Bioinformática I1° Semestre 2015

Prof. Gabriel Nuñez Vivanco

ganunez@utalca.cl

Bioinformática

• According to a National Institutes of Health (NIH) definition:

• Bioinformatics is “research, development, or application of computational tools and approaches for expanding the use of biological, medical, behavioral or health data, including those to acquire, store, organize, analyze, or visualize such data.”

• Computational biology is “the development and application of data-analytical and theoretical methods, mathematical modeling and computational simulation techniques to the study of biological, behavioral, and social systems.”

TIC’s

“we all store immense amounts of never-to-be-seen-againdata in complicated file systems”

¿Por qué las TIC’s?• Manejar gran cantidad de datos• Aplicar reglas• Buscar Patrones• Visualizar• Simular• Generar y Probar Hipótesis• Proponer Mecanismos• Explorar Redes de variables

Dogma Central de la Biología Molecular

Replicación

Transcripción

Traducción

Replicación

Inversa

Gen

• Los genes son las unidades fundamentales de la herencia• 1 gen más de una proteína

• El mARN es una copia temporal del ADN• Es el medio de transporte de la información genética para que la

maquinaria celular construya la proteína.• Los mARN luego se degradan

Varios ARN

tARN: Une AA a los ribosomas durante la traducción.

mARN: Codifica para la secuencia de AA de una proteína.

rARN: Forma parte de la maquinaria de los ribosomas.

snARN: Se une a ciertas proteínas y ayuda al procesamiento del RNA

Proteínas

El código genético

3 Perspectivas de la Bioinformática• Desde la Célula

3 Perspectivas de la Bioinformática• Desde el Organismo

Análisis de Secuencias

Frederick Sanger

1958: for his work on the structure of proteins, especially that of insulin

1980: for their contributions concerning the determination of base sequences in nucleic acids

1985: Método de Secuenciación de ADN

Método de Sanger

Ideas de la Evolución

Evolución MolecularTema primer Laboratorio

Bioinformática Genómica (lineal)

Charles Darwin y Alfred Wallace

«Todas las especies de seres vivos han evolucionado con el tiempo a partir de un antepasado común mediante un proceso denominado selección natural»

Bioinformática Genómica (lineal)

Bioinformática Genómica (lineal)

Bioinformática Genómica (lineal) – Genómica Estructural

Bioinformática Genómica (lineal) – Genómica Estructural

2 % del Genoma Humano(600.000)

3500 millones de pares de bases Genoma Humano

5 % Secuencias Codificante

Bioinformática Genómica (lineal) – Genómica Funcional

Bioinformática Genómica (lineal) – Genómica Funcional

Anotación de Genes Genómica Comparativa

Bioinformática Genómica (lineal) – Genómica Funcional

La Herencia• Edad Media se creía que un hombre

diminuto existía en el cigoto luego de la unión de las células sexuales del hombre y la mujer (gametos).

Homúnculo

(del latín homunculus, ‘hombrecillo’)

• Receta para Crear un Homúnculo• Carbón, Mercurio, Piel o Pelo de Humano o Animal. • Enterrar todo esto en Estiércol de Caballo por 40 días.

Parece una teoría extraña hoy en día, sin embargo esto solo refleja la importancia histórica de entender el origen de la vida

La Célula • 1838-1839 Matthias Schleiden (Botánico) y

Theodore Schwann (Fisiólogo) Alemanes

• Propusieron formalmente que todos los animales y plantas estaban constituidos por celulas, las cuales provienen de la división de otras células.

Teoría establece un hito en la organización de los seres vivos.

• Organismos mas evolucionados, las células eran diferenciadas y formaban órganos y tejidos distintos.

Membrana + Citoplasma + Núcleo

El Núcleo• 1866 Ernst Haeckel, Médico

Alemán, Evolucionista• Propuso que todos los organismos

provenían de una misma forma ancestral (plantas, animales y bacterias). Esta idea no prospero (Basaba en la forma de los embriones en los distintos organismos).

• Propuso que los factores hereditarios residen en el Núcleo de la Célula.

División Celular• 1883 Edouard Van Beneden

• Demostró que los cromosomas existen en forma de pares idénticos en un numero fijo en cada especie.

• La excepción de la regla son los gametos (células sexuales que solo tienen un cromosoma)

• Describe los Procesos de Mitosis y Meiosis

Leyes de la Herencia• Gregor Johann Mendel

• Primera Ley: «Cuando se cruzan dos individuos de raza pura, los híbridos resultantes son todos iguales»

Leyes de la Herencia• Gregor Johann Mendel

Segunda Ley: «Ciertos individuos son capaces de transmitir un carácter aunque en ellos no se manifieste»

Leyes de la Herencia• Gregor Johann Mendel

Tercera Ley: «Ley de la independencia de caracteres»

Leyes de la Herencia FENOTIPO• Gregor Johann Mendel

Genes, Genotipo y Fenotipo• 1903 Wilhelm Ludvig Johannsen

Confirmación de las Leyes de Mendel siglo XX

• Hugo M. De Vries • Karl Erich Correns• Erich Tschermak

• Todos validaron los descubrimientos realizados por Mendel.

• Thomas H. Morgan• Mosca de la Fruta (Drosophila Melanogaster) para realizar correlaciones

morfológicas con los experimentos de análisis genéticos.• Confirmo además que existen tantas copias de genes como cromosomas tenga el

organismo (cuatro)• Demostró que los genes estaban dispuestos en los cromosomas linealmente y

siguiendo un orden invariable. • Demostró que durante la reproducción algunos genes se separaban, producto del

cruzamiento de los cromosomas («Recombinación Genética»…Distancia de Morgan).

Estudio de la Genes y las Bacterias

• George Wells Beadle• Neurospora crassa es capaz de crecer

en un medio sintético con sal de amonio, fosfatos, y otras sales, y azúcar como la glucosa. Además de una Vitamina la Biotina.

• Mediante irradiación de Rayos X se inducen mutaciones que no permitían al organismo crecer en medio sintético.

• Luego de esto fueron incluyendo diversos componentes al medio sintético para identificar cual era el que estaba fallando con las mutaciones.

Con estos trabajos el estudio de la herencia genética al terreno bioquímico, intentando identificar la función de los genes

• Buchner y Antoni, y Harden y Young en 1905 lograron separar moléculas grandes de las pequeñas en levaduras capaces de realizar fermentación in vitro.

• Este proceso llamado díalisis separa las enzimas (mas pesadas) del resto del material. El resultado fue que las dos fracciones separadas no eran capaces de fermentar el azúcar por si solas; el proceso se reactivaba al mezclarse nuevamente.

• Otto Meyerhof en 1918 estudio la fermentación láctica que realiza el animal.• Los resultados son los mismos, logrando separar las enzimas del resto del

material.

Lo notable de estos trabajos resulto cuando al mezclar la enzima de Levadura con el resto del material (coenzimas, fad, nad, etc) se producía el proceso de fermentación. Lo mismo ocurrió con la mezcla de la enzima de animal con el resto de material de Levadura (fermentación láctica).

Otros criterios de análisis de la evolución, distintos a los morfológicos

1943 ¿ Que es la Vida?• Físico Cuántico Alemán, Erwin Schrodinger

«Como es posible explicar la asombrosa estabilidad del material genético con el paso de las generaciones»

Nacimiento de la Biología Molecular

Estructura del ADN• 1953 Francis Crick y Watson

• ADN consistía de dos largas moléculas formadas por una «columna dorsal» de azucares-fosfato, en la cual se alternan las bases nitrogenadas.

• Las dos cadenas formaban una hélice y se unían mediante enlaces químicos llamados puentes de hidrógeno y de Van der Waals.

• Si existe una purina (Adenina, Guanina) en frente debe haber una pirimidina (Timina, Citosina) esto se debe a la distancia.• Demasiado lejos para dos pirimidinas y demasiado cerca para dos

purinas para formar puentes de hidrógeno (A-T, C-G)

Replicación Semiconservativa• Experimento de M. Meselson y F. Stahl

El Origen de las EspeciesUno de los máximos logros de la ciencia en el tiempo es el

establecimiento del concepto de la Evolución Biológica

450 A.C

«Empédocles sostiene que el desarrollo de la vida es un proceso gradual en que las formas imperfectas son reemplazadas lentamente por las perfectas»

«Aristóteles y Platón sostenían que las formas perfectas provenían de formas perfectas»

Karl von Linné (Carlos Linneo) se opuso rotundamente a la idea de la evolución de las especies y postulaba que «los organismos fueron creados todos en la génesis y que no aparecieron nuevas especies.»

1859 Darwin publica «El Origen de las Especies»

• Teoría de la Evolución y Selección Natural• 1802 el teólogo W. Paley publica la obra Teología

natural, en donde arguye que el diseño funcional de los organismos evidenciaba la existencia de un creador omnisapiente.

• Antes de las Ideas de la Evolución, las especies se consideraban entes fijos e inmutables. Representaban una imagen platónica, es decir la idea perfecta de la mente de su creador.• Las diferencias en la forma, la conducta o en la fisiología de un

organismo, era considerado imperfecciones o errores en el proceso de la idea de la especie.

• Para Darwin, las diferencias representaban la base de la evolución, y a partir de esto se va a crear toda la diversidad biológica.

El Pensamiento Poblacional de Darwin

La evidencia de la evolución

• Microevolución se da en una escala pequeña, dentro de una especie y en el intervalo de unas pocas generaciones.

• Macroevolucion es a gran escala, abarca periodos considerables de tiempo, y grandes procesos de transformación; en el caso más extremo comprendería toda la evolución de la vida.

Registro Fósil

• Como vimos la evidencia fósil ha sido clave en la validación de la evolución.• La desintegración de los elementos químicos radiactivos que hay en las

rocas ha permitido estimar que la Tierra se originó alrededor de hace 4600 millones de años (suponiendo que habían rocas).

• En Australia y África se han encontrado sedimentos retenidos y fijados por bacterias de hace 3600 millones de años, lo que hace que esta fecha sea una estima mínima de la edad de inicio de la evolución biológica.

• Origen de la célula procariota 3600 M (M=Millones de años)• Origen de la célula eucariota 1400 M• Origen de la fauna de animales pluricelulares 650 M• Fauna de la explosión cámbrica 570 M• Origen de los vertebrados terrestres 360 M• Extinción de los dinosaurios. La antorcha pasa de los dinosaurios a los mamíferos 65 M• Origen de Homo sapiens 0,1 M.

Extinciones• La extinción normal, es aquella que afecta a las especies

que dejan de seguir a su ambiente en su lucha diaria por adaptarse.

• La extinción en masa, ocurre por algún evento especifico, son más rápidas y devastadoras en cuanto a su magnitud

• Al menos han ocurrido 5 en la historia• Dejan espacios ecológicos que permiten la supervivencia de especies

que han resistido.• El uso de este espacio va acompañado de una rápida y extensa

diversificación morfológica, llamada radiación adaptativa.

Organismos• Opabinia

• 5 ojos• Trompa flexible• Tubo digestivo U• 15 seg. Tronco

• Primer fósil pluricelular en Yacimiento Burguess Shale

Dinosaurios

Analogía y Homología

El estudio de la homología de los caracteres en las especies es la base de la clasificación evolutiva

• Evolución como tal: Los seres vivos están cambiando continuamente, no han sido creados recientemente ni están en un perpetuo ciclo.

• Origen común: Cada conjunto de organismos desciende de un antecesor común y el conjunto de todos los seres vivos (plantas, animales, hongos, microorganismos,…) se remonta al único origen de la vida en la tierra.

• Diversificación de las especies: La gran cantidad de especies existente se debe a que, de una misma especie, han surgido varias especies hijas por la formación de nuevas poblaciones aisladas geográficamente.

• Gradualismo: La evolución tiene lugar mediante pequeños cambios en las poblaciones y no de manera saltacional.

• Selección natural: Los seres vivos están adaptados a su entorno porque en un mundo donde los recursos son escasos, poseer un carácter que aumente la eficacia en su explotación da más oportunidades para dejar descendencia y, si este carácter es heredable, los hijos sobrevivirán mejor.

Origen de la vida

• Génesis• Evolución Química • Extraterrestres

Hipótesis de reloj molecular

• La hipótesis propone que para cualquier gene dado (o proteína), el rango de la evolución molecular es aproximadamente constante.

Control: ¿Dogma Central de la Biología Molecular? Y sus diferencias con el Dogma Central de Genómica.