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Hackeando el Genoma, un desafío para la innovación
BIOINFORMÁTICA:
Blgo. Roberto Pineda Ch.
LA BIOINFORMÁTICA ES LA CIENCIA
QUE UTILIZA UNA COMBINACION DE
LAS TECNOLOGIAS DE LA
COMPUTACION, LAS CIENCIAS DE LA
INFORMACION Y EL CONOCIMIENTO
BIOLOGICO, PARA
COLECCIONAR, ALMACENAR, RELACIO
NAR, MODELAR E INTERPRETAR
DATOS BIOLOGICOS.
DEFINICIONES DEL NIH (2000)
BIOINFORMATICA BIOLOGIA COMPUTACIONAL
Investigación, desarrollo o
aplicación de herramientas y
enfoques computacionales,
para expandir el uso de datos
biológicos, médicos
conductuales o de salud;
incluyendo la adquisición,
almacenamiento,
organización, archivo,
análisis o visualización de los
datos.
El desarrollo y aplicación de
métodos de análisis de datos y
métodos teóricos, modelación
matemática y técnicas de
simulación
computacional, para el
estudio de sistemas
biológicos, conductuales y
sociales.
Biología, Informática y Computación
1600 S.XVII
Pascal
La Pascalina
La Calculadora UniversalLeibniz
1800 S.XIX
Darwin Mendel
1950 S.XX
ENIAC
V. Neumann y la EDVAC
Mauchly y Eckert
1950 S.XX
Rosalind Franklin y la difracción
De rayos XWatson y Crick
1969
Gran capacidad de cómputo
Ya tenemos la posibilidad de simular sistemas bien complejos.
Supercomputadora Cluster de computadoras
genoma
Célula
cromosomas
genes
los genes
contienen
instrucciones
para hacer
proteínas ADN
proteínas
las proteínas actúan
solas o en complejos
para realizar las
funciones celulares
ADN ADN
ARN
PROTEÍNAS
BASES MOLECULARES
DE LA VIDA
Fosfatos van unidos al azúcar en el C-5’ y el C-3’
Hebras antiparalelas
Punta 3’ librePunta 5’ libre
ACIDOS NUCLEICOS
Crick demostró que los aminoácidos de una proteína van a estar codificados por la secuencia de tres bases consecutivas (codones) en el mRNA
Los codones que codifican para una proteína son los que se encuentran después de un triplete de inicio AUG.
CÓDIGO GENÉTICO
Código GenéticoSegunda letra
Primera
letra
Tercera
letra
Gen 2
Polimerasade RNA
Cadena molde gen 1
Polimerasade RNA
RNA Cadena molde gen 2
Cadena antisentido gen 2
Cadena antisentidogen 1
Gen 1
Cadenas de DNA utilizadas como molde en la transcripción
TRANSCRIPCIÒN
La ARN polimerasa se activa cuando forma un complejo con los factores de transcripción o elementostrans. La interacción de estos entre sí, y con las secuencias reguladoras del ADN(los factores cis) es la que determina donde, cuando y con qué rapidez ocurre la transcripción
ARN de transferencia activado: cargado con el aminoácido correspondiente
Aminoacidos
tRNA
DOGMA CENTRAL DE LA BIOLOGÌA MOLECULAR
Hebra molde
Transcripción
Traducción
TRADUCCIÓN
ARN --- Proteína
Cuatro monómeros de aminoácidos
Reacción de condensación
Polipéptido
Enlace peptídico catalizado por el complejo enzimático localizado en el ribosoma
01_03_3.jpg
No polares o hidrofóbicos
01_03_2.jpg
Polares neutros
En sus residuos tienen grupos aminos, hidroxilos o sulfidrilos
Estructura cuaternaria: combinación de monómeros
Microtúbulos• Los microtúbulos intervienen en diversos
procesos celulares que involucran desplazamiento de vesículas de secreción, movimiento de orgánulos, transporte intracelular de sustancias, así como en la división celular (mitosis y meiosis) y que, junto con los microfilamentos y los filamentos intermedios, forman el citoesqueleto. Además, constituyen la estructura interna de los cilios y los flagelos.
• Los microtúbulos son heteropolímeros de α- y β-tubulina, los cuales forman dímeros, que son su unidad estructural.1 Los dímeros polimerizan en 13 protofilamentos, que luego se agregan lateralmente para formar estructuras cilíndricas huecas. Para polimerizar se requiere la presencia de dímeros a una concentración mínima determinada denominada concentración crítica, aunque el proceso se acelera por la adición de núcleos, que son elongados.
Luciferasa: • La imagen muestra a una molécula
globular con un centro de color fosforescente. Una explicación simplificada del funcionamiento de esta proteina nos dice que con la ayuda de otra proteina llamada luciferin se forma un complejo que cataliza oxígeno y otra molécula energética llamada trifosfato de adenosina o ATP (por sus siglás en inglés) para generar dióxido de carbono que en el proceso emite fotones de luz verde. Además de su uso en la naturaleza, científicos usan esta enzima para medir procesos biológicos que consumen energía proveniente del ATP.
Receptores Nucleares o Citoplasmáticos • Los receptores nucleares o citoplasmátics son proteínas solubles
localizadas en el citoplasma o en el núcleo celular. La hormona que pasa a través de la membrana plasmática, normalmente por difusión pasiva, alcanza el receptor e inicia la cascada de señales. Los receptores nucleares son activadores de la transcripción activados por ligandos, que se transportan con el ligando u hormona, que pasan a través de la membrana nuclear al interior del núcleo celular y activan la transcripción de ciertos genes y por lo tanto la producción de una proteína.
• Los ligandos típicos de los receptores nucleares son hormonas lipofílicas como las hormonas esteroideas, por ejemplo la testosterona, la progesterona y el cortisol, derivados de la vitamina A yvitamina D. Estas hormonas desempeñan una función muy importante en la regulación del metabolismo, en las funciones de muchos órganos, en el proceso de desarrollo y crecimiento de los organismos y en la diferenciación celular. La importancia de la fuerza de la señal es la concentración de hormona, que está regulada por:
• Los receptores nucleares que son activados por hormonas activan receptores específicos del ADN llamados elementos sensibles a hormonas (HREs, del inglés Hormone Responsive Elements), que son secuencias de ADN que están situados en la región promotora de los genes que son activados por el complejo hormona receptor. Como este complejo activa la transcripción de determinados genes, estas hormonas también se llaman inductores de la expresión genética.
Androgen Receptor
Ecdysone Receptor
Vitamin D Receptor
1950 S.XX
Rosalind Franklin y la difracciónDe rayos X
Watson y Crick
Cibernetica y TGS
Wiener Bertalanffy
Matrimonio: Biología e Informática
• historia
genoma
Célula
cromosomas
genes
los genes
contienen
instrucciones
para hacer
proteínas ADN
proteínas
las proteínas actúan
solas o en complejos
para realizar las
funciones celulares
ADN ADN
ARN
PROTEÍNAS
BASES MOLECULARES
DE LA VIDA
Humanos30,000 genes
GENOMAS
Chimpancé30,000 genes
A. thaliana25,000 genes
Ratón30,000 genes
C. elegans19,000 genes
D. melanogaster13,000 genes
95% idéntico
70%
20%
60%
De 289 geneshumanos implicados enenfermedades,hay 177cercanamentesimilares a los genes deDrosophila.
Entre una persona y otra el ADN solo difiere en 0.2%
El genoma de un organismo es el juego completo de ADN. La planificación del Proyecto Genoma Humano se inició en
1986, previsto para el 2007. En Junio de 2000 se presentó el 90% del borrador con la secuenciación de unos 30,000 genes y 3 mil millones de pares de bases (pb). Los genes son secuencias específicas de bases que codifican instrucciones para hacer proteínas. Los genes son un 2% del genoma humano.
IDENTIDAD GENÉTICA
Tecnología del ADN
“OMICS”
GENOMA
A
X
B
C
E
TRANSCRIPTOMA
PROTEOMA
METABOLOMA
FISIOMA (órganos)
FENOMA (fenotipos)
NUMEROS PARA PENSAR:
•Moléculas orgánicas conocidas 107
•Especies de seres vivos 106 millones (108)
•Genes en el Genoma Humano 34 000
•“Espacio de Estados” del genoma 234 000 = 1010 000 (!)
•Proteínas de una célula 100 000
•Anticuerpos diferentes en un individuo 108
•Anticuerpos diferentes posibles 1030
•Proteínas existentes en la biosfera 108 x 105 = 1013
•Proteínas (100aa) posibles con 20aa = 20100 10130
•Neuronas en el cerebro 1011
•Conexiones inter-neuronales 1015
•Moléculas de Hidrógeno en el universo conocido 1060
Bases de Datos
• Biodiversidad
• Moleculares:
– Secuencias
– Estructuras
– Redes y Ontologias
Alineamiento de Secuencias
• Secuenciamiento Shot Gun
• Algoritmo Smith-Waterman
• Matrices PAM, (Point Accepted Mutation)
• Evolución de Secuencias y Proteínas
M&M
• http://www.youtube.com/watch?v=8O3qEtH76OA
BioNetworks
http://oracleofbacon.org/
EQUILIBRIO CAOS
Alejado del Equilibrio
Al Borde del Caos
Equilibrio Caos
ESTRUCTURA DISIPATIVA
Sistemas Dinamicos Complejos
Modelado Basado en Agentes
• http://ccl.northwestern.edu/netlogo/models/WolfSheepPredation
• http://ccl.northwestern.edu/netlogo/models/Flocking
• http://ccl.northwestern.edu/netlogo/models/Ants
• http://ccl.northwestern.edu/netlogo/models/Daisyworld
Sistemas
• Conway: Juego de la Vida• http://www.bitstorm.org/gameoflife/
• Biomorfos: Richard Dawkins• http://www.annanardella.it/biomorph.html#quick
• Autopoiesis: Maturana• http://ccl.northwestern.edu/courses/mam2009/student_work/Autopoiesis.html
• Kauffman: redes boleanas• http://www.mariusthart.net/specials/kauffman/kauffman.html
Disciplinaridad
• Multidisciplinariedad
• Interdisciplinariedad
• Transdisciplinariedad
Biomimetica
• Educación: Piaget
• Memética: Dawkins
• Algoritmos Genéticos
• Redes Neurales