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SS1_2018_Lecture_08 - Biología

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Reacciones independientes de la luz y fijación de carbono

Una breve introducción

El principio general de la fijación de carbono es que algunas células bajo ciertas condiciones pueden tomar carbono inorgánico, CO2 (también conocido como carbono mineralizado) y reducirlo a una forma celular utilizable. La mayoría de nosotros somos conscientes de que las plantas verdes pueden absorber CO2 y producir O2 en un proceso conocido como fotosíntesis. Ya hemos hablado de la fotofosforilación, la capacidad de una célula para transferir energía luminosa a sustancias químicas y, en última instancia, producir los portadores de energía ATP y NADPH en un proceso conocido como reacciones de luz. En la fotosíntesis, las células vegetales utilizan el ATP y NADPH formados durante la fotofosforilación para reducir el CO2 al azúcar, (como veremos, específicamente G3P) en las llamadas reacciones oscuras. Si bien apreciamos que este proceso ocurre en las plantas verdes, la fotosíntesis tuvo su origen evolutivo en el mundo bacteriano. En este módulo repasaremos las reacciones generales del ciclo de Calvin, una vía reductora que incorpora CO2 en material celular.

En las bacterias fotosintéticas, como las cianobacterias y las bacterias púrpuras sin azufre, así como en las plantas, la energía (ATP) y reduciendo el poder (NADPH) - un término utilizado para describir los portadores de electrones en su estado reducido - obtenido de la fotofosforilación se acopla a "Fijacion de carbon", la incorporación de carbono inorgánico (CO2) en moléculas orgánicas; inicialmente como gliceraldehído-3-fosfato (G3P) y finalmente en glucosa. Organismos que pueden obtener todo su carbono requerido de una fuente inorgánica (CO2) se conocen como autótrofos, mientras que aquellos organismos que requieren formas orgánicas de carbono, como glucosa o aminoácidos, se denominan heterótrofos. La vía biológica que conduce a la fijación de carbono se llama Ciclo de Calvin y es una vía reductora (consume energía / usa electrones) que conduce a la reducción de CO2 a G3P.

El ciclo de Calvin: la reducción de CO2 al gliceraldehído 3-fosfato

Figura 1. Las reacciones a la luz aprovechan la energía del sol para producir enlaces químicos, ATP y NADPH. Estas moléculas portadoras de energía se producen en el estroma donde tiene lugar la fijación del carbono.

En las células vegetales, el ciclo de Calvin se encuentra en los cloroplastos. Si bien el proceso es similar en las bacterias, no existen orgánulos específicos que alberguen el ciclo de Calvin y las reacciones ocurren en el citoplasma alrededor de un sistema de membrana complejo derivado de la membrana plasmática. Esta sistema de membrana intracelular puede ser bastante complejo y muy regulado. Existe una fuerte evidencia que apoya la hipótesis de que el origen de cloroplastos a partir de una simbiosis entre cianobacterias y células vegetales tempranas.

Etapa 1: Fijación de carbono

En el estroma de los cloroplastos vegetales, además del CO2, hay otros dos componentes presentes para iniciar las reacciones independientes de la luz: una enzima llamada ribulosa-1,5-bisfosfato carboxilasa / oxigenasa (RuBisCO) y tres moléculas de ribulosa bisfosfato (RuBP), como se muestra en la figura siguiente. La ribulosa-1,5-bisfosfato (RuBP) está compuesta por cinco átomos de carbono e incluye dos fosfatos.

Figura 2. El ciclo de Calvin tiene tres etapas. En la etapa 1, la enzima RuBisCO incorpora dióxido de carbono en una molécula orgánica, 3-PGA. En la etapa 2, la molécula orgánica se reduce utilizando electrones suministrados por NADPH. En la etapa 3, RuBP, la molécula que inicia el ciclo, se regenera para que el ciclo pueda continuar. Solo se incorpora una molécula de dióxido de carbono a la vez, por lo que el ciclo debe completarse tres veces para producir una sola molécula de GA3P de tres carbonos y seis veces para producir una molécula de glucosa de seis carbonos.

RuBisCO cataliza una reacción entre CO2 y RuBP. Para cada CO2 molécula que reacciona con una RuBP, se forman dos moléculas de otro compuesto (3-PGA). PGA tiene tres carbonos y un fosfato. Cada turno del ciclo involucra solo un RuBP y un dióxido de carbono y forma dos moléculas de 3-PGA. El número de átomos de carbono sigue siendo el mismo, ya que los átomos se mueven para formar nuevos enlaces durante las reacciones (3 átomos de 3CO2 + 15 átomos de 3RuBP = 18 átomos en 3 átomos de 3-PGA). Este proceso se llama carbón fijación, porque CO2 se "fija" de una forma inorgánica a una molécula orgánica.

Etapa 2: Reducción

El ATP y el NADPH se utilizan para convertir las seis moléculas de 3-PGA en seis moléculas de una sustancia química llamada gliceraldehído 3-fosfato (G3P), un compuesto de carbono que también se encuentra en la glucólisis. En el proceso se utilizan seis moléculas de ATP y NADPH. El proceso exergónico de hidrólisis de ATP está en efecto impulsando las reacciones redox endergónicas, creando ADP y NADP.+. Ambas moléculas "gastadas" (ADP y NADP+) regresan a las reacciones cercanas dependientes de la luz para ser recicladas nuevamente en ATP y NADPH.

Etapa 3: Regeneración

Curiosamente, en este punto, solo una de las moléculas de G3P abandona el ciclo de Calvin para contribuir a la formación de otros compuestos que necesita el organismo. En las plantas, debido a que el G3P exportado del ciclo de Calvin tiene tres átomos de carbono, se necesitan tres "vueltas" del ciclo de Calvin para fijar suficiente carbono neto para exportar un G3P. Pero cada turno genera dos G3P, por lo que tres turnos suman seis G3P. Uno se exporta mientras que las cinco moléculas restantes de G3P permanecen en el ciclo y se utilizan para regenerar RuBP, lo que permite que el sistema se prepare para más CO2 ser arreglado. Se utilizan tres moléculas más de ATP en estas reacciones de regeneración.

Enlaces de interés adicionales

Ácidos nucleicos

Hay dos tipos de ácidos nucleicos en biología: ADN y ARN. El ADN lleva la información genética hereditaria de la célula y está compuesto por dos hebras de nucleótidos antiparalelas dispuestas en una estructura helicoidal. Cada subunidad de nucleótidos está compuesta por un azúcar pentosa (desoxirribosa), una base nitrogenada y un grupo fosfato. Las dos cadenas se asocian mediante enlaces de hidrógeno entre bases nitrogenadas químicamente complementarias. Las interacciones conocidas como interacciones de "apilamiento de bases" también ayudan a estabilizar la doble hélice. A diferencia del ADN, el ARN puede ser monocatenario o bicatenario. También está compuesto por un azúcar pentosa (ribosa), una base nitrogenada y un grupo fosfato. El ARN es una molécula de muchos trucos. Participa en la síntesis de proteínas como mensajero, regulador y catalizador del proceso. El ARN también participa en varios otros procesos reguladores celulares y ayuda a catalizar algunas reacciones clave (más sobre esto más adelante). Con respecto al ARN, en este curso nos interesa principalmente (a) conocer la estructura molecular básica del ARN y qué lo distingue del ADN, (b) comprender la química básica de la síntesis de ARN que ocurre durante un proceso llamado transcripción, (c ) apreciando los diversos roles que el ARN puede tener en la célula, y (d) aprendiendo los principales tipos de ARN que encontrará con mayor frecuencia (es decir, ARNm, ARNr, ARNt, miARN, etc.) y asociándolos con los procesos en los que están involucrados. con. En este módulo nos centramos principalmente en las estructuras químicas del ADN y el ARN y cómo se pueden distinguir entre sí.

Estructura de nucleótidos

Los dos tipos principales de ácidos nucleicos son ácido desoxirribonucleico (ADN) y ácido ribonucleico (ARN). El ADN y el ARN están compuestos por monómeros conocidos como nucleótidos. Los nucleótidos individuales se condensan entre sí para formar un ácido nucleico polímero. Cada nucleótido está formado por tres componentes: una base nitrogenada (para la cual hay cinco tipos diferentes), un azúcar pentosa y un grupo fosfato. Estos se muestran a continuación. La principal diferencia entre estos dos tipos de ácidos nucleicos es la presencia o ausencia de un grupo hidroxilo en el C2 posición, también llamada la posición 2 '(leer "dos primos"), de la pentosa (consulte la leyenda de la Figura 1 y la sección sobre el azúcar pentosa para obtener más información sobre la numeración de los carbonos). El ARN tiene un grupo funcional hidroxilo en esa posición 2 'del azúcar pentosa; el azúcar se llama ribosa, de ahí el nombre riboácido nucleico. Por el contrario, el ADN carece del grupo hidroxilo en esa posición, de ahí el nombre "desoxi". riboácido nucleico. El ADN tiene un átomo de hidrógeno en la posición 2 '.

Figura 1. Un nucleótido se compone de tres componentes: una base nitrogenada, un azúcar pentosa y uno o más grupos fosfato. Los carbonos en la pentosa se numeran del 1 ′ al 5 ′ (el número primo distingue estos residuos de los de la base, que están numerados sin usar una notación prima). La base está unida a la posición 1 'de la ribosa y el fosfato está unido a la posición 5'. Cuando se forma un polinucleótido, el fosfato 5 'del nucleótido entrante se une al grupo hidroxilo 3' al final de la cadena en crecimiento. En los nucleótidos se encuentran dos tipos de pentosa, la desoxirribosa (que se encuentra en el ADN) y la ribosa (que se encuentra en el ARN). La desoxirribosa es similar en estructura a la ribosa, pero tiene un -H en lugar de un -OH en la posición 2 '. Las bases se pueden dividir en dos categorías: purinas y pirimidinas. Las purinas tienen una estructura de doble anillo y las pirimidinas tienen un solo anillo.
Atribución: Marc T. Facciotti (obra original)

La base nitrogenada

Las bases nitrogenadas de los nucleótidos son moléculas orgánicas y se denominan así porque contienen carbono y nitrógeno. Son bases porque contienen un grupo amino que tiene el potencial de unirse a un hidrógeno adicional y, por lo tanto, actuar como base al disminuir la concentración de iones de hidrógeno en el entorno local. Cada nucleótido del ADN contiene una de las cuatro posibles bases nitrogenadas: adenina (A), guanina (G), citosina (C) y timina (T). Por el contrario, el ARN contiene adenina (A), guanina (G) citosina (C) y uracilo (U) en lugar de timina (T).

La adenina y la guanina se clasifican como purinas. La principal característica estructural distintiva de una purina es el anillo doble carbono-nitrógeno. La citosina, timina y uracilo se clasifican como pirimidinas. Estos se distinguen estructuralmente por un solo anillo de carbono-nitrógeno. Se esperará que reconozca que cada una de estas estructuras de anillo está decorada por grupos funcionales que pueden estar involucrados en una variedad de químicas e interacciones.

Nota: practica

Tómese un momento para revisar las bases nitrogenadas en la Figura 1. Identifique los grupos funcionales como se describe en la clase. Para cada grupo funcional identificado, describa en qué tipo de química espera que participe. Trate de identificar si el grupo funcional puede actuar como donante, aceptor o ambos de enlaces de hidrógeno.

El azúcar pentosa

El azúcar pentosa contiene cinco átomos de carbono. Cada átomo de carbono de la molécula de azúcar se numera como 1 ′, 2 ′, 3 ′, 4 ′ y 5 ′ (1 ′ se lee como "un primo"). Los dos grupos funcionales principales que están unidos al azúcar a menudo se nombran en referencia al carbono al que están unidos. Por ejemplo, el residuo de fosfato está unido al carbono 5 'del azúcar y el grupo hidroxilo está unido al carbono 3' del azúcar. A menudo usaremos el número de carbono para referirnos a grupos funcionales en nucleótidos, así que familiarícese con la estructura del azúcar pentosa.

El azúcar pentosa en el ADN se llama desoxirribosa y en el ARN, el azúcar es la ribosa. La diferencia entre los azúcares es la presencia del grupo hidroxilo en el carbono 2 'de la ribosa y su ausencia en el carbono 2' de la desoxirribosa. Por lo tanto, puede determinar si está mirando un nucleótido de ADN o ARN por la presencia o ausencia del grupo hidroxilo en el átomo de carbono 2 '; es probable que se le solicite que lo haga en numerosas ocasiones, incluidos los exámenes.

El grupo fosfato

Puede haber entre uno y tres grupos fosfato unidos al carbono 5 'del azúcar. Cuando se une un fosfato, el nucleótido se denomina norteucleótido METROonoPAGhosfato (NMP). Si se unen dos fosfatos, el nucleótido se denomina norteucleótido DIPAGhosfato (NDP). Cuando tres fosfatos se unen al nucleótido, se denomina norteucleótido TRhode IslandPAGhosfato (NTP). Los enlaces fosfoanhídrido que unen los grupos fosfato entre sí tienen propiedades químicas específicas que los hacen buenos para diversas funciones biológicas. La hidrólisis de los enlaces entre los grupos fosfato es termodinámicamente exergónica en condiciones biológicas; la naturaleza ha desarrollado numerosos mecanismos para acoplar este cambio negativo en la energía libre para ayudar a impulsar muchas reacciones en la célula. La Figura 2 muestra la estructura del nucleótido trifosfato Adenosina Trifosfato, ATP, que discutiremos con mayor detalle en otros capítulos.

Nota: enlaces de "alta energía"

El término "enlace de alta energía" se usa MUCHO en biología. Sin embargo, este término es un atajo verbal que puede causar cierta confusión. El término se refiere a la cantidad de energía libre negativa asociada con la hidrólisis del enlace en cuestión. El agua (u otro compañero de reacción equivalente) es un contribuyente importante al cálculo de energía. En ATP, por ejemplo, simplemente "romper" un enlace fosfoanhídrido - digamos con pinzas moleculares imaginarias - arrancando un fosfato no sería energéticamente favorable. Por lo tanto, debemos tener cuidado de no decir que romper enlaces en ATP es energéticamente favorable o que "libera energía". Más bien, deberíamos ser más específicos, notando que la hidrólisis del enlace es energéticamente favorable. En nuestra opinión, parte de este error común está relacionado con el uso del término "enlaces de alta energía". Mientras que en Bis2a hemos tratado de minimizar el uso de la lengua vernácula "alta energía" cuando nos referimos a los enlaces, tratando en cambio de describir las reacciones bioquímicas usando términos más específicos, como estudiantes de biología, sin duda se encontrará con lo potencialmente engañoso, aunque ciertamente útil. - atajo "vínculo de alta energía" a medida que continúe en sus estudios. Por lo tanto, tenga en cuenta lo anterior cuando esté leyendo o escuchando varias discusiones sobre biología. Diablos, usa el término tú mismo. Solo asegúrese de comprender realmente a qué se refiere.

Figura 2. El ATP (trifosfato de adenosina) tiene tres grupos fosfato que pueden eliminarse mediante hidrólisis para formar ADP (difosfato de adenosina) o AMP (monofosfato de adenosina). Atribución: Marc T. Facciotti (obra original)

Estructura de doble hélice del ADN

El ADN tiene una estructura de doble hélice (que se muestra a continuación) creada por dos hebras de subunidades de nucleótidos unidas covalentemente. Los grupos de azúcar y fosfato de cada cadena de nucleótidos se colocan en el exterior de la hélice, formando la columna vertebral del ADN (resaltado por las cintas naranjas en la Figura 3). Las dos hebras de la hélice corren en direcciones opuestas, lo que significa que el extremo de carbono 5 ′ de una hebra se enfrentará al extremo de carbono 3 ′ de su hebra correspondiente (Ver Figuras 4 y 5). Nos referimos a esta orientación de las dos hebras como antiparalelo. Tenga en cuenta también que los grupos de fosfato se representan en la Figura 3 como "barras" naranjas y rojas que sobresalen de la cinta. Los fosfatos están cargados negativamente a pH fisiológicos y, por lo tanto, dan a la columna vertebral del ADN un fuerte carácter local cargado negativamente. Por el contrario, las bases nitrogenadas se apilan en el interior de la hélice (se representan como palos verdes, azules, rojos y blancos en la Figura 3). Los pares de nucleótidos interactúan entre sí a través de enlaces de hidrógeno específicos (que se muestran en la Figura 5). Cada par se separa del siguiente par de bases en la escalera por 0,34 nm y este apilamiento cercano y orientación plana da lugar a interacciones de apilamiento de bases energéticamente favorables. La química específica asociada con estas interacciones está más allá del contenido de Bis2a, pero se describe con más detalle aquí para los estudiantes curiosos o más avanzados. Sin embargo, esperamos que los estudiantes sean conscientes de que el apilamiento de las bases nitrogenadas contribuye a la estabilidad de la doble hélice y confíen en sus instructores de genética y química orgánica de la división superior para completar los detalles químicos.

figura 3. El ADN nativo es una doble hélice antiparalela. La columna vertebral de fosfato (indicada por las líneas curvas) está en el exterior y las bases en el interior. Cada base de una hebra interactúa mediante enlaces de hidrógeno con una base de la hebra opuesta. Facciotti (obra original)

En una doble hélice, ciertas combinaciones de apareamiento de bases son químicamente más favorecidas que otras en función de los tipos y ubicaciones de los grupos funcionales en las bases nitrogenadas de cada nucleótido. En biología encontramos que:

La adenina (A) es químicamente complementaria con la timidina (T) (A se empareja con T)

y

La guanina (G) es químicamente complementaria con la citosina (C) (G se empareja con C).

A menudo nos referimos a este patrón como "complementariedad de base" y decimos que las hebras antiparalelas son complementario el uno al otro. Por ejemplo, si la secuencia de una hebra es de ADN es 5'-AATTGGCC-3 ', la hebra complementaria tendría la secuencia 5'-GGCCAATT-3'.

A veces elegimos representar estructuras complementarias de doble hélice en el texto apilando las hebras complementarias una encima de otra de la siguiente manera:

5 '- GGCCAATTCCATACTAGGT - 3'

3 '- CCGGTTAAGGTATGATCCA - 5'

Tenga en cuenta que cada hebra tiene sus extremos de 5 'y 3' etiquetados y que si uno caminara a lo largo de cada hebra comenzando desde el extremo de 5 'hasta el extremo de 3', la dirección de viaje sería opuesta a la otra para cada hebra; las hebras son antiparalelas. Normalmente decimos cosas como "ejecutar 5 primos a 3 primos" o "sintetizar 5 primos a 3 primos" para referirnos a la dirección en la que leemos una secuencia o la dirección de síntesis. Empiece a acostumbrarse a esta nomenclatura.

Figura 4. Panel A. En una molécula de ADN de doble hebra, las dos hebras corren antiparalelas entre sí, de modo que una hebra va de 5 ′ a 3 ′ y la otra de 3 ′ a 5 ′. Aquí, las hebras se representan como líneas azules y verdes que apuntan en la orientación de 5 'a 3'. El emparejamiento de bases complementarias se representa con una línea horizontal entre bases complementarias. Panel B. Las dos hebras antiparalelas se representan en forma de doble hélice. Tenga en cuenta que la orientación de las hebras todavía está representada. Además, tenga en cuenta que la hélice es derecha: el "rizo" de la hélice, representado en púrpura, se enrolla en la dirección de los dedos de la mano si se usa la mano derecha y la dirección de la hélice apunta hacia el pulgar. Panel C. Esta representación muestra dos características estructurales que surgen del ensamblaje de las dos hebras llamadas ranuras mayores y menores. Estas ranuras también se pueden ver en la Figura 3.
Atribución: Marc T. Facciotti (obra original)

Figura 5. Una vista ampliada a nivel molecular de las hebras antiparalelas en el ADN. En una molécula de ADN de doble hebra, las dos hebras corren antiparalelas entre sí, de modo que una hebra va de 5 ′ a 3 ′ y la otra de 3 ′ a 5 ′. La columna vertebral de fosfato se encuentra en el exterior y las bases en el medio. La adenina forma enlaces de hidrógeno (o pares de bases) con timina y pares de bases de guanina con citosina.
Atribución: Marc T. Facciotti (obra original)

Funciones y roles de nucleótidos y ácidos nucleicos a tener en cuenta en Bis2a

Además de sus funciones estructurales en el ADN y el ARN, los nucleótidos como ATP y GTP también sirven como portadores de energía móvil para la célula. Algunos estudiantes se sorprenden cuando aprenden a apreciar que las moléculas de ATP y GTP que discutimos en el contexto de la bioenergética son las mismas que participan en la formación de ácidos nucleicos. Cubriremos esto con más detalle cuando analicemos las reacciones de síntesis de ADN y ARN. Los nucleótidos también juegan un papel importante como cofactores en muchas reacciones catalizadas enzimáticamente.

Los ácidos nucleicos, el ARN en particular, desempeñan una variedad de funciones en el proceso celular además de ser moléculas de almacenamiento de información. Algunos de los roles a los que debe prestar atención a medida que avanzamos en el curso incluyen: (a) Riboproteína complejos: complejos de ARN-proteína en los que el ARN desempeña funciones tanto catalíticas como estructurales. Los ejemplos de tales complejos incluyen ribosomas (ARNr), ARNasas, complejos de splicesosoma y telomerasa. (b) Funciones de almacenamiento y transferencia de información. Estos roles incluyen moléculas como ADN, ARN mensajero (ARNm), ARN de transferencia (ARNt). (c) Funciones reguladoras. Los ejemplos de estos incluyen varios no codificantes (ncRNA). Wikipedia tiene un resumen completo de los diferentes tipos de moléculas de ARN conocidas que recomendamos navegar para tener una mejor idea de la gran diversidad funcional de estas moléculas.

Genomas como planos de organismos

Un genoma, que no debe confundirse con un gnomo, es la colección completa de información heredable de un organismo almacenada en el ADN. Las diferencias en el contenido de la información ayudan a explicar la diversidad de la vida que vemos a nuestro alrededor. Los cambios en la información codificada en el genoma son los principales impulsores de la diversidad fenotípica que vemos (y algunos no podemos) a nuestro alrededor que son filtrados por selección natural y, por lo tanto, son los impulsores de la evolución. Esto lleva a preguntas. Si cada célula de un organismo multicelular contiene la misma secuencia de ADN, ¿cómo puede haber diferentes tipos de células (p. Ej., Cómo puede una célula del hígado ser tan diferente de una célula del cerebro si ambas llevan el mismo ADN)? ¿Cómo leemos la información? ¿Cómo interpretamos lo que leemos? ¿Cómo entendemos cómo todas las "partes" que identificamos en el genoma se interrelacionan funcionalmente? ¿Cómo se relaciona todo esto con la expresión de rasgos? ¿Cómo los cambios en el genoma conducen a cambios en los rasgos?

Determinando una secuencia del genoma

La información codificada en los genomas proporciona datos importantes para comprender la vida, sus funciones, su diversidad y su evolución. Por lo tanto, es lógico pensar que un lugar razonable para comenzar los estudios en biología sería leer el contenido de la información codificada en el genoma (s) en cuestión. Un buen punto de partida es determinar la secuencia de nucleótidos (A, G, C, T) y su organización en una o más unidades de ADN que se replican independientemente (por ejemplo, piense en cromosomas y / o plásmidos). Durante más de 30 años después del descubrimiento de que el ADN es el material hereditario, esta fue una propuesta desalentadora. Sin embargo, a fines de la década de 1980, se inició el advenimiento de herramientas semiautomatizadas para la secuenciación del ADN, y esto inició una revolución que ha cambiado drásticamente la forma en que enfocamos el estudio de la vida. Veinte años después, a mediados de la década de 2000, entramos en un período de progreso tecnológico acelerado en el que los avances en las ciencias de los materiales (en particular, los avances en nuestra capacidad para hacer cosas a muy pequeña escala), la óptica, la ingeniería eléctrica y de computación, la bioingeniería, y las ciencias de la computación han convergido para traernos incrementos dramáticos en nuestra capacidad de secuenciar el ADN y, en consecuencia, disminuciones dramáticas en el costo de numerosos avances en nuestra capacidad para secuenciar el ADN. Un ejemplo famoso para ilustrar este punto es comparar los cambios en el costo de secuenciar el genoma humano. El primer borrador del genoma humano tardó casi 15 años y $ 3 mil millones de dólares en completarse. Hoy en día, se pueden secuenciar decenas de genomas humanos en un solo día en un solo instrumento a un costo de menos de $ 1000 cada uno (el costo y el tiempo continúan disminuyendo). En la actualidad, empresas como Illumina, Pacific Biosciences, Oxford Nanopore y otras ofrecen tecnologías competidoras que reducen los costos y aumentan el volumen, la calidad, la velocidad y la portabilidad de la secuenciación de ADN.

Uno de los elementos más emocionantes de la revolución de la secuenciación del ADN es que ha requerido y sigue requiriendo contribuciones de biólogos, químicos, científicos de materiales, ingenieros eléctricos, ingenieros mecánicos, informáticos y programadores, matemáticos y estadísticos, desarrolladores de productos y muchos otros. expertos técnicos. Las posibles aplicaciones e implicaciones de desbloquear las barreras para la secuenciación del ADN también han involucrado a inversores, empresarios, desarrolladores de productos, emprendedores, especialistas en ética, responsables políticos y muchos otros para buscar nuevas oportunidades y pensar en cómo utilizar mejor y más responsablemente esta tecnología en crecimiento. .

Los avances tecnológicos en la secuenciación del genoma han dado como resultado una avalancha virtual de secuencias genómicas completas que se determinan y se depositan en bases de datos disponibles públicamente. Puede encontrar muchos de ellos en el Centro Nacional de Información Biotecnológica. El número de genomas completamente secuenciados disponibles asciende a decenas de miles: más de 2.000 genomas eucarióticos, más de 600 genomas de arqueas y casi 12.000 genomas bacterianos en el momento de escribir este artículo. Hay decenas de miles de proyectos más de secuenciación del genoma en curso. Con tantas secuencias de genomas disponibles, o que pronto estarán disponibles, podemos comenzar a hacer muchas preguntas sobre lo que vemos en estos genomas. ¿Qué patrones son comunes a todos los genomas? ¿Cuántos genes están codificados en los genomas? ¿Cómo están organizados estos? ¿Cuántos tipos diferentes de funciones podemos encontrar? ¿Qué hacen las características que encontramos? ¿Qué tan diferentes son los genomas entre sí? ¿Existe evidencia que nos pueda decir cómo evolucionan los genomas? Examinemos brevemente algunas de estas preguntas.

Diversidad de genomas

Diversidad de tamaños, cantidad de genes y cromosomas.

Comencemos examinando el rango de tamaños del genoma. En la siguiente tabla, vemos una muestra de genomas de la base de datos. Podemos ver que los genomas de los organismos vivos libres varían enormemente en tamaño. El genoma más pequeño conocido está codificado en 580.000 pares de bases, mientras que el más grande es de 150 mil millones de pares de bases; como referencia, recuerde que el genoma humano tiene 3,2 mil millones de pares de bases. Esa es una amplia gama de tamaños. También existen disparidades similares en el número de genes.

Tabla 1. Esta tabla muestra algunos datos del genoma de varios organismos. 2n = número diploide. Facciotti (trabajo propioreproducido de http://book.bionumbers.org/how-big-are-genomes/)

El examen de la Tabla 1 también revela que algunos organismos llevan consigo más de un cromosoma. Algunos genomas también son poliploide, lo que significa que mantienen múltiples copias de similares pero no idénticas (homólogo) copias de cada cromosoma. Un organismo diploide lleva en su genoma dos copias homólogas (generalmente una de mamá y otra de papá) de cada cromosoma. Los humanos somos diploides. Nuestras células somáticas portan 2 copias homólogas de 23 cromosomas. Recibimos 23 copias de cromosomas individuales de nuestra madre y 23 copias de nuestro padre, para un total de 46. Algunas plantas tienen mayor ploidía. Por ejemplo, una planta con cuatro copias homólogas de cada cromosoma se denomina tetraploide. Un organismo con una sola copia de cada cromosoma se denomina haploide.

Estructura de los genomas

La Tabla 1 también proporciona pistas sobre otros puntos de interés. Por ejemplo, si comparamos el genoma del pez globo con el del chimpancé, notamos que codifican aproximadamente la misma cantidad de genes (19.000), pero lo hacen en genomas de tamaños drásticamente diferentes: 400 millones de pares de bases frente a 3.300 millones de pares de bases, respectivamente. . Eso implica que el genoma del pez globo debe tener mucho menos espacio entre sus genes del que podría esperarse que se encontrara en el genoma del chimpancé. De hecho, este es el caso, y la diferencia en la densidad de genes no es exclusiva de estos dos genomas. Si miramos la Figura 1, que intenta representar una parte de 50 kb del genoma humano, notamos que, además de las regiones codificantes de proteínas (indicadas en rojo y rosa), pueden identificarse muchas otras denominadas "características". leer del genoma. Muchos de estos elementos contienen secuencias muy repetitivas.

Figura 1. Esta figura muestra un segmento de 50 kb del locus del receptor de células T β humanas en el cromosoma 7. Esta figura muestra una pequeña región del genoma humano y los tipos de "características" que se pueden leer y decodificar en el genoma, que incluyen, pero también además de secuencias codificantes de proteínas. El rojo y el rosa corresponden a regiones que codifican proteínas. Otros colores representan diferentes tipos de elementos genómicos. Facciotti (trabajo propioreproducido de www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK21134/)

Si miramos ahora qué fracción de todo el genoma humano constituye cada uno de estos tipos de elementos (ver Figura 2), vemos que los genes que codifican proteínas solo constituyen 48 millones de los 3,2 mil millones de bases del genoma haploide.

Figura 2. Este gráfico muestra cómo se distribuyen los muchos pares de bases de ADN del genoma haploide humano entre varias características identificables. Tenga en cuenta que solo una pequeña fracción del genoma se asocia directamente con las regiones codificantes de proteínas. Facciotti (trabajo propioreproducido de fuentes indicadas en la figura)

Cuando examinamos la frecuencia de las regiones repetidas frente a las regiones codificantes de proteínas en diferentes especies, observamos grandes diferencias en las regiones codificantes de proteínas frente a las no codificantes.

Figura 3. Esta figura muestra Segmentos de 50 kb de diferentes genomas, lo que ilustra la frecuencia altamente variable de elementos repetidos que codifican proteínas en diferentes especies.
Atribución: Marc T. Facciotti (obra propia
reproducido de www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK21134/)

Discusión sugerida

Proponga una hipótesis de por qué cree que algunos genomas pueden tener más o menos secuencias no codificantes.

Dinámica de la estructura del genoma

Los genomas cambian con el tiempo y numerosos tipos diferentes de eventos pueden cambiar su secuencia.

1. Mutaciones se acumulan durante la replicación del ADN o por exposición ambiental a mutágenos químicos o radiación. Estos cambios ocurren típicamente a nivel de nucleótidos individuales.
2. Reordenamientos del genoma describen una clase de cambios a gran escala que pueden ocurrir, e incluyen los siguientes: (a) deleciones: donde se pierden segmentos del cromosoma; (b) duplicación: donde las regiones del cromosoma se duplican inadvertidamente; (c) inserciones: la inserción de material genético (tenga en cuenta que a veces esto se adquiere de virus o del medio ambiente, y los pares de deleción / inserción pueden ocurrir en los cromosomas); (d) inversiones, donde las regiones del genoma se invierten dentro del mismo cromosoma; y (e) translocaciones: donde los segmentos del cromosoma se translocan (se mueven a otra parte del cromosoma).

Estos cambios ocurren a diferentes velocidades y algunos son facilitados por la actividad de los catalizadores enzimáticos (p. Ej., Transposasas).

El estudio de los genomas

Genómica comparada

Una de las cosas más comunes que se pueden hacer con una colección de secuencias de genomas es comparar las secuencias de múltiples genomas entre sí. En términos generales, este tipo de actividades se engloban en un campo denominado genómica comparada.

Comparar los genomas de personas que padecen una enfermedad hereditaria con los genomas de personas que no la padecen puede ayudarnos a descubrir la base genética de la enfermedad. Comparar el contenido de genes, el orden y la secuencia de microbios relacionados puede ayudarnos a encontrar la base genética de por qué algunos microbios causan enfermedades, mientras que sus primos cercanos son prácticamente inofensivos. Podemos comparar genomas para comprender cómo pudo haber evolucionado una nueva especie. ¡Hay muchos análisis posibles! La base de estos análisis es similar: busque diferencias entre múltiples genomas e intente asociar esas diferencias con diferentes rasgos o comportamientos en esos organismos.

Por último, algunas personas están comparando secuencias del genoma para intentar comprender la historia evolutiva de los organismos. Normalmente, estos tipos de comparaciones dan como resultado un gráfico conocido como árbol filogenético, que es un modelo gráfico de la relación evolutiva entre las diversas especies que se comparan. Este campo, como era de esperar, se llama filogenómica.

Metagenómica: ¿quién vive en algún lugar y qué están haciendo?

Además de estudiar los genomas de especies individuales, las tecnologías de secuenciación de ADN cada vez más poderosas están haciendo posible secuenciar simultáneamente los genomas de muestras ambientales que están habitadas por muchas especies diferentes. Este campo se llama metagenómica. Por lo general, estos estudios se centran en tratar de comprender qué especies microbianas habitan en diferentes entornos. Existe un gran interés en utilizar la secuenciación de ADN para estudiar las poblaciones de microbios en el intestino y observar cómo cambia la población en respuesta a diferentes dietas, para ver si existe alguna asociación entre la abundancia de diferentes microbios y diversas enfermedades, o para observar por la presencia de patógenos. Las personas están utilizando la secuenciación de ADN de muestras metagenómicas ambientales para explorar qué microbios habitan en diferentes entornos de la Tierra (desde las profundidades del mar, el suelo, el aire, los estanques hipersalinos, las heces de los gatos y algunas de las superficies comunes que tocamos todos los días).

Además de descubrir "quién vive dónde", la secuenciación de poblaciones microbianas en diferentes entornos también puede revelar qué genes codificadores de proteínas están presentes en un entorno. Esto puede dar a los investigadores pistas sobre qué actividades metabólicas podrían estar ocurriendo en ese entorno. Además de proporcionar información importante sobre qué tipo de química podría estar ocurriendo en un entorno específico, el catálogo de genes que se acumula también puede servir como un recurso importante para el descubrimiento de nuevas enzimas para aplicaciones en biotecnología.


Ver el vídeo: Killingen SS1 2018 - Dan Rhodin Christer Karlsson (Julio 2022).


Comentarios:

  1. Zapotocky

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  2. Kagaran

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  3. Glen

    Lo siento, pero en mi opinión, estás equivocado. soy capaz de demostrarlo.

  4. Chappell

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