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Marie Curie (IYC2011): La radiactividad y la evolución de la Ciencia

07 Viernes Feb 2020

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Curie
El 7 de noviembre de 1867, nace Marie Curie, Premio Nobel de física y química, descubridora del polonio y el radio.

 

Considerada una de las mujeres más influyentes de la ciencia. En 1903 Marie y Pierre Curie, recibieron el premio Nobel de Física, compartido con el físico Henri Becquerel.

 
En 1867 la química y física polaca logró ser la primera catedrática de Física en la Sorbona y la primera persona que logró dos premios Nobel, en 1905 el Nobel de Química, por lograr aislar por primera vez un gramo de radio.

 

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Realizó una labor sanitaria durante la Primera Guerra Mundial, al contribuir con sus radiografías a mejorar el diagnóstico y tratamiento de los soldados.

 
Sus logros incluyen:
– Primeros estudios sobre el fenómeno de la radiactividad
– Técnicas para el aislamiento de isótopos radiactivos
– Descubrimiento de el polonio y el radio
– Primeros tratamientos de neoplasias con isótopos radiactivos

 

 
El impacto en el mundo científico, y en el mundo de la mujer científica fue de gran magnitud, uno de los cuatro objetivos del “Año Internacional de la Química 2011 (IYC2011)” fue celebrar el centenario de su premio.

 

 
En 1895 se descubrieron los “rayos X” y en 1896 se descubre “la radiactividad natural”, Marie es animada por Pierre para que haga su tesis doctoral sobre el último descubrimiento.

 

Radiation

 

Se casaron en 1895, compartían un gran amor por la ciencia y una dedicación exclusiva a la investigación. Pierre era profesor en la Escuela Superior de Física y Química Industriales (ESPCI).
Tras su doble titulación: física en 1893 y matemáticas en 1894, el siguiente reto era el doctorado. El físico Henri Becquerel, había descubierto que las sales de uranio transmitían unos rayos de desconocida naturaleza, decidió investigar la naturaleza de las radiaciones que producían las sales de uranio.

 
El 25 de 1903 Marie defendía su tesis “Investigaciones sobre las sustancias radiactivas”, obtuvo el doctorado con mención cum laude.

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Estudiaron en ESPCI su investigación de doctorado. Colocó muestras de uranio y torio entre otras en una placa de condensador cagada hasta 100 V y unida a uno de los electrómetros de Pierre, midió cuantitativamente su radioactividad, vio que los minerales pechblenda (UO2) y torbernita (Cu(UO2)2(PO4)C.12H20) eran más radiactivos que el uranio puro

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Trabajaron con lotes de 20 kg de pechblenda, terminarían procesando 8.000 kg de pechblenda. En abril de 1898 Marie disolvió pechblenda en ácido clorhídrico (HCL) y trató la disolución con ácido sulfhídrico (H2S), encontró que este material “radiactivo” coprecipitaba con bismuto (Bi), En 1902 consiguieron aislar 0,1 g de RaCl2, determinando que el peso atómico del radio era 225.

 

 

Ella y Pierre publicaron un artículo donde sugerían que la “radiactividad” era un fenómeno asociado con el átomo y proponían el nuevo elemento, que debería llamarse polonio. El siguiente elemento químico aislado se llamó radio debido a su intensa radiactividad.
Harry & Gilbert nos detallan que el método empleado por Mme. Curie para separar el bromuro de radio del bromuro de bario: Método de “Cristalización Fraccionada”
Extraídos en forma de mezcla de minerales de uranio, las disoluciones de la mezcla fueron evaporadas hasta la formación de cristales. Estos, más ricos en bromuro de radio, fueron redisueltos y recristalizados millares de veces, hasta obtener unos pocos miligramos de bromuro de “radio puro” a partir de varias toneladas de mineral.

 

Tras la muerte de su esposo en 1906, obtuvo la Cátedra de Física en la Sorbona, otorgada anteriormente a su marido Pierre en 1904.

 
Durante la Primera Guerra Mundial Curie uso la radiografía móvil para el tratamiento de los soldados heridos, con el coche “Petit Curie” primer centro radiológico para uso militar.

 
Fundó el Instituto Curie en París y en Varsovia, importantes centros de investigación en la actualidad.

 

Murió el julio de 1934 a los 66 años, probablemente debido a las radiaciones a las que estuvo expuesta en sus trabajos.

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Nobel Prizes: Marie Curie
https://www.nobelprize.org/prizes/physics/1903/marie-curie/biographical/

 

CSIC Laboratorio Curie
http://museovirtual.csic.es/csic75/laboratorios/lab1/lab1.html

 

Marie Curie IUPAC
http://publications.iupac.org/ci/2011/real_pages/Jan11CI/index.html

 
Marie Curie Ovovideo
http://www.ovovideo.com/en/marie-curie/

 

InstitutCurie
https://web.archive.org/web/20101004003706/http://www.curie.fr/index.cfm/lang/_gb.htm

 

Intenational Year of Chemistry 2011, “Marie Curie in the New Era”
http://www.iyc2011.jp/mar-curie-e.html

 

Madri+dblogs, “Marie Curie su impacto en la Ciencia”
http://www.madrimasd.org/blogs/quimicaysociedad/2011/07/04/132417
Sánchez Ron, José Manuel; “Marie Curie y su tiempo”, Ed. Crítica, 2000
Curie, Éve; “Madame Curie”, Ed. Círculo de Lectores, 1993
León Carmona, Margarita; “Marie Curie”, Ed. Edimat Libros, 2005
Harry B. Gray; Gilbert P. Haight; “Principios básicos de química”, Ed. Reverte, 1975

Arrhenius: electroquímica

10 Domingo Jun 2018

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arrhenius

Las teorías de Arrhenius son el primer paso para dar una interpretación molecular de los procesos que ocurren en una reacción química.

 

En su época se reconocían como  bases cuando en una disolución acuosa tenían determinadas características: si la base está bien disuelta la mezcla tiene un sabor amargo; al poner en contacto el papel tornasol con la disolución éste cambia su color de rojo a azul; al tacto éstas sustancias son resbaladizas y jabonosas; y cuando reaccionan con los ácidos dan como productos agua y sales.

 
Svante August Arrhenius nace en Wijk (1859) Suecia. Estudia en la Universidad de Upsala, donde estudió matemáticas, química y física. Se doctoró en 1884, en su tesis de Licenciatura sienta las bases de la “teoría de la disociación electrolítica”, que más tarde confirmó experimentalmente. De cómo los electrolitos se disociaban en sus iones cuando se encontraban en disolución y la fuerza relativa e dichos iones según fuesen ácidos o bases.
Amplia estudios en Riga, Würxburg, Graz, Amsterdam, Leipzig… Su labor docente se desarrolla en Uppsalla y Estocolmo. Ocupa cargos como profesor de física en la Universidad donde cursó estudios universitarios, alcanzando el grado de catedrático y convirtiéndose en rector. Trabajó en el Real Instituto de Tecnología de Estocolmo y fue director del Instituto Nobel de fisicoquímica.

 
Recibe el Premio Nobel de Química en 1903 el mismo año que los esposos Curie reciben el Premio Nobel de Física. Muere en el año 1927.
En 1889 publica su trabajo: “sobe la disociación de sustancias en soluciones acuosas”. Sus trabajos fueron sobre diversos campos de la ciencia: poder de difusión de las soluciones, conductividad eléctrica, influencia de la Luna en el estado eléctrico de la Tierra, influencia de los iones y electricidad atmosférica en la salud, el efecto invernadero producido por la contaminación de gases nocivos como en dióxido de carbono, desarrolla la teoría cosmogónica o de la panspermia que explica el nacimiento de la vida en la Tierra, gracias a las bacterias. Desarrolló “la ecuación de Arrhenius”, que explica la relación de la temperatura con la velocidad de las reacciones. También escribió un “Tratado de electroquímica” (1901) y “Tratado de física cósmica” (1903). Murió en 1927 en Estocolmo.

 

Teoría de la disolución electrolítica
En la segunda parte de sus tesis, “Théorie chimique des electrolytes”, más teórica que la primera, Arrhenius argumentaba que se consideraba una solución de sal como una mezcla de partes “activas” (electrólitos) e “inactivas” (no electrólitos). Al diluir, el número de partes activas se incrementaba. La disolución electrolítica aumentaba con la dilución:
“Todas las sales existen en solución como moléculas complejas, las cuales se descomponen parcialmente al diluirse. Con ayuda de esta representación se explican las propiedades de las sales en todas las diluciones, así como también las propiedades de todos los electrólitos en concentraciones suficientemente elevadas”.

 

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Arrhenius proponía que los electrolitos, sustancias que en disolución permiten el paso de la corriente eléctrica, se disociaban al entrar en disolución, formando iones, en tal proporción, que el número de cargas totales de los aniones (iones con carga negativa) era igual que el número de cargas totales de los cationes (iones con carga positiva), formaban disoluciones eléctricamente neutras.
La concentración es la magnitud química y elemental en electroquímica que expresa la cantidad de un elemento o de un compuesto por unidad de volumen. En el sistema Internacional se emplea el mol/m3. A cada sustancia le corresponde un valor de solubilidad, que es la cantidad máxima de ella (soluto) que puede haber en una disolución, y depende de condiciones como la temperatura, la presión, otras sustancias disueltas o en suspensión y cuál sea la cantidad y la concentración de ellas. En química para expresar cuantitativamente la proporción entre un soluto y el disolvente en una disolución se emplean: molaridad, normalidad, molalidad, formalidad, porcentaje en peso, porcentaje en volumen, fracción molar, partes por millón, partes por billón, partes por trillón, etc.

 

 

Teoría de ácidos y bases
Definió las sustancias ácidas como sustancias químicas que contienen hidrógeno y al ser disueltas en agua se producía una concentración de iones de hidrógeno o protones, mayor que la del agua pura. Y definió a la base como una sustancia química que al ser disuelta en agua produce iones hidroxilo OH-.

 

Teoría del efecto invernadero
Calculó por primera vez como el CO2 atmosférico retiene en la atmósfera la radiación infrarroja proveniente del Sol. Mediante la “Ley de Stefan-Boltzmann” formuló su Ley de efecto invernadero: si la cantidad de ácido carbónico (CO2) aumenta en progresión geométrica, el aumento de la temperatura aumentará casi en progresión aritmética.
Una duplicación del CO2 provocaría un aumento de temperatura de 5-6º.

 

Teoría del ion electrón
Arrhenius definió a los ácidos como sustancias del tipo HX que en solución se disocian produciendo H+ y X-, definiendo a las bases MOH, como sustancias que en solución producen M+ y OH-, y a la neutralización como el resultado de la combinación de esos iones.
La reacción de neutralización para su definición sería:
H+ + OH- —— H20 + sales
Representando por AH la fórmula de un ácido genérico, la reacción de disociación del ácido se puede escribir, de acuerdo a las ideas de Arrhenius, en la forma:
AH << A- (aq) + H+ (aq)
En los ácidos fuertes la reacción estaría desplazada hacia la derecha de modo que abundarían más los iones H+ (aq).
Generalizando los resultados de las anteriores reacciones, Arrhenius concluyó que eran bases todas aquellas sustancias capaces de dar en disolución acuosa iones OH-.

 

Teoría de la panspermia
Popularizó este término al desarrollar la hipótesis cosmogónica en los libros “Escritos de la física cósmica” y “El devenir de los mundos”. El Universo es una inmensa máquina térmica funcionando entre manantiales calientes (las estrellas) a los fríos (las nebulosas). Se traslada la vida o las moléculas necesarias para formar la vida de un astro a otro.

 

Teoría de Arrhenius

La velocidad de una reacción depende de la temperatura, de la composición. En la ecuación de Arrhenius:

 

Ecuación de Arrhenius

 

• K0 : representa el factor de frecuencia
• Ea : la energía de activación de la reacción

A temperatura constante cuanto mayor es la Ea, mas pequeña será la constante de velocidad y más lenta será la velocidad de reacción. Si las velocidades de reacción son rápidas, la Ea será pequeña.

 

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Hay un nivel de energía del estado activado en la formación de los productos a partir de los reactantes, una barrera de energía que debe superarse: “Energía de Activación”.

 

 

Bibliografía:
• William H. Brock; “Historia de la Química”, Editorial Alianza; 1998

 

• Enciclopedia Británica. Svante Arrhenius.
https://www.britannica.com/biography/Svante-Arrhenius

 

 

Links relacionados:

 

• The Nobel Prize in Chemistry 1903. Nobelprize.org. Svante Arrhenius.
https://www.nobelprize.org/nobel_prizes/chemistry/laureates/1903/arrhenius-facts.html

 

• Uppsala University. Research
https://www.uu.se//en/research#__utma=1.1668933299.1528043798.1528043798.1528043798.1&__utmb=1.1.10.1528043798&__utmc=1&__utmx=-&__utmz=1.1528043798.1.1.utmcsr=google|utmccn=(organic)|utmcmd=organic|utmctr=(not%20provided)&__utmv=-&__utmk=85956505

 

 

 

 

 

 

Cortisol la hormona del estrés

17 Sábado Mar 2018

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El cortisol (hidrocortisona) es una hormona esteroidea o glucocorticoide, producida por la glándula suprarrenal, que se libera como respuesta al estrés y a un nivel bajo de glucocorticoides en la sangre, a través de gluconeogénesis, suprime el sistema inmunológico y ayuda al metabolismo de grasas, proteínas y carbohidratos, disminuye la formación ósea e interviene en los ritmos circadianos.

 
Setchell ha visto como en mandriles juegan los niveles de cortisol un papel en la conducta social y serias consecuencias para la salud. Cuando la dominancia jerárquica es estable los niveles son más altos en los machos más bajos del ranking, sin embargo cuando la jerarquía es inestable, los machos más altos en el ranking tienen niveles más altos de cortisol. El cortisol es también más alto en machos dominantes que en periodos de machos durante la subordinación, lo cual sugiere que los machos dominantes están más estresados que los subordinados durante tales periodos. Cuando los mandriles macho tienen altos niveles de cortisol sufren mas infecciones por parásitos.

 
Revisando la historia de los corticoides en el siglo XX tuvo varios nobel relacionados con este campo. Empezó con Thomas Addison que describió la enfermedad que lleva su nombre, pasando por Edward Kendall quien fue el primero en sintetizar el compuesto E o cortisona, Phillipe Hench que hace la aplicación clínica de los glucocorticoides en pacientes con artritis reumatoide, hasta llegar a Meyer Hermann con los conceptos actuales de ciclo circadiano. Aplicaciones a enfermedades como la artritis reumatoide y el lupus eritematoso sistémico.

cortisol
El cortisol es liberado en respuesta al estrés y actúa para restablecer la homeostasis. Pero la secreción prolongada de cortisol, debida a un estrés crónico o una secreción excesiva observada en el síndrome de Cushing, da lugar a importantes cambios fisiológicos.

 
Hidrocortisona es el término farmacéutico que designa al cortisol usado para administración oral, inyección intravenosa o aplicación tópica. Se utiliza como inmunosupresor, en anafilaxia y angiodema, también como peri-operatorio en pacientes con síndrome de Addison. Tópicamente para reacciones alérgicas, eczemas, psoriasis y otras inflamaciones cutáneas.

 

 

Steroidogenesis
El control primario del cortisol es el péptido de la glándula pituitaria, la hormona adrenocorticotrópica (ACTH), a su vez estimulada por la hormona liberadora de corticotropina (CRH) que el hipotálamo libera. El cortisol es metabolizado por el sistema 11-beta hidroxiesteroide deshidrogenasa (11-beta HSD), que consta de dos enzimas: 11-betaHSD1 y 11-beta HSD2. Se ha sugerido que una alteración en la 11-beta-HSD1 puede jugar un papel en la patogénesis de la obesidad, la hipertensión y la resistencia a la insulina, denominado también “síndrome metabólico”. En la respuesta de los macrófagos la hormona liberadora de corticotropina CRH, que está bajo control nervioso, aumenta sinérgicamente la ACTH, cuando los macrófagos empiezan a secretar interleuqina-1 (IL-1) y el cortisol tiene un efecto de “retroalimentación negativa” en la interleuquina, útil en enfermedades que fuerzan al hipotálamo a secretar demasiado CRH, como con la bacteria endotoxina.

 
El cortisol se une a proteínas en el plasma sanguíneo, principalmente a la globulina fijadora de cortisol (CBG) y un 5% a la albúmina. La vida media del cortisol es de 60 a 90 minutos.
Las funciones principales de la hidrocortixona en el cuerpo son:
• Metabolismo de hidratos de carbono, proteínas y grasas.
• Homeostasis del agua y los electrolitos.
• Incrementar el nivel de azúcar en la sangre a través de la gluconeogénesis.
• Suprimir la acción el sistema inmunitario.

 
Los niveles de la hormona cortisol en la sangre están sometidos a variación diurna, con niveles más altos por la mañana y niveles más bajos entre las 12-4 horas de la noche, o 3-5 horas después de la aparición del sueño. La información sobre el ciclo luz/oscuridad se transmite desde la retina hasta el núcleo supraquiasmático del hipotálamo. Como decíamos con el estrés psicológico, factores de estrés fisiológico (hipoglucemia, fiebre, traumatismos, cirugía, miedo, dolor, esfuerzo físico, etc…) influye en los niveles de cortisol sérico. También son diferentes en personas con autismo o síndrome de Asperger.

 
Edward Calvin Kendall (1886-1972) fue un bioquímico estadounidense. Que trabajó como investigador, en distintos hospitales y universidades. Aisló la hormona de la glándula tiroides, a la que llamó tiroxina. Junto con Philip S. Hernch y Tadeus Reichstein ganaron el Premio Nobel de Fisiología o Medicina en 1950 por sus investigaciones en la Clínica Mayo de la estructura y efectos biológicos de las hormonas de la corteza adrenal. Obtuvo el premio por el descubrimiento de la hormona Cortisona. En 1951 Kendall se retiró de Mayo y fue profesor visitante en el departamento de Bioquímica en la Universidad de Princeton. Falleció en 1972 a los 86 años. Con el uso de la tiroxina y de la cortisona ayudo a millones de seres humanos para resolver sus enfermedades.

 

 

Bibliografía:
• Alfredo, Jacomé Roca; “Fisiología endocrina”, Ed. Manual Moderno, 2017

• Humberto, Martínez Cordero et al. ;”Historia de los glucocorticoides”, Revista Colombiana de Reumatología,2010

• Wikipedia

 

 

Links relacionados:

 

• Clinica Mayo: Telegrama premio nobel Kendall
http://history.mayoclinic.org/historic-highlights/nobel-prize-telegram.php

 

• Durham University: Mandriles y cortisol
http://dro.dur.ac.uk/17009/1/17009.pdf

 

• Edward C. Kendall nobelprize
https://www.nobelprize.org/nobel_prizes/medicine/laureates/1950/kendall-facts.html

 

Un gen un enzima

13 Sábado Ene 2018

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gen enzima

A Edward L. Tatum, George W. Beadle y Joshua Lederberg les fue concedido el Premio Nobel de Medicina y Fisiología en 1958 compartido por sus contribuciones al conocimiento del mecanismo genético, trabajos con los mutantes nutricionales de Neurospora crassa y por la formulación de la Hipótesis “un gen-una enzima”: hay una relación entre los genes y las enzimas que gobiernan los pasos metabólicos, de manera que la alteración en un gen produce el bloqueo de un determinado paso metabólico que está controlado por un enzima. Establece el modelo de relación entre el genotipo (los genes) y el fenotipo (rasgos externos).
El desarrollo y funcionamiento de un organismo consiste en un sistema integrado de reacciones químicas controladas por los genes. Estos genes controlan o regulan reacciones específicas al actuar como enzimas: genética fisiológica.

 

 
La primera mitad del siglo XX se desarrollaron las dos disciplinas base de la biología molecular: la genética y bioquímica. Uno de los principales estudios fue realizado por Beadle y Tatum en 1941. Demostraron esta correlación entre los genes y los enzimas a través de las rutas metabólicas que se dan en la síntesis de aminoácidos. Los procesos celulares pueden estudiarse como reacciones químicas.

 

 
Su hipótesis se basa en los estudios de nutrición de mutantes bioquímicos del moho rojo del pan Neurospora crassa, un tipo de molde de pan rojo del phylum Ascomyceta. . Un organismo haploide, con un solo juego de cromosomas, que en un determinado momento de su ciclo vital pasa por un estado diploide, con dos juegos de cromosomas, sufre la meiosis para originar las esporas sexuales. Su genoma completo de siete cromosomas ha sido secuenciado. Estos experimentos fundaron la ciencia llamada “genética bioquímica” convirtiéndose en genética molecular.

 

Ciclo neurospora

neurospora
Los mutantes nutricionales son incapaces de crecer en medios mínimos, mientas que las cepas normales de Neurospora pueden crecer en medios mínimos que contienen sustancias simples como azúcar, algunas sales y ácidos orgánicos, una fuente de nitrógeno (nitrato y tartrato amónicos) y la vitamina biotina. Se han establecido tres capas mutantes:
• Capacidad de sintetizar B6
• Capacidad de sintetizar la mitad de tiazol de la molécula B1
• Para-aminobenzoico no está sintetizado

 

 
Mutaciones provocadas experimentalmente por los rayos X. Las esporas irradiadas se hacían crecer en un medio mínimo. En el que solo crecían las esporas que carecen de alteraciones en las rutas metabólicas:
• las esporas normales (prototrofas)
• las esporas mutantes (auxótrofas) no generan hifas.

 

 
Cada espora se ponía a crecer en un medio completo y se cruzaba por una estirpe normal. El siguiente paso consistía en averiguar el paso metabólico volqueado de cada estirpe mutante. Para ello tomaban esporas individuales (normales y mutantes) descendientes de los cruzamientos y las crecían:
a) primero en medio completo para multiplicarlas
b) replicaban las muestras en medio mínimo (solo crecen las normales), identificando como mutantes las cepas que no crecen en el medio mínimo
c) Las estirpes mutantes se sembraban:
– Medio mínimo
– Medio mínimo suplementado con todas las vitaminas
– Medio completo

Experimento neurospora
De esta manera se identifica si el paso bloqueado pertenecía a alguna ruta de síntesis de aminoácidos o de vitaminas. Si la estirpe mutante solo crecía en el medio completo y en el suplementado con todos los aminoácidos, deducían que el bloqueo se encontraba en alguna ruta de síntesis de aminoácidos. Posteriormente, crecían la cepa mutante en medio mínimo y en medios suplementaos con cada uno de los 20 aminoácidos. Así identificaban el aminoácido que no podían sintetizar y que necesitaban para crecer.

 

 
Supusieron que cada mutante tenía un paso metabólico bloqueado distinto. Supusieron que cuando se suplementa el medio mínimo con un compuesto posterior al punto de bloqueo el mutante puede producir el compuesto final y crecer, mientras que si se suplementa con un compuesto anterior al punto de boqueo no puede crecer.
Cuantos menos mutantes crecen con una sustancia, tanto más hacia el principio de la ruta estará esa sustancia.

 

 

 

Precursor…………arginina 1…….Ornitina……….arginina 2…….Citrulina….arginina 3.….Arginina
El mutante arginina1 debe estar bloqueado en un paso anterior a ornitina, ya que crece con todas las sustancias posteriores (Ornitina, Citrulina y Arginina)
El bloqueo de una reacción o paso de una ruta metabólica, por falta de enzima o fallo en el funcionamiento del enzima que controla ese paso , produce la acumulación en las células del compuesto inmediatamente anterior al paso alterado.

 

 

 

Neurospora crassa es muy útil para el estudio de eventos genéticos que ocurren en meiosis individuales. Los estudios de este tipo, establecieron el fenómeno de la “conversión de genes” cuando ocurre un evento de recombinación molecular cerca de los marcadores genéticos en estudio, los estudios sobre la conversión de genes permitieron conocer los detalles del mecanismo molecular de recombinación. La comprensión de la recombinación es interesante en problemas biológicos, como en la recombinación y reparación recombinatoria en el cáncer (BRCA1) y la función adaptativa de la meiosis.

 

 

George Wells Beadle
Estudio Ciencias en la Universidad de Nebraska, comenzó a trabajar en el Instituto de Tecnología de Caliornia en 1936, fue profesor adjunto de Genética de la Universidad de Harvard y de Stanford. En 1956 presidió la American Association for the Advancement of Science (AAAS). Falleció en 1989.

 

 

Edward Lawrie Tatum
Biólogo y químico estadounidense, estudió Química, Biología y Microbiología en Chicago y Wisconsin, doctorándose en nutrición y metabolismo de las bacterias. A partir de 1957 trabajó de profesor en el Instituto Rockefeller de Nueva York. Falleció en 1975.

 

 

Joshua Lederberg
Medico estadounidense, estudió Medicina en la Universidad de Columbia, en Nueva York. Trabajó como profesor de Genética en la Universidad de Wisconsin-Madison, fue nombrado director del Departamento de Genética de la Universidad de Stanford y director de los laboratorios Kennedy de Biología Molecular. Falleció en 2008.

 

 

Bibliografía:

• Beadle GW, Tatum, EL; “Genetic Control of Biochemical Reactions in Neurospora”; Proc. Natl. Acad. Sci USA; 1941
https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC1078370/pdf/pnas01634-0009.pdf

 

• Adriana María Salazar Montes, Ana Soledad Sandoval Rodríguez, Juan Socorro Armendáriz Borunda; “Biología Molecular. Fundamentos y aplicaciones en las ciencias de la salud”, 3ª edición, Ed. Mc. Graw Hill; 2016

 

• Carlos Beas, Daniel Ortuo, Juan Armendáriz; “Biología Molecular. Fundamentos y aplicaciones”, Ed. Mc Graw Hill; 2009.

 

Links relacionados:

 

• Fungal Genetics Stock Center
http://www.fgsc.net/

 

• Ingeniería molecular de enzimas. IATA
https://www.iata.csic.es/es/colaboracion/capacidades-de-los-grupos-de-id/ingenier%C3%ADa-molecular-de-enzimas

 

 

 

 

 

Ritmos circadianos: Premio Nobel de Medicina 2017

08 Domingo Oct 2017

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Los ritmos circadianos describen un fenómeno biológico que oscila en ciclos de 24 horas.

  • Estos ritmos incluyen:
    Presión sanguínea
    Temperatura del cuerpo
    Niveles hormonales
    El número de células inmunes en sangre
    Ciclo de dormir-despertar

En este papel intervienen genes entre especies que son responsables de determinar la conducta circadiana, especialmente algunos factores de transcripción que sirven para regular muchos genes del ritmo circadiano.
Perturbaciones de tales oscilaciones causadas por inhibidores de RNA o síntesis de proteínas sugieren que tales moléculas están relacionadas.
Jeffrey C. Hall, Michael Rosbash y Michael W. Young han sido galardonados con el premio Nobel de Fisiología o Medicina 2017, por sus descubrimientos de mecanismos moleculares que controlan el ritmo circadiano: explican cómo las plantas, los animales y los seres humanos adaptan su ritmo biológico para que sincronice con las revoluciones de la Tierra.

Para los eucariotas depende de mecanismos de retroalimentación de transcripción/ traducción de ADN.
El reloj circadiano en los mamíferos se localiza en el núcleo supraquiasmático (NSQ), un grupo de neuronas del hipotálamo medial.
La actividad del NSQ es modulada por factores externos, fundamentalmente la variación de luz. El NSQ recibe información sobre la luz externa a través de los ojos. Las células ganglionares de la retina, tienen un pigmento llamado melanopsina, a través del tracto retinohipotalámico llevan información al NSQ. El NSQ toma esta información sobe el ciclo luz/oscuridad externo, y la envía a la epífisis o glándula pineal. Esta secreta la hormona melatonina en respuesta al estímulo proveniente de NSQ, así la melatonina es baja durante el día y aumenta durante la noche

Hormonas afectadas por el ciclo circadiano:

  • ACTH: hormona adenocorticotrópica
    Cortisol
    TSH: hormona estimulante del tiroides
    FSH: hormona folículo estimulante
    LH: hormona luteinizante
    Estradiol
    Renina
    Péptido natriurético: útil en determinación de infartos, hipertensión y fallo renal

El modelo que sostiene las oscilaciones de los ritmos circadianos está caracterizado por la relación entre los mRNAs de los genes Per/Cry/Rev-Erba y Bmal1. Los ciclos de luz inducen la expresión del gen Per.
Aunque la mayor parte de los organismos estudiados fueron originalmente Drosophila y Neurospora, estudios moleculares de los ritmos circadianos se han extendido a cianobacterias, plantas y mamíferos.

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Sistemas circadianos en el árbol Universal de la Vida.

 
Un número de genes y sus proteínas del mecanismo regulador se han identificado. En mamíferos la proteína cryptocromo (CRY) forma un complejo regulatorio con proteína periodo (PER). Existen varias formas de estas proteínas (PER1, PER2, PER3, CRY1 y CRY2). El complejo PER-CRY inhibe la expresión de los genes Per y Cry de manera indirecta, mandato del complejo CLOCK-BMAL1; el último, formado por los productos de los genes Clock y Bmal1 activados por la transcripción del gen Per y Cry.

Circadino

 

Elementos comunes a nivel molecular en el diseño de ciclos Oscilatorios Circadianos

 
Se ha incorporado la expresión de REV-ERBalfa en el modelo de los mamíferos, en el efecto ejercido por BMAIL1 , el cual está ahora gobernado por 19 en vez de 16 ecuaciones cinéticas. Sostenido por oscilaciones en el periodo circadiano DD (parte superior de la curva), basado en la inhibición directa de la expresión de Bmal1. Los mRNAs de Per, Cry, y Rev-Erba oscilan en la fase, y fuera de la fase respecto al Bmail1. Los modelos predicen una antifase relación entre las oscilaciones de los mRNAs de Per y Cry por un lado y el mRNA de Bmail1 por el otro. Así se han incorporado también al modelo oscilaciones de Rev-Erbalfa en fase con mRNAs de Per y Cry.
Aunque el regulador central localizado en el núcleo supraquiasmático (SCN) produce sustancias relacionadas con el ritmo circadiano de manera autónoma, tejidos periféricos tales como hígado, riñón o músculo esquelético pueden también dar un aumento de los ritmos circadianos, con una fase en LD (ciclos luz-oscuridad) que difiere de lo observado para ritmos de SCN.
Efectos de la luz produce un aumento de la expresión del mRNA de la expresión del gen Per, en los ciclos de LD, que caen cuando no hay fase de luz.
El modelo puede ser usado para explorar síndromes o condiciones patológicas resultado de desordenes de ritmos circadianos. De particular importancia es la observación que disrupciones severas de los ritmos circadianos pueden guiar a acelerar por crecimiento de tumores malignos.
Recientes trabajos en mamíferos y moscas sugieren que las proteínas de CLOCK también se han conservado en la evolución nombrados BMAL. CLOCK-BMAL fueron mostrados, más lejos PERIOD-TIMELESS (PER-TIM) expresión represión de CLOCK-BMAL mediado por inducción.
La periodicidad de algunos tratamientos, en coordinación con el reloj corporal, podría aumentar la eficacia y disminuir las reacciones adversas en forma significativa. Por ejemplo el tratamiento coordinado con inhibidores de la enzima convertidora de angiotensina (IECAs) reduce, en forma más marcada que el tratamiento no coordinado con el mismo fármaco, los parámetros de presión arterial nocturna.

 

Bibliografía:

  • Jean-Christophe Leloup & Albert Goldbeter, “Toward a detailed computational model for the mammalian circadian clock”, University of Brussels, Belgium, 2003
  • Norio Ishida, Maki Kaneko & Ravi Allada, “Biological clocks”, Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 1999

 

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Barbara McClintok: regulación de la expresión génica

16 Viernes Sep 2016

Posted by in cáncer, CIENCIA, Genética

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Barbara McClintok, es una científica en el desarrollo de la genética a la altura de Mendel, nació en Connecticut, Estados Unidos,  en 1902. Recibió el Premio Nobel de Medicina y Biología en 1983, por sus hallazgos sobre la existencia de estructuras móviles en los cromosomas. Las investigaciones fueron llevadas a cabo 30 años antes de recibirlo, trabajó sola y en su época no se daba la importancia que tenían sus observaciones, el premio tuvo un carácter retroactivo de sus aportaciones.

Durante la primera mitad del siglo XX, las investigaciones del papel de los cromosomas y los genes, se llevaron a cabo en plantas y el estudio de la mosca del vinagre.

Entre estos estudios uno de los que más han contribuido al conocimiento actual del cáncer fue la Dra. McClintok: “El ciclo de rotura, fusión y puente” y “las mutaciones de los genes” por la radiación fueron descubiertos en esta época. Durante la época como investigadora de Misuri, continuó la línea de mutagénesis mediante rayos X. Las rupturas producidas en el ADN durante la mitosis, desaparecían  las cromatidas rotas dando lugar a uniones después de la replicación del ADN, durante la inferfase de la siguiente mitosis, repitiéndose el ciclo y causando mutaciones masivas. Este ciclo de ruptura, fusión y formación de puentes cromosómicos demostró:

  1. La unión de cromosomas no es un proceso aleatorio
  2. Descubrió un método para producir mutaciones a gran escala, siendo así objeto de estudio en la investigación del cáncer.

Estas investigaciones abren nuevos campos en la biología y la medicina, en los años sesenta se vieron estructuras genéticas móviles en bacterias.

McClintok  llevó a cabo sus estudios en el maíz, vio que ciertas inestabilidades en las células de este, se debían a estructuras que se desplazaban en un mismo cromosoma. Iniciadora de la cartografía genética en el maíz, describió el primer mapa de ligamiento y puso de relieve el papel de los telómeros y centrómeros.

Su trabajo sobre la regulación génica y los elementos de control era complejo y novedoso en su época. Gracias a la reordenación se consigue la creación de gran cantidad de  anticuerpos por parte de los linfocitos de los vertebrados, en las cadenas pesadas las regiones se reorganizan aleatoriamente, pueden producirse unas 24.000 cadenas pesadas de anticuerpo diferente.

En 1939 fue la primera persona en describir los entrecruzamientos que se producen entre cromosomas homólogos durante la meiosis. En 1931 demostró que hay una relación entre el entrecruzamiento cromosómico meiótico y la recombinación de caracteres heredables. Así la recombinación de cromosomas y el fenotipo resultante daban lugar a la herencia de un nuevo carácter.

En los años cuarenta y cincuenta, descubrió el proceso de transposición de los elementos del genoma y lo empleó para explicar cómo los genes determinan características físicas. Los transposones aparecen en material genético procariota y eucariota, intervienen:

  • Enfermedades infecciosas
  • Resistencia bacteriana a los antibióticos
  • Cáncer
  • DNA Recombinante
  • Inmunología

Entre los años 1948 y 1959, desarrolló una hipótesis que explicaba como los elementos transponibles regulan la acción de los genes inhibiendo o modulándolos. Definió a Ds y Ac como unidades de control o elementos reguladores. La regulación génica puede explicar cómo los organismos multicelulares pueden diversificar las características de cada célula, aún cuando su genoma sea idéntico.   Su trabajo para la época era novedoso, sus contemporáneos mostraron desconfianza a sus descubrimientos.

La importancia de sus investigaciones no se valoraron hasta la década de los años 60 cuando los genetistas franceses François Jacob y Jacques Monod llegan a las mismas conclusiones trabajando con el operon lac. Tras la publicación en 1961 por ellos: “Genetic regulatory mechanisms in the synthesis of proteins” en Journal of Molecular Biology, McClintok escribió un artículo en American Naturalist comparando el funcionamiento del “operon lac” con el sistema Ac/Dc de maíz.

En los años 1970 se clonó Ac y Ds, mostrándose que eran transposones de clase II, Ac es un transposón completo, que codifica en su secuencia una transposasa funcional, lo que permite el movimiento a través del genoma.

 

Publicaciones importantes:

  • McClintock, Barbara (1929) “A cytological and genetical study of triploid maize”. Genetics 14:180-222
  • Greighton, Harriet B., and McClintok, Barbara (1931) “A Correlation of Cytological and Genetical Crossing-Over in Zea mays”. Proceedings of the National Academy of Scences 17:492-497
  • McClintock, Barbara (1931) “The order of the genes C, Sh, and W x in Zea Mays with reference to a cytologically known point in the chromosome”. Proceedings of the National Academy of Sciences 17:485-91
  • McClintock, Barbara (1941) “The stability of broken ends of chromosomes in Zea Mays”. Genetics 26:234-82
  • McClintock, Barbara (1945) “Neurospora: preliminary observations of the chromosomes of Neurospora crassa”. American Journal of Botany. 32:671-78
  • McClintock, Barbara (1950) “The origin and behavior of mutable loci in maize”. Proceedings of the National Academy of Sciences. 36:344-55
  • McClintock, Barbara (1953) “Induction of instability at selected loci in maize”Genetics 38:579-99
  • McClintock, Barbara (1961) “Some parallels between gene control systems in maize and in bacteria”. American Naturalist 95:265-77
  • McClintock, Barbara; Kato, T.A. & Blumenschein, A. (1981) “Chromosome constitution of races of maize. Its significance in the interpretation of relationships between races and varieties in the Americas”

 

 

Genes Mutadores

McClintok descubrió el efecto transponibilidad; unidades podían desplazarse físicamente en su posición dentro del mismo cromosma o también entre cromosomas distintos, llamó a estas unidades “elementos de control”, en unos casos puede actuar sobre sus vecinos genéticos inmediatos, y en otro caso, el elemento de control también puede determinar en qué momento se produce la actividad genética. El elemento de control son genes que regulan la actividad de otros genes a niveles muy básicos, contribuyendo con la mutabilidad. Monroe W. Strickberger

 

 

Transposición vía intermediarios de ADN y ARN

Los elementos que se mueven por transposición, se denominan “elementos transponibles” o “transposones”. Se dividen en dos clases generales, dependiendo si se transponen mediante un intermediario de ADN o por un intermediario de ARN.

Las secuencias de inserción se componen solamente del gen de la enzima que participa en la transposición (transposasa) flanqueada por repeticiones invertidas cortas, que son los sitios donde actúa la transposasa. Los transportes complejos se componen de dos secuencias de inserción que flanquean a otros genes, que se mueven como una unidad. Este mecanismo produce la integración de una copia del transposón en una nueva posición del genoma, mientras que la otra copia permanece en su posición original.

Los transposones que se trasladan mediante intermediarios de ADN se encuentran presentes en eucariotas además de en bacterias. El genoma humano contiene 300.000 transposones de ADN, que constituyen el 3% del genoma humano. El movimiento de estos transposones a sitios no específicos del genoma ha jugado un papel fundamental en la evolución estimulando las reorganizaciones de ADN, determinando cambios programados en la expresión génica.

La mayoría de los transposones en las células eucarióticas son “retrotansposones” que se trasladan vía transcripción inversa de intermediarios de ARN.  En el hombre casi hay 3 millones de copias de transposones, constituyendo más del 40% del genoma, la transcripción inversa de intermediarios de ARN, de forma similar a la replicación de los retrovirus. Estos retrotransposones incluyen a las secuencias altamente repetitivas LINE y SINE de los genomas de mamíferos. La Célula. Geoffry M. Cooper & Robert E. Hansman. 

 

Links relacionados:

  • Barbara McClintok en la Universidad de Cornell

https://www.youtube.com/watch?v=DVi5Xxvlt5Y

  • Transposones

https://www.youtube.com/watch?v=91vR-FKBMT4https://www.youtube.com/watch?v=CroyUMRpbxg

https://www.youtube.com/watch?v=iMJiGfP0QX8