ZP. La ZP se vuelve rgida y se evita la fusin de otros espermatozoides.

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Los dos ncleos haploides (proncleos) migran hacia el centro del ovocito fecundado. Cuando hay contacto entre las envolturas nucleares, stas se comienzan a degradar y los cromosomas contenidos se integran en un huso mittico para la primera divisin del zigoto.

Gemelos monocigotos (idnticos)

Un ovocito fertilizado que se divide en dos clulas idnticas durante las etapas tempranas del desarrollo embrionario, dando lugar a dos fetos.

Gemelos dicigotos (no idnticos): Dos ovocitos liberados simultneamente y fertilizados por distintos espermatozoides.

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Formacin de gametos en vegetales.

Las flores son los rganos reproductivos en las plantas. Una vez que se han formado, el siguiente paso en el ciclo reproductivo es la gametognesis.

Megagametognesis:Formacin del saco embrionario.

Microgametognesis:Formacin del polen.

ovarioestiloestigma

anterasfilamentos

ptalos

La mayora de las plantas tienen flores compuestas que contienen a los rganos masculinos y femeninos.

Hay especies que tienen las flores masc. y fem. separadas en el mismo individuo, por ejemplo maz.

En otras especies, las flores masc. y fem. se encuentran en individuos distintos (ej. Esprrago, espinaca).

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Desarrollo de gametos y fecundacin