ácido desoxirribonucleico
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Ácido desoxirribonucleico«DNA» redirige aquí. Para otras acepciones, véase DNA (desambiguación).
Situación del ADN dentro de una célula eucariota.
El ácido desoxirribonucleico, frecuentemente abreviado comoADN, es un ácido nucleico que contiene
instrucciones genéticasusadas en el desarrollo y funcionamiento de todos los organismosvivos
conocidos y algunos virus, y es responsable de su transmisiónhereditaria. El papel principal de la
molécula de ADN es el almacenamiento a largo plazo de información. Muchas veces, el ADN es
comparado con un plano o una receta, o un código, ya que contiene las instrucciones necesarias para
construir otros componentes de las células, como las proteínas y las moléculas deARN. Los segmentos
de ADN que llevan esta información genética son llamados genes, pero las otras secuencias de ADN
tienen propósitos estructurales o toman parte en la regulación del uso de esta información genética.
Desde el punto de vista químico, el ADN es un polímero de nucleótidos, es decir, un polinucleótido. Un
polímero es un compuesto formado por muchas unidades simples conectadas entre sí, como si fuera un
largo tren formado por vagones. En el ADN, cadavagón es un nucleótido, y cada nucleótido, a su vez,
está formado por un azúcar (la desoxirribosa), una base nitrogenada (que puede
seradenina→A, timina→T, citosina→C o guanina→G) y un grupo fosfatoque actúa como enganche de
cada vagón con el siguiente. Lo que distingue a un vagón (nucleótido) de otro es, entonces, la base
nitrogenada, y por ello la secuencia del ADN se especifica nombrando sólo la secuencia de sus bases.
La disposición secuencial de estas cuatro bases a lo largo de la cadena (el ordenamiento de los cuatro
tipos de vagones a lo largo de todo el tren) es la que codifica la información genética: por ejemplo, una
secuencia de ADN puede ser ATGCTAGATCGC... En los organismos vivos, el ADN se presenta como
una doble cadena de nucleótidos, en la que las dos hebras están unidas entre sí por unas conexiones
denominadas puentes de hidrógeno.1
Para que la información que contiene el ADN pueda ser utilizada por la maquinaria celular, debe
copiarse en primer lugar en unostrenes de nucleótidos, más cortos y con unas unidades diferentes,
llamados ARN. Las moléculas de ARN se copian exactamente del ADN mediante un proceso
denominado transcripción. Una vez procesadas en el núcleo celular, las moléculas de ARN pueden salir
alcitoplasma para su utilización posterior. La información contenida en el ARN se interpreta usando
el código genético, que especifica la secuencia de los aminoácidos de las proteínas, según una
correspondencia de un triplete de nucleótidos (codón) para cada aminoácido. Esto es, la información
genética (esencialmente: qué proteínas se van a producir en cada momento del ciclo de vida de una
célula) se halla codificada en las secuencias de nucleótidos del ADN y debe traducirse para poder
funcionar. Tal traducción se realiza usando el código genético a modo de diccionario. El diccionario
"secuencia de nucleótido-secuencia de aminoácidos" permite el ensamblado de largas cadenas de
aminoácidos (las proteínas) en el citoplasma de la célula. Por ejemplo, en el caso de la secuencia de
ADN indicada antes (ATGCTAGATCGC...), la ARN polimerasa utilizaría como molde la cadena
complementaria de dicha secuencia de ADN (que sería TAC-GAT-CTA-GCG-...) para transcribir una
molécula de ARNm que se leería AUG-CUA-GAU-CGC-... ; el ARNm resultante, utilizando el código
genético, se traduciría como la secuencia de aminoácidos metionina-leucina-ácido aspártico-arginina-...
Las secuencias de ADN que constituyen la unidad fundamental, física y funcional de la herencia se
denominan genes. Cada gen contiene una parte que se transcribe a ARN y otra que se encarga de
definir cuándo y dónde deben expresarse. La información contenida en los genes (genética) se emplea
para generar ARN y proteínas, que son los componentes básicos de las células, los "ladrillos" que se
utilizan para la construcción de los orgánulos u organelos celulares, entre otras funciones.
Dentro de las células, el ADN está organizado en estructuras llamadas cromosomas que, durante
el ciclo celular, se duplican antes de que la célula se divida. Los organismos eucariotas (por
ejemplo, animales, plantas, y hongos) almacenan la mayor parte de su ADN dentro del núcleo celular y
una mínima parte en elementos celulares llamados mitocondrias, y en los plastos y los centros
organizadores de microtúbulos o centríolos, en caso de tenerlos; los organismos
procariotas (bacterias y arqueas) lo almacenan en elcitoplasma de la célula, y, por último, los virus
ADN lo hacen en el interior de la cápsida de naturaleza proteica. Existen multitud de proteínas, como por
ejemplo las histonas y los factores de transcripción, que se unen al ADN dotándolo de una estructura
tridimensional determinada y regulando su expresión. Los factores de transcripción reconocen
secuencias reguladoras del ADN y especifican la pauta de transcripción de los genes. El material
genético completo de una dotación cromosómica se denomina genomay, con pequeñas variaciones, es
característico de cada especie.
Índice
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1 Historia de la genética
2 Propiedades físicas y químicas
o 2.1 Componentes
o 2.2 Apareamiento de bases
2.2.1 Otros tipos de pares de bases
o 2.3 Estructura
2.3.1 Estructuras en doble hélice
2.3.2 Estructuras en cuádruplex
o 2.4 Hendiduras mayor y menor
o 2.5 Sentido y antisentido
o 2.6 Superenrollamiento
3 Modificaciones químicas
o 3.1 Modificaciones de bases del ADN
o 3.2 Daño del ADN
4 Funciones biológicas
o 4.1 Genes y genoma
4.1.1 El ADN codificante
4.1.2 El ADN no codificante ("ADN basura")
o 4.2 Transcripción y traducción
o 4.3 Replicación del ADN
4.3.1 Hipótesis sobre la duplicación del ADN
5 Interacciones ADN-proteína
o 5.1 Proteínas que unen ADN
5.1.1 Interacciones inespecíficas
5.1.2 Interacciones específicas
o 5.2 Enzimas que modifican el ADN
5.2.1 Nucleasas y ligasas
5.2.2 Topoisomerasas y helicasas
5.2.3 Polimerasas
6 Recombinación genética
7 Evolución del metabolismo de ADN
8 Técnicas comunes
o 8.1 Tecnología del ADN recombinante
o 8.2 Secuenciación
o 8.3 Reacción en cadena de la polimerasa (PCR)
o 8.4 Southern blot
o 8.5 Chips de ADN
9 Aplicaciones
o 9.1 Ingeniería genética
o 9.2 Medicina forense
o 9.3 Bioinformática
o 9.4 Nanotecnología de ADN
o 9.5 Historia, antropología y paleontología
10 Véase también
11 Referencias
o 11.1 Notas
o 11.2 Bibliografía
12 Enlaces externos
Historia de la genética[editar]
Artículo principal: Historia de la genética.
Friedrich Miescher, biólogo y médico suizo (1844-1895).
El ADN lo aisló por primera vez, durante el invierno de 1869, el médico suizo Friedrich
Miescher mientras trabajaba en la Universidad de Tubinga. Miescher realizaba experimentos
acerca de la composición química del pus de vendas quirúrgicas desechadas cuando notó un
precipitado de una sustancia desconocida que caracterizó químicamente más tarde.2 3Lo
llamó nucleína, debido a que lo había extraído a partir de núcleos celulares.4 Se necesitaron casi
70 años de investigación para poder identificar los componentes y laestructura de los ácidos
nucleicos.
En 1919 Phoebus Levene identificó que un nucleótido está formado por una base nitrogenada,
un azúcar y un fosfato.5 Levene sugirió que el ADN generaba una estructura con forma
de solenoide (muelle) con unidades de nucleótidos unidos a través de los grupos fosfato. En 1930
Levene y su maestro Albrecht Kossel probaron que la nucleína de Miescher es un ácido
desoxirribonucleico (ADN) formado por cuatro bases nitrogenadas
(citosina (C),timina (T), adenina (A) y guanina (G)), el azúcar desoxirribosa y un grupo fosfato, y
que, en su estructura básica, el nucleótido está compuesto por un azúcar unido a la base y al
fosfato.6 Sin embargo, Levene pensaba que la cadena era corta y que las bases se repetían en un
orden fijo. En 1937 William Astbury produjo el primer patrón de difracción de rayos Xque mostraba
que el ADN tenía una estructura regular.7
Maclyn McCarty con Francis Crick y James D Watson.
La función biológica del ADN comenzó a dilucidarse en 1928, con una serie básica de
experimentos de la genética moderna realizados por Frederick Griffith, quien estaba trabajando con
cepas "lisas" (S) o "rugosas" (R) de la bacteria Pneumococcus (causante de la neumonía), según
la presencia (S) o no (R) de una cápsula azucarada, que es la que confiere virulencia (véase
también experimento de Griffith). La inyección de neumococos S vivos en ratones produce la
muerte de éstos, y Griffith observó que, si inyectaba ratones con neumococos R vivos o con
neumococos S muertos por calor, los ratones no morían. Sin embargo, si inyectaba a la vez
neumococos R vivos y neumococos S muertos, los ratones morían, y en su sangre se podían aislar
neumococos S vivos. Como las bacterias muertas no pudieron haberse multiplicado dentro del
ratón, Griffith razonó que debía producirse algún tipo de cambio o transformación de un tipo
bacteriano a otro por medio de una transferencia de alguna sustancia activa, que
denominó principio transformante. Esta sustancia proporcionaba la capacidad a los neumococos R
de producir una cápsula azucarada y transformarse así en virulentas. En los siguientes 15 años,
estos experimentos iniciales se replicaron mezclando distintos tipos de cepas bacterianas muertas
por el calor con otras vivas, tanto en ratones (in vivo) como en tubos de ensayo (in vitro).8 La
búsqueda del «factor transformante» que era capaz de hacer virulentas a cepas que inicialmente
no lo eran continuó hasta 1944, año en el cual Oswald Avery, Colin MacLeod y Maclyn
McCarty realizaron un experimento hoy clásico. Estos investigadores extrajeron la fracción activa
(el factor transformante) y, mediante análisis químicos, enzimáticos y serológicos, observaron que
no contenía proteínas, ni lípidos no ligados, ni polisacáridos activos, sino que estaba constituido
principalmente por "una forma viscosa de ácido desoxirribonucleico altamente polimerizado", es
decir, ADN. El ADN extraído de las cepas bacterianas S muertas por el calor lo mezclaron "in vitro"
con cepas R vivas: el resultado fue que se formaron colonias bacterianas S, por lo que se concluyó
inequívocamente que el factor o principio transformante era el ADN.9
A pesar de que la identificación del ADN como principio transformante aún tardó varios años en ser
universalmente aceptada, este descubrimiento fue decisivo en el conocimiento de la base
molecular de la herencia, y constituye el nacimiento de la genética molecular. Finalmente, el papel
exclusivo del ADN en la heredabilidad fue confirmado en 1952 mediante los experimentos de Alfred
Hershey y Martha Chase, en los cuales comprobaron que el fago T2 transmitía su información
genética en su ADN, pero no en su proteína10 (véase también experimento de Hershey y Chase).
En cuanto a la caracterización química de la molécula, en 1940 Chargaff realizó algunos
experimentos que le sirvieron para establecer las proporciones de las bases nitrogenadas en el
ADN. Descubrió que las proporciones de purinas eran idénticas a las de pirimidinas, la
"equimolecularidad" de las bases ([A]=[T], [G]=[C]) y el hecho de que la cantidad de G+C en una
determinada molécula de ADN no siempre es igual a la cantidad de A+T y puede variar desde el 36
hasta el 70 por ciento del contenido total.6 Con toda esta información y junto con los datos
de difracción de rayos X proporcionados por Rosalind Franklin, James Watson y Francis
Crick propusieron en1953 el modelo de la doble hélice de ADN para representar
la estructura tridimensional del polímero.11 En una serie de cinco artículos en el mismo número
de Nature se publicó la evidencia experimental que apoyaba el modelo de Watson y Crick.12 De
éstos, el artículo de Franklin y Raymond Gosling fue la primera publicación con datos de difracción
de rayos X que apoyaba el modelo de Watson y Crick,13 14 y en ese mismo número
de Nature también aparecía un artículo sobre la estructura del ADN de Maurice Wilkins y sus
colaboradores.15
Watson, Crick y Wilkins recibieron conjuntamente, en 1962, después de la muerte de Rosalind
Franklin, el Premio Nobel en Fisiología o Medicina.16 Sin embargo, el debate continúa sobre quién
debería recibir crédito por el descubrimiento.17
Propiedades físicas y químicas[editar]
Estructura química del ADN: dos cadenas de nucleótidos conectadas mediante puentes de hidrógeno, que aparecen
como líneas punteadas.
El ADN es un largo polímero formado por unidades repetitivas, losnucleótidos.18 19 Una doble
cadena de ADN mide de 22 a 26angstroms (2,2 a 2,6 nanómetros) de ancho, y una unidad (un
nucleótido) mide 3,3 Å (0,33 nm) de largo.20 Aunque cada unidad individual que se repite es muy
pequeña, los polímeros de ADN pueden ser moléculas enormes que contienen millones
denucleótidos. Por ejemplo, el cromosoma humano más largo, elcromosoma número 1, tiene
aproximadamente 220 millones de pares de bases.21
En los organismos vivos, el ADN no suele existir como una molécula individual, sino como una
pareja de moléculas estrechamente asociadas. Las dos cadenas de ADN se enroscan sobre sí
mismas formando una especie de escalera de caracol, denominada doble hélice. El modelo de
estructura en doble hélice fue propuesto en 1953por James Watson y Francis Crick (el
artículo Molecular Structure of Nucleic Acids: A Structure for Deoxyribose Nucleic Acid fue
publicado el 25 de abril de 1953 en Nature), después de obtener una imagen de la estructura de
doble hélice gracias a la refracción por rayos X hecha por Rosalind Franklin.22 El éxito de este
modelo radicaba en su consistencia con las propiedades físicas y químicas del ADN. El estudio
mostraba además que la complementariedad de bases podía ser relevante en su replicación, y
también la importancia de la secuencia de bases como portadora de información
genética.2324 25 Cada unidad que se repite, el nucleótido, contiene un segmento de la estructura de
soporte (azúcar + fosfato), que mantiene la cadena unida, y una base, que interacciona con la otra
cadena de ADN en la hélice. En general, una base ligada a un azúcar se denomina nucleósido y
una base ligada a un azúcar y a uno o más grupos fosfatos recibe el nombre de nucleótido.
Cuando muchos nucleótidos se encuentran unidos, como ocurre en el ADN, el polímero resultante
se denomina polinucleótido.26
Componentes[editar]
Estructura de soporte: La estructura de soporte de una hebra de ADN está formada por unidades
alternas de grupos fosfato yazúcar.27 El azúcar en el ADN es una pentosa, concretamente,
la desoxirribosa.
Ácido fosfórico :
Enlace fosfodiéster. El grupo fosfato (PO43-) une el carbono 5' del azúcar de un nucleósido con el carbono 3' del
siguiente.
Su fórmula química es H3PO4. Cada nucleótido puede contener uno (monofosfato:AMP),
dos (difosfato: ADP) o tres (trifosfato: ATP) grupos de ácido fosfórico, aunque como
monómeros constituyentes de los ácidos nucleicos sólo aparecen en forma de nucleósidos
monofosfato.
Desoxirribosa :
Es un monosacárido de 5 átomos de carbono (una pentosa) derivado de la ribosa, que
forma parte de la estructura de nucleótidos del ADN. Su fórmula es C5H10O4. Una de las
principales diferencias entre el ADN y el ARN es el azúcar, pues en el ARN la 2-
desoxirribosa del ADN es reemplazada por una pentosa alternativa, laribosa.25
Las moléculas de azúcar se unen entre sí a través de grupos fosfato, que formanenlaces
fosfodiéster entre los átomos de carbono tercero (3′, «tres prima») y quinto (5′, «cinco
prima») de dos anillos adyacentes de azúcar. La formación de enlacesasimétricos implica
que cada hebra de ADN tiene una dirección. En una doble hélice, la dirección de
los nucleótidos en una hebra (3′ → 5′) es opuesta a la dirección en la otra hebra (5′ → 3′).
Esta organización de las hebras de ADN se denomina antiparalela; son cadenas paralelas,
pero con direcciones opuestas. De la misma manera, los extremos asimétricos de las
hebras de ADN se denominanextremo 5′ («cinco prima») y extremo 3′ («tres prima»),
respectivamente.
Bases nitrogenadas :
Las cuatro bases nitrogenadas mayoritarias que se encuentran en el ADN son
laadenina (A), la citosina (C), la guanina (G) y la timina (T). Cada una de estas cuatro
bases está unida al armazón de azúcar-fosfato a través del azúcar para formar el
nucleótido completo (base-azúcar-fosfato). Las bases son compuestos
heterocíclicos y aromáticos con dos o más átomos de nitrógeno, y, dentro de las bases
mayoritarias, se clasifican en dos grupos: las bases púricas o purinas(adenina y guanina),
derivadas de la purina y formadas por dos anillos unidos entre sí, y las bases
pirimidínicas o bases pirimídicaso pirimidinas (citosina y timina), derivadas de la pirimidina
y con un solo anillo.25 En los ácidos nucleicos existe una quinta base pirimidínica,
denominada uracilo (U), que normalmente ocupa el lugar de la timina en el ARN y difiere
de ésta en que carece de un grupo metilo en su anillo. El uracilo no se encuentra
habitualmente en el ADN, sólo aparece raramente como un producto residual de la
degradación de la citosina por procesos de desaminación oxidativa.
Timina: 2, 4-dioxo, 5-metilpirimidina.
Timina :
En el código genético se representa con la letra T. Es un derivado pirimidínico con
un grupo oxoen las posiciones 2 y 4, y un grupo metil en la posición 5. Forma
el nucleósido timidina (siempre desoxitimidina, ya que sólo aparece en el ADN) y
el nucleótido timidilato o timidina monofosfato (dTMP). En el ADN, la timina siempre
se empareja con la adenina de la cadena complementaria mediante 2 puentes de
hidrógeno, T=A. Su fórmula química es C5H6N2O2 y su nomenclatura 2, 4-dioxo, 5-
metilpirimidina.
Citosina: 2-oxo, 4-aminopirimidina.
Citosina :
En el código genético se representa con la letra C. Es un derivado pirimidínico, con
un grupo amino en posición 4 y un grupo oxo en posición 2. Forma
el nucleósido citidina (desoxicitidina en el ADN) y elnucleótido citidilato o (desoxi)citidina
monofosfato (dCMP en el ADN, CMP en el ARN). La citosina siempre se empareja en el
ADN con la guanina de la cadena complementaria mediante un triple enlace,C≡G. Su
fórmula química es C4H5N3O y su nomenclatura 2-oxo, 4 aminopirimidina. Su masa
moleculares de 111,10 unidades de masa atómica. La citosina se descubrió en 1894, al
aislarla del tejido del timode carnero.
Adenina: 6-aminopurina.
Adenina :
En el código genético se representa con la letra A. Es un derivado de la purina con un
grupo amino en la posición 6. Forma el nucleósidoadenosina (desoxiadenosina en el ADN)
y el nucleótido adenilato o (desoxi)adenosina monofosfato (dAMP, AMP). En el ADN
siempre se empareja con la timina de la cadena complementaria mediante 2 puentes de
hidrógeno, A=T. Su fórmula química es C5H5N5 y su nomenclatura 6-aminopurina. La
adenina, junto con la timina, fue descubierta en 1885 por el médico alemán Albrecht
Kossel.
Guanina: 6-oxo, 2-aminopurina.
Guanina :
En el código genético se representa con la letra G. Es un derivado púrico con un grupo oxo
en la posición 6 y un grupo amino en la posición 2. Forma el nucleósido
(desoxi)guanosina y el nucleótido guanilato o (desoxi)guanosina monofosfato (dGMP,
GMP). La guanina siempre se empareja en el ADN con la citosina de la cadena
complementaria mediante tres enlaces de hidrógeno, G≡C. Su fórmula química es
C5H5N5O y su nomenclatura 6-oxo, 2-aminopurina.
También existen otras bases nitrogenadas (las llamadas bases
nitrogenadas minoritarias), derivadas de forma natural o
sintética de alguna otra base mayoritaria. Lo son por ejemplo
la hipoxantina, relativamente abundante en el tRNA, o
la cafeína, ambas derivadas de la adenina; otras, como
elaciclovir, derivadas de la guanina, son análogos sintéticos
usados en terapia antiviral; otras, como una de las derivadas del
uracilo, son antitumorales.
Las bases nitrogenadas tienen una serie de características que
les confieren unas propiedades determinadas. Una
característica importante es su carácter aromático,
consecuencia de la presencia en el anillo de dobles enlaces en
posición conjugada. Ello les confiere la capacidad de absorber
luz en la zona ultravioleta del espectro en torno a los 260 nm, lo
cual puede aprovecharse para determinar el coeficiente de
extinción del ADN y hallar la concentración existente de los
ácidos nucleicos. Otra de sus características es que
presentan tautomería o isomería de grupos funcionales, debido
a que un átomo de hidrógeno unido a otro átomo puede migrar a
una posición vecina; en las bases nitrogenadas se dan dos tipos
de tautomerías: tautomería lactama-lactima, donde el hidrógeno
migra del nitrógeno al oxígeno del grupo oxo (forma lactama) y
viceversa (forma lactima), y tautomería imina-amina primaria,
donde el hidrógeno puede estar formando el grupo amina (forma
amina primaria) o migrar al nitrógeno adyacente (forma imina).
La adenina sólo puede presentar tautomería amina-imina, la
timina y el uracilo muestran tautomería doble lactama-lactima, y
la guanina y citosina pueden presentar ambas. Por otro lado, y
aunque se trate de moléculas apolares, las bases nitrogenadas
presentan suficiente carácterpolar como para establecer puentes
de hidrógeno, ya que tienen átomos
muy electronegativos (nitrógeno y oxígeno) que presentan carga
parcial negativa, y átomos de hidrógeno con carga parcial
positiva, de manera que se forman dipolos que permiten que se
formen estos enlaces débiles.
Se estima que el genoma humano haploide tiene alrededor de
3.000 millones de pares de bases. Para indicar el tamaño de las
moléculas de ADN se indica el número de pares de bases, y
como derivados hay dos unidades de medida muy utilizadas,
la kilobase(kb), que equivale a 1.000 pares de bases, y
la megabase (Mb), que equivale a un millón de pares de bases.
Apareamiento de bases[editar]
Véase también: Par de bases.
Un par de bases C≡G con tres puentes de hidrógeno.
Un par A=T con dos puentes de hidrógeno. Los puentes de hidrógeno se
muestran como líneas discontinuas.
La dóble hélice de ADN se mantiene estable mediante la
formación de puentes de hidrógenoentre las bases asociadas a
cada una de las dos hebras. Para la formación de un enlace de
hidrógeno una de las bases debe presentar un "donador" de
hidrógenos con un átomo de hidrógeno con carga parcial
positiva (-NH2 o -NH) y la otra base debe presentar un grupo
"aceptor" de hidrógenos con un átomo
cargado electronegativamente (C=O o N). Los puentes de
hidrógeno son uniones más débiles que los típicos enlaces
químicos covalentes, como los que conectan los átomos en
cada hebra de ADN, pero más fuertes que interacciones
hidrófobas individuales, enlaces de Van der Waals, etc. Como
los puentes de hidrógeno no son enlaces covalentes, pueden
romperse y formarse de nuevo de forma relativamente sencilla.
Por esta razón, las dos hebras de la doble hélice pueden
separarse como una cremallera, bien por fuerza mecánica o por
alta temperatura.28 La doble hélice se estabiliza además por el
efecto hidrofóbico y el apilamiento, que no se ven influidos por la
secuencia de bases del ADN.29
Cada tipo de base en una hebra forma un enlace únicamente
con un tipo de base en la otra hebra, lo que se
denomina complementariedad de las bases. Así, las purinas
forman enlaces con las pirimidinas, de forma que A se enlaza
sólo con T, y C sólo con G. La organización de dos nucleótidos
apareados a lo largo de la doble hélice se
denominaapareamiento de bases. Este emparejamiento
corresponde a la observación ya realizada por Erwin
Chargaff (1905-2002),30 que mostró que la cantidad de adenina
era muy similar a la cantidad de timina, y que la cantidad de
citosina era igual a la cantidad de guanina en el ADN. Como
resultado de esta complementariedad, toda la información
contenida en la secuencia de doble hebra de la hélice de ADN
está duplicada en cada hebra, lo cual es fundamental durante el
proceso de replicación del ADN. En efecto, esta interacción
reversible y específica entre pares de bases complementarias es
crítica para todas las funciones del ADN en los organismos
vivos.18
Como se ha indicado anteriormente, los dos tipos de pares de
bases forman un número diferente de enlaces de hidrógeno:
A=T forman dos puentes de hidrógeno, y C≡G forman tres
puentes de hidrógeno (ver imágenes). El par de bases GC es
por tanto más fuerte que el par de bases AT. Como
consecuencia, tanto el porcentaje de pares de bases GC como
la longitud total de la doble hélice de ADN determinan la fuerza
de la asociación entre las dos hebras de ADN. Las dobles
hélices largas de ADN con alto contenido en GC tienen hebras
que interaccionan más fuertemente que las dobles hélices cortas
con alto contenido en AT.31 Por esta razón, las zonas de la doble
hélice de ADN que necesitan separarse fácilmente tienden a
tener un alto contenido en AT, como por ejemplo la secuencia
TATAAT de la caja de Pribnow de algunos promotores.32 En el
laboratorio, la fuerza de esta interacción puede medirse
buscando la temperatura requerida para romper los puentes de
hidrógeno, la temperatura de fusión (también denominado
valor Tm, del inglésmelting temperature). Cuando todas las pares
de bases en una doble hélice se funden, las hebras se separan
en solución en dos hebras completamente independientes.
Estas moléculas de ADN de hebra simple no tienen una única
forma común, sino que algunas conformaciones son más
estables que otras.33
Otros tipos de pares de bases[editar]
Par de bases A=T de tipo Watson-Crick. En azul el donador de hidrógenos
y en rojo el aceptor.
Par de bases A=T de tipo Watson-Crick reverso. En azul el donador de
hidrógenos y en rojo el aceptor. Nótese que la pirimidina ha sufrido un giro
de 180º sobre el eje del carbono 6.
Existen diferentes tipos de pares de bases que se pueden
formar según el modo como se forman los puentes de
hidrógeno. Los que se observan en la doble hélice de ADN son
los llamados pares de bases Watson-Crick, pero también existen
otros posibles pares de bases, como los
denominadosHoogsteen y Wobble u oscilante, que pueden
aparecer en circunstancias particulares. Además, para cada tipo
existe a su vez el mismo par reverso, es decir, el que se da si se
gira la base pirimidínica 180º sobre su eje.
Watson-Crick (pares de bases de la doble hélice): los
grupos de la base púrica que intervienen en el enlace de
hidrógeno son los que corresponden a las posiciones 1 y 6
(N aceptor y -NH2 donador si la purina es una A) y los
grupos de la base pirimidínica, los que se encuentran en las
posiciones 3 y 4 (-NH donador y C=O aceptor si la pirimidina
es una T). En el par de bases Watson-Crick reverso
participarían los grupos de las posiciones 2 y 3 de la base
pirimidínica (ver imágenes).
Hoogsteen : en este caso cambian los grupos de la base
púrica, que ofrece una cara diferente (posiciones 6 y 7) y
que forman enlaces con los grupos de las pirimidinas de las
posiciones 3 y 4 (como en Watson-Crick). También puede
haber Hoogsteen reversos. Con este tipo de enlace pueden
unirse A=U (Hoogsteen y Hoogsteen reverso) y A=C
(Hoogsteen reverso).
Wobble u oscilante: este tipo de enlace permite que se unan
guanina y citosina con un doble enlace (G=T). La base
púrica (G) forma enlace con los grupos de las posiciones 1 y
6 (como en Watson-Crick) y la pirimidina (T) con los grupos
de las posiciones 2 y 3. Este tipo de enlace no funcionaría
con A=C, ya que quedarían enfrentados los 2 aceptores y
los 2 donadores, y sólo se podría dar en el caso inverso.
Encontramos pares de bases de tipo oscilante en el ARN,
durante el apareamiento de codón yanticodón. Con este tipo
de enlace pueden unirse G=U (oscilante y oscilante reverso)
y A=C (oscilante reverso).
En total, en su forma tautomérica mayoritaria, existen 28
posibles pares de bases nitrogenadas: 10 posibles pares de
bases purina-pirimidina (2 pares Watson-Crick y 2 Watson Crick
reverso, 1 par Hoogsteen y 2 pares Hoogsteen reverso, 1 par
oscilante y 2 pares oscilante reverso), 7 pares homo purina-
purina (A=A, G=G), 4 pares A=G y 7 pares pirimidina-pirimidina.
Esto sin contar con los pares de bases que pueden formarse si
también tenemos en cuenta las otras formas tautoméricas
minoritarias de las bases nitrogenadas; éstos, además, pueden
ser responsables de mutaciones puntuales por sustitución de
tipo transición.
Estructura[editar]
El ADN es una molécula bicatenaria, es decir, está formada por
dos cadenas dispuestas de forma antiparalela y con las bases
nitrogenadas enfrentadas. En su estructura tridimensional, se
distinguen distintos niveles:34 35
1. Estructura primaria:
Secuencia de nucleótidos encadenados. Es en
estas cadenas donde se encuentra la información
genética, y dado que el esqueleto es el mismo para
todos, la diferencia de la información radica en la
distinta secuencia de bases nitrogenadas. Esta
secuencia presenta un código, que determina una
información u otra, según el orden de las bases.
2. Estructura secundaria:
Es una estructura en doble hélice. Permite explicar
el almacenamiento de la información genética y el
mecanismo de duplicación del ADN. Fue postulada
por Watson y Crick, basándose en la difracción de
rayos X que habían realizado Franklin y Wilkins, y
en la equivalencia de bases de Chargaff, según la
cual la suma de adeninas más guaninas es igual a
la suma de timinas más citosinas.
Es una cadena doble, dextrógira o levógira, según
el tipo de ADN. Ambas cadenas son
complementarias, pues la adenina y la guanina de
una cadena se unen, respectivamente, a la timina y
la citosina de la otra. Ambas cadenas son
antiparalelas, pues el extremo 3´ de una se
enfrenta al extremo 5´ de la homóloga.
Existen tres modelos de ADN. El ADN de tipo B es
el más abundante y es el que tiene la estructura
descrita por Watson y Crick.
3. Estructura terciaria:
Se refiere a cómo se almacena el ADN en un
espacio reducido, para formar los cromosomas.
Varía según se trate de
organismos procariotas o eucariotas:
2. En procariotas el ADN se pliega como una
súper-hélice, generalmente en forma circular y
asociada a una pequeña cantidad de proteínas.
Lo mismo ocurre en orgánulos celulares como
las mitocondrias y en los cloroplastos.
3. En eucariotas, dado que la cantidad de ADN de
cada cromosoma es muy grande, el
empaquetamiento ha de ser más complejo y
compacto; para ello se necesita la presencia de
proteínas, como las histonas y otras
proteínas de naturaleza no histónica (en
los espermatozoides estas proteínas son
las protaminas).34
4. Estructura cuaternaria:
La cromatina presente en el núcleo tiene un grosor de 300 Å, pues la fibra de
cromatina de 100 Å se enrolla formando una fibra de cromatina de 300 Å. El
enrollamiento de los nucleosomas recibe el nombre de solenoide. Dichos solenoides
se enrollan formando la cromatina del núcleo interfásico de la célula eucariota. Cuando
la célula entra en división, el ADN se compacta más, formando así los cromosomas.
Estructuras en doble hélice[editar]
De izquierda a derecha, las estructuras de ADN A, B y Z.
El ADN existe en muchas conformaciones.27 Sin embargo,
en organismos vivos sólo se han observado las
conformaciones ADN-A, ADN-B y ADN-Z. La conformación
que adopta el ADN depende de su secuencia, la cantidad y
dirección de superenrollamiento que presenta, la presencia
de modificaciones químicas en las bases y las condiciones
de la solución, tales como la concentración
de iones de metales y poliaminas.36 De las tres
conformaciones, la forma "B" es la más común en las
condiciones existentes en las células.37 Las dos dobles
hélices alternativas del ADN difieren en su geometría y
dimensiones.
La forma "A" es una espiral que gira hacia la derecha, más
amplia que la "B", con una hendidura menor superficial y
más amplia, y una hendidura mayor más estrecha y
profunda. La forma "A" ocurre en condiciones no fisiológicas
en formas deshidratadas de ADN, mientras que en la célula
puede producirse en apareamientos híbridos de hebras
ADN-ARN, además de en complejos enzima-ADN.3839
Los segmentos de ADN en los que las bases han sido
modificadas por metilación pueden sufrir cambios
conformacionales mayores y adoptar la forma "Z". En este
caso, las hebras giran alrededor del eje de la hélice en una
espiral que gira a mano izquierda, lo opuesto a la forma "B"
más frecuente.40 Estas estructuras poco frecuentes pueden
ser reconocidas por proteínas específicas que se unen a
ADN-Z y posiblemente estén implicadas en la regulación de
la transcripción.41
Estructuras en cuádruplex[editar]
Estructura de un ADN en cuádruplex formada por repeticiones en
los telómeros. La conformación de la estructura de soporte del ADN
difiere significativamente de la típica estructura en hélice.42
En los extremos de los cromosomas lineales existen
regiones especializadas de ADN denominadas telómeros.
La función principal de estas regiones es permitir a la célula
replicar los extremos cromosómicos utilizando la
enzimatelomerasa, puesto que las enzimas que replican el
resto del ADN no pueden copiar los extremos 3' de los
cromosomas.43 Estas terminaciones cromosómicas
especializadas también protegen los extremos del ADN, y
evitan que los sistemas de reparación del ADN en la célula
los procesen como ADN dañado que debe ser
corregido.44 En las células humanas, los telómeros son
largas zonas de ADN de hebra sencilla que contienen
algunos miles de repeticiones de una única secuencia
TTAGGG.45
Estas secuencias ricas en guanina pueden estabilizar los
extremos cromosómicos mediante la formación de
estructuras de juegos apilados de unidades de cuatro
bases, en lugar de los pares de bases encontrados
normalmente en otras estructuras de ADN. En este caso,
cuatro bases guanina forman unidades con superficie plana
que se apilan una sobre otra, para formar una estructura
cuádruple-G estable.46 Estas estructuras se estabilizan
formando puentes de hidrógeno entre los extremos de las
bases y la quelatación de un metal iónico en el centro de
cada unidad de cuatro bases.47 También se pueden formar
otras estructuras, con el juego central de cuatro bases
procedente, o bien de una hebra sencilla plegada alrededor
de las bases, o bien de varias hebras paralelas diferentes,
de forma que cada una contribuye con una base a la
estructura central.
Además de estas estructuras apiladas,
los telómeros también forman largas estructuras en lazo,
denominadas lazos teloméricos o lazos-T (T-loops en
inglés). En este caso, las hebras simples de ADN se
enroscan sobre sí mismas en un amplio círculo estabilizado
por proteínas que se unen a telómeros.48 En el extremo del
lazo T, el ADN telomérico de hebra sencilla se sujeta a una
región de ADN de doble hebra porque la hebra de ADN
telomérico altera la doble hélice y se aparea a una de las
dos hebras. Esta estructura de triple hebra se
denomina lazo de desplazamiento o lazo D (D-loop).46
Hendiduras mayor y menor[editar]
Animación de la estructura de una sección de ADN. Las bases se
encuentran horizontalmente entre las dos hebras en espiral. Versión
ampliada 49
Doble hélice: a) Dextrógira, b) Levógira.
La doble hélice es una espiraldextrógira, esto es, cada una
de las cadenas de nucleótidos gira a derechas; esto puede
verificarse si nos fijamos, yendo de abajo a arriba, en la
dirección que siguen los segmentos de las hebras que
quedan en primer plano. Si las dos hebras giran a derechas
se dice que la doble hélice es dextrógira, y si giran a
izquierdas, levógira (esta forma puede aparecer en hélices
alternativas debido a cambios conformacionales en el ADN).
Pero en la conformación más común que adopta el ADN, la
doble hélice es dextrógira, girando cada par de bases
respecto al anterior unos 36º.50
Cuando las dos hebras de ADN se enrollan una sobre la
otra (sea a derechas o a izquierdas), se forman huecos o
hendiduras entre una hebra y la otra, dejando expuestos los
laterales de las bases nitrogenadas del interior (ver la
animación). En la conformación más común que adopta el
ADN aparecen, como consecuencia de los ángulos
formados entre los azúcares de ambas cadenas de cada par
de bases nitrogenadas, dos tipos de hendiduras alrededor
de la superficie de la doble hélice: una de ellas, la hendidura
o surco mayor, que mide 22 Å (2,2 nm) de ancho, y la otra,
la hendidura o surco menor, que mide 12 Å (1,2 nm) de
ancho.51 Cada vuelta de hélice, que es cuando ésta ha
realizado un giro de 360º o lo que es lo mismo, de principio
de hendidura mayor a final de hendidura menor, medirá por
tanto 34 Å, y en cada una de esas vueltas hay unos 10,5 pb.
Hendiduras mayor y menor de la doble hélice.
La anchura de la hendidura mayor implica que los extremos
de las bases son más accesibles en ésta, de forma que la
cantidad de grupos químicos expuestos también es mayor lo
cual facilita la diferenciación entre los pares de bases A-T,
T-A, C-G, G-C. Como consecuencia de ello, también se verá
facilitado el reconocimiento de secuencias de ADN por parte
de diferentes proteínas sin la necesidad de abrir la doble
hélice. Así, proteínas como los factores de transcripción que
pueden unirse a secuencias específicas, frecuentemente
contactan con los laterales de las bases expuestos en la
hendidura mayor.52 Por el contrario, los grupos químicos que
quedan expuestos en la hendidura menor son similares, de
forma que el reconocimiento de los pares de bases es más
difícil; por ello se dice que la hendidura mayor contiene más
información que la hendidura menor.50
Sentido y antisentido[editar]
Artículo principal: Antisentido.
Una secuencia de ADN se denomina "sentido" (en
inglés, sense) si su secuencia es la misma que la secuencia
de un ARN mensajeroque se traduce en una proteína. La
secuencia de la hebra de ADN complementaria se
denomina "antisentido" (antisense). En ambas hebras de
ADN de la doble hélice pueden existir tanto
secuencias sentido, que codifican ARNm, como antisentido,
que no lo codifican. Es decir, las secuencias que codifican
ARNm no están todas presentes en una sola de las hebras,
sino repartidas entre las dos hebras. Tanto
en procariotas como en eucariotas se producen ARNs con
secuencias antisentido, pero la función de esos ARNs no
está completamente clara.53 Se ha propuesto que los
ARNs antisentido están implicados en la regulación de
la expresión génicamediante apareamiento ARN-ARN: los
ARNs antisentido se aparearían con los ARNm
complementarios, bloqueando de esta forma sutraducción.54
En unas pocas secuencias de ADN en procariotas y
eucariotas (este hecho es más frecuente
en plásmidos y virus), la distinción entre
hebras sentido y antisentido es más difusa, debido a que
presentan genes superpuestos.55 En estos casos, algunas
secuencias de ADN tienen una función doble, codificando
una proteína cuando se lee a lo largo de una hebra, y una
segunda proteína cuando se lee en la dirección contraria a
lo largo de la otra hebra. En bacterias, esta superposición
puede estar involucrada en la regulación de
latranscripción del gen,56 mientras que en virus los genes
superpuestos aumentan la cantidad de información que
puede codificarse en sus diminutos genomas.57
Superenrollamiento[editar]
Estructura de moléculas de ADN lineales con los extremos fijos y
superenrolladas. Por claridad, se ha omitido la estructura en hélice del
ADN.
El ADN puede retorcerse como una cuerda en un proceso
que se denomina superenrollamiento del
ADN(«supercoiling», en inglés). Cuando el ADN está en un
estado "relajado", una hebra normalmente gira alrededor del
eje de la doble hélice una vez cada 10,4 pares de bases,
pero si el ADN está retorcido las hebras pueden estar
unidas más estrechamente o más relajadamente.58 Si el
ADN está retorcido en la dirección de la hélice, se dice que
el superenrollamiento es positivo, y las bases se mantienen
juntas de forma más estrecha. Si el ADN se retuerce en la
dirección opuesta, el superenrollamiento se llama negativo,
y las bases se alejan. En la naturaleza, la mayor parte del
ADN tiene un ligero superenrollamiento negativo que es
producido
por enzimas denominadas topoisomerasas.59Estas enzimas
también son necesarias para liberar las fuerzas de torsión
introducidas en las hebras de ADN durante procesos como
la transcripción y la replicación.60
Modificaciones químicas[editar]
citosina 5-metil-citosina timina
Estructura de la citosina con y sin el grupo metilo. Tras la desaminación, la 5-
metil-citosina tiene la misma estructura que la timina.
Modificaciones de bases del ADN[editar]
Véase también: Metilación.
La expresión de los genes está influenciada por la forma en
la que el ADN está empaquetado en cromosomas, en una
estructura denominada cromatina. Las modificaciones de
bases pueden estar implicadas en el empaquetamiento del
ADN: las regiones que presentan una expresión génica baja
o nula normalmente contienen niveles altos de metilación de
las bases citosina. Por ejemplo, la metilación de citosina
produce 5-metil-citosina, que es importante para la
inactivación del cromosoma X.61 El nivel medio de metilación
varía entre organismos: el gusano Caenorhabditis
elegans carece de metilación de citosina, mientras que
los vertebrados presentan un nivel alto - hasta 1% de su
ADN contiene 5-metil-citosina.62 A pesar de la importancia
de la 5-metil-citosina, ésta puede desaminarse para generar
una base timina. Las citosinas metiladas son por tanto
particularmente sensibles a mutaciones.63 Otras
modificaciones de bases incluyen la metilación
de adenina en bacterias y laglicosilación de uracilo para
producir la "base-J" en kinetoplastos.64 65
Daño del ADN[editar]
Véase también: Mutación.
Benzopireno, el mayor mutágeno deltabaco, unido al ADN.66
El ADN puede resultar dañado por muchos tipos
de mutágenos, que cambian la secuencia del ADN: agentes
alquilantes, además de radiación electromagnética de alta
energía, como luz ultravioleta y rayos X. El tipo de daño
producido en el ADN depende del tipo de mutágeno. Por
ejemplo, la luz UV puede dañar al ADN produciendo
dímeros de timina, que se forman por ligamiento cruzado
entre bases pirimidínicas.67 Por otro lado, oxidantes tales
como radicales libres o el peróxido de hidrógeno producen
múltiples daños, incluyendo modificaciones de bases, sobre
todo guanina, y roturas de doble hebra (double-strand
breaks).68 En una célula humana cualquiera, alrededor de
500 bases sufren daño oxidativo cada día.69 70 De estas
lesiones oxidativas, las más peligrosas son las roturas de
doble hebra, ya que son difíciles de reparar y pueden
producir mutaciones puntuales, insercionesy deleciones de
la secuencia de ADN, así como translocaciones
cromosómicas.71
Muchos mutágenos se posicionan entre dos pares de bases
adyacentes, por lo que se denominan agentes intercalantes.
La mayoría de los agentes intercalantes son
moléculasaromáticas y planas, como el bromuro de etidio,
la daunomicina, la doxorubicina y latalidomida. Para que un
agente intercalante pueda integrarse entre dos pares de
bases, éstas deben separarse, distorsionando las hebras de
ADN y abriendo la doble hélice. Esto inhibe
la transcripción y la replicación del ADN, causando toxicidad
y mutaciones. Por ello, los agentes intercalantes del ADN
son a menudo carcinógenos: el benzopireno, lasacridinas,
la aflatoxina y el bromuro de etidio son ejemplos bien
conocidos.72 73 74 Sin embargo, debido a su capacidad para
inhibir la replicación y la transcripción del ADN, estas
toxinas también se utilizan en quimioterapia para inhibir el
rápido crecimiento de las células cancerosas.75
El daño en el ADN inicia una respuesta que activa diferentes
mecanismos de reparación que reconocen lesiones
específicas en el ADN, que son reparadas en el momento
para recuperar la secuencia original del ADN. Asimismo, el
daño en el ADN provoca una parada en el ciclo celular, que
conlleva la alteración de numerosos procesos fisiológicos,
que a su vez implica síntesis, transporte y degradación de
proteínas (véase también Checkpoint de daños en el ADN).
Alternativamente, si el daño genómico es demasiado grande
para que pueda ser reparado, los mecanismos de control
inducirán la activación de una serie de rutas celulares que
culminarán en la muerte celular.
Funciones biológicas[editar]
Las funciones biológicas del ADN incluyen el
almacenamiento de información (genes y genoma), la
codificación de proteínas (transcripción y traducción) y su
autoduplicación (replicación del ADN) para asegurar la
transmisión de la información a las células hijas durante la
división celular.
Genes y genoma[editar]
Véanse también: Núcleo
celular, Cromatina, Cromosoma y Genoma.
El ADN se puede considerar como un almacén cuyo
contenido es la información (mensaje) necesaria para
construir y sostener el organismo en el que reside, la cual se
transmite de generación en generación. El conjunto de
información que cumple esta función en un organismo dado
se denomina genoma, y el ADN que lo constituye, ADN
genómico.
El ADN genómico (que se organiza en moléculas
de cromatina que a su vez se ensamblan en cromosomas)
se encuentra en el núcleo celular de los eucariotas, además
de pequeñas cantidades en las mitocondrias y cloroplastos.
En procariotas, el ADN se encuentra en un cuerpo de forma
irregular denominado nucleoide.76
El ADN codificante[editar]
ARN polimerasa T7 (azul) produciendo un ARNm (verde) a partir de un
molde de ADN (naranja).77
Véase también: Gen.
La información genética de un genoma está contenida en
los genes, y al conjunto de toda la información que
corresponde a un organismo se le denomina su genotipo.
Un gen es una unidad de herencia y es una región de ADN
que influye en una característica particular de un organismo
(como el color de los ojos, por ejemplo). Los genes
contienen un "marco de lectura abierto" (open reading
frame) que puede transcribirse, además de secuencias
reguladoras, tales como promotores y enhancers, que
controlan la transcripción del marco de lectura abierto.
Desde este punto de vista, las obreras de este mecanismo
son las proteínas. Estas pueden ser estructurales, como las
proteínas de los músculos,cartílagos, pelo, etc.,
o funcionales, como la hemoglobina o las
innumerablesenzimas del organismo. La función principal de
la herencia es la especificación de las proteínas, siendo el
ADN una especie de plano o recetapara producirlas. La
mayor parte de las veces la modificación del ADN provocará
una disfunción proteica que dará lugar a la aparición de
alguna enfermedad. Pero en determinadas ocasiones, las
modificaciones podrán provocar cambios beneficiosos que
darán lugar a individuos mejor adaptados a su entorno.
Las aproximadamente treinta mil proteínas diferentes en el
cuerpo humano están constituidas por
veinte aminoácidos diferentes, y una molécula de ADN debe
especificar la secuencia en que se unen dichos
aminoácidos.
En el proceso de elaborar una proteína, el ADN de un gen
se lee y se transcribe a ARN. Este ARN sirve como
mensajero entre el ADN y la maquinaria que elaborará las
proteínas y por eso recibe el nombre de ARN mensajero o
ARNm. El ARN mensajero sirve de molde a la maquinaria
que elabora las proteínas, para que ensamble los
aminoácidos en el orden preciso para armar la proteína.
El dogma central de la biología molecular establecía que el
flujo de actividad y de información era: ADN → ARN →
proteína. No obstante, en la actualidad ha quedado
demostrado que este "dogma" debe ser ampliado, pues se
han encontrado otros flujos de información: en algunos
organismos (virus de ARN) la información fluye de ARN a
ADN; este proceso se conoce como "transcripción inversa o
reversa", también llamada "retrotranscripción". Además, se
sabe que existen secuencias de ADN que se transcriben a
ARN y son funcionales como tales, sin llegar a traducirse
nunca a proteína: son los ARN no codificantes, como es el
caso de los ARN interferentes.34 35
El ADN no codificante ("ADN basura")[editar]
El ADN del genoma de un organismo puede dividirse
conceptualmente en dos: el que codifica las proteínas (los
genes) y el que no codifica. En muchas especies, sólo una
pequeña fracción del genoma codifica proteínas. Por
ejemplo, sólo alrededor del 1,5% del genoma humano
consiste en exones que codifican proteínas (20.000 a
25.000 genes), mientras que más del 90% consiste en ADN
no codificante.78
El ADN no codificante (también denominado ADN
basura o junk DNA) corresponde a secuencias del genoma
que no generan una proteína (procedentes de
transposiciones, duplicaciones, translocaciones y
recombinaciones de virus, etc.), incluyendo los intrones.
Hasta hace poco tiempo se pensaba que el ADN no
codificante no tenía utilidad alguna, pero estudios recientes
indican que eso es inexacto. Entre otras funciones, se
postula que el llamado "ADN basura" regula la expresión
diferencial de los genes.79 Por ejemplo, algunas secuencias
tienen afinidad hacia proteínas especiales que tienen la
capacidad de unirse al ADN (como los homeodominios, los
complejos receptores de hormonas esteroides, etc.), con un
papel importante en el control de los mecanismos de
trascripción y replicación. Estas secuencias se llaman
frecuentemente "secuencias reguladoras", y los
investigadores suponen que sólo se ha identificado una
pequeña fracción de las que realmente existen. La
presencia de tanto ADN no codificante en genomas
eucarióticos y las diferencias en tamaño del genoma entre
especies representan un misterio que es conocido como el
"enigma del valor de C".80Recientemente, un grupo de
investigadores de la Universidad de Yale ha descubierto una
secuencia de ADN no codificante que sería la responsable
de que los seres humanos hayan desarrollado la capacidad
de agarrar y/o manipular objetos o herramientas.81
Por otro lado, algunas secuencias de ADN desempeñan un
papel estructural en los cromosomas:
los telómeros y centrómeroscontienen pocos o ningún gen
codificante de proteínas, pero son importantes para
estabilizar la estructura de los cromosomas. Algunos genes
no codifican proteínas, pero sí se transcriben en ARN: ARN
ribosómico, ARN de transferencia y ARN de
interferencia(ARNi, que son ARN que bloquean la expresión
de genes específicos). La estructura de intrones y exones
de algunos genes (como los
de inmunoglobulinas y protocadherinas) son importantes por
permitir los cortes y empalmes alternativos del pre-ARN
mensajero que hacen posible la síntesis de diferentes
proteínas a partir de un mismo gen (sin esta capacidad no
existiría el sistema inmune, por ejemplo). Algunas
secuencias de ADN no codificante
representan pseudogenes que tienen valor evolutivo, ya que
permiten la creación de nuevos genes con nuevas
funciones.35 Otros ADN no codificantes proceden de la
duplicación de pequeñas regiones del ADN; esto tiene
mucha utilidad, ya que el rastreo de estas secuencias
repetitivas permite estudios de filogenia.
Transcripción y traducción[editar]
Artículos principales: Transcripción (genética) y Traducción
(genética).
En un gen, la secuencia de nucleótidos a lo largo de una
hebra de ADN se transcribe a un ARN mensajero (ARNm) y
esta secuencia a su vez se traduce a una proteína que un
organismo es capaz de sintetizar o "expresar" en uno o
varios momentos de su vida, usando la información de dicha
secuencia.
La relación entre la secuencia de nucleótidos y la secuencia
de aminoácidos de la proteína viene determinada por
el código genético, que se utiliza durante el proceso de
traducción o síntesis de proteínas. La unidad codificadora
del código genético es un grupo de tres nucleótidos
(triplete), representado por las tres letras iniciales de las
bases nitrogenadas (por ej., ACT, CAG, TTT). Los tripletes
del ADN se transcriben en sus bases complementarias en el
ARN mensajero, y en este caso los tripletes se
denominan codones (para el ejemplo anterior, UGA, GUC,
AAA). En el ribosoma cada codón del ARN mensajero
interacciona con una molécula de ARN de
transferencia (ARNt o tRNA) que contenga el triplete
complementario, denominado anticodón. Cada ARNt porta
el aminoácido correspondiente al codón de acuerdo con
el código genético, de modo que el ribosoma va uniendo los
aminoácidos para formar una nueva proteína de acuerdo
con las "instrucciones" de la secuencia del ARNm. Existen
64 codones posibles, por lo cual corresponde más de uno
para cada aminoácido (por esta duplicidad de codones se
dice que el código genético es un código degenerado: no es
unívoco); algunos codones indican la terminación de la
síntesis, el fin de la secuencia codificante; estos codones de
terminación ocodones de parada son UAA, UGA y UAG (en
inglés, nonsense codons o stop codons).34
Replicación del ADN[editar]
Esquema representativo de la replicación del ADN.
Artículo principal: Replicación de ADN.
La replicación del ADN es el proceso por el cual se obtienen
copias o réplicas idénticas de una molécula de ADN. La
replicación es fundamental para la transferencia de la
información genética de una generación a la siguiente y, por
ende, es la base de la herencia. El mecanismo consiste
esencialmente en la separación de las dos hebras de la
doble hélice, las cuales sirven de molde para la posterior
síntesis de cadenas complementarias a cada una de ellas,
que llevará por nombre ARNm. El resultado final son dos
moléculas idénticas a la original. Este tipo de replicación se
denomina semiconservativa debido a que cada una de las
dos moléculas resultantes de la duplicación presenta una
cadena procedente de la molécula "madre" y otra recién
sintetizada.
Hipótesis sobre la duplicación del ADN[editar]
En un principio, se propusieron tres hipótesis:
Semiconservativa: Según esta hipótesis, formulada
por Watson y Crick, cada hebra sirve de molde para
que se forme una hebra nueva, mediante la
complentariedad de bases, quedando al final dos
dobles hélices formadas por una hebra antigua (molde)
y una nueva hebra (copia).
Conservativa: Tras la duplicación quedarían las dos
hebras antiguas juntas y, por otro lado, las dos hebras
nuevas formando una doble hélice.
Dispersiva: Según esta hipótesis, las hebras
resultantes estarían formadas por fragmentos en doble
hélice ADN antiguo y ADN recién sintetizado.
Interacciones ADN-proteína[editar]
Todas las funciones del ADN dependen de sus
interacciones con proteínas. Estas interacciones pueden ser
inespecíficas, o bien la proteína puede unirse de forma
específica a una única secuencia de ADN. También pueden
unirse enzimas, entre las cuales son particularmente
importantes las polimerasas, que copian las secuencia de
bases del ADN durante la transcripción y la replicación.
Proteínas que unen ADN[editar]
Interacciones inespecíficas[editar]
Interacción de ADN con histonas (en blanco, arriba). Los
aminoácidos básicos de estas proteínas (abajo a la izquierda, en
azul) se unen a los grupos ácidos de los fosfatos del ADN (abajo a
la derecha, en rojo).
Las proteínas estructurales que se unen al ADN son
ejemplos bien conocidos de interacciones inespecíficas
ADN-proteínas. En los cromosomas, el ADN se encuentra
formando complejos con proteínas estructurales. Estas
proteínas organizan el ADN en una estructura compacta
denominada cromatina. En eucariotas esta estructura
implica la unión del ADN a un complejo formado por
pequeñas proteínas básicas denominadas histonas,
mientras que en procariotas están involucradas una gran
variedad de proteínas.82 83 Las histonas forman un complejo
de forma cilíndrica denominado nucleosoma, en torno al
cual se enrollan casi dos vueltas de ADN de doble hélice.
Estas interacciones inespecíficas quedan determinadas por
la existencia de residuos básicos en las histonas, que
forman enlaces iónicos con el esqueleto de azúcar-fosfato
del ADN y, por tanto, son en gran parte independientes de la
secuencia de bases.84 Estos aminoácidos básicos
experimentan modificaciones químicas
demetilación, fosforilación y acetilación,85 que alteran la
fuerza de la interacción entre el ADN y las histonas,
haciendo al ADN más o menos accesible a los factores de
transcripción y por tanto modificando la tasa de
transcripción.86
Otras proteínas que se unen a ADN de manera inespecífica
en la cromatina incluyen las proteínas del grupo de alta
movilidad (HMG, High Mobility Group) que se unen a ADN
plegado o distorsionado.87 Estas proteínas son importantes
durante el plegamiento de los nucleosomas, organizándolos
en estructuras más complejas para constituir los
cromosomas88 durante el proceso de condensación
cromosómica. Se ha propuesto que en este proceso
también intervendrían otras proteínas, formando una
especie de "andamio" sobre el cual se organiza la
cromatina; los principales componentes de esta estructura
serían la enzima topoisomerasa II α (topoIIalpha) y
la condensina 13S.89 Sin embargo, el papel estructural de
latopoIIalpha en la organización de los cromosomas aún es
discutido, ya que otros grupos argumentan que esta enzima
se intercambia rápidamente tanto en los brazos
cromosómicos como en los cinetocoros durante la mitosis.90
Interacciones específicas[editar]
Un grupo bien definido de proteínas que unen ADN es el
conformado por las proteínas que se unen específicamente
a ADN monocatenario o ADN de hebra sencilla (ssDNA).
En humanos, la proteína A de replicación es la mejor
conocida de su familia y actúa en procesos en los que la
doble hélice se separa, como la replicación del ADN,
la recombinación o la reparación del ADN.91Estas proteínas
parecen estabilizar el ADN monocatenario, protegiéndolo
para evitar que forme estructuras de tallo-lazo (stem-loop) o
que sea degradado por nucleasas.
El factor de transcripción represor del fago lambda unido a su ADN
diana mediante un motivo hélice-giro-hélice (helix-turn-helix).92
Sin embargo, otras proteínas han evolucionado para unirse
específicamente a secuencias particulares de ADN. La
especificidad de la interacción de las proteínas con el ADN
procede de los múltiples contactos con las bases de ADN, lo
que les permite "leer" la secuencia del ADN. La mayoría de
esas interacciones con las bases ocurre en la hendidura
mayor, donde las bases son más accesibles.93
Las proteínas específicas estudiadas con mayor detalle son
las encargadas de regular la transcripción, denominadas por
ello factores de transcripción. Cada factor de transcripción
se une a una secuencia concreta de ADN y activa o inhibe
la transcripción de los genes que presentan estas
secuencias próximas a sus promotores. Los factores de
transcripción pueden efectuar esto de dos formas:
En primer lugar, pueden unirse a la polimerasa de ARN
responsable de la transcripción, bien directamente o a
través de otras proteínas mediadoras. De esta forma.
se estabiliza la unión entre la ARN polimerasa y el
promotor, lo que permite el inicio de la transcripción.94
En segundo lugar, los factores de transcripción pueden
unirse a enzimas que modifican las histonas del
promotor, lo que altera la accesibilidad del molde de
ADN a la ARN polimerasa.95
Como los ADN diana pueden encontrarse por todo
el genoma del organismo, los cambios en la actividad de un
tipo de factor de transcripción pueden afectar a miles de
genes.96 En consecuencia, estas proteínas son
frecuentemente las dianas de los procesos de transducción
de señales que controlan las respuestas a cambios
ambientales o diferenciación y desarrollo celular.
La enzima de restricción EcoRV (verde) formando un complejo con su
ADN diana.97
Enzimas que modifican el ADN[editar]
Nucleasas y ligasas[editar]
Las nucleasas son enzimas que cortan las hebras de ADN
mediante la catálisis de lahidrólisis de los enlaces
fosfodiéster. Las nucleasas que hidrolizan nucleótidos a
partir de los extremos de las hebras de ADN se
denominan exonucleasas, mientras que
lasendonucleasas cortan en el interior de las hebras. Las
nucleasas que se utilizan con mayor frecuencia en biología
molecular son las enzimas de restricción, endonucleasas
que cortan el ADN por determinadas secuencias
específicas. Por ejemplo, la enzima EcoRV, que se muestra
a la izquierda, reconoce la secuencia de 6 bases 5′-GAT|
ATC-3′, y hace un corte en ambas hebras en la línea vertical
indicada, generando dos moléculas de ADN con los
extremos romos. Otras enzimas de restricción generan sin
embargo extremos cohesivos, ya que cortan de forma
diferente las dos hebras de ADN. En la naturaleza, estas
enzimas protegen a las bacterias contra las infecciones
de fagos, al digerir el ADN de dicho fago cuando entra a
través de la pared bacteriana, actuando como un
mecanismo de defensa.98 En biotecnología, estas nucleasas
específicas de la secuencias de ADN se utilizan
en ingeniería genética para clonar fragmentos de ADN y en
la técnica dehuella genética.
Las enzimas denominadas ADN ligasas pueden reunir
hebras de ADN cortadas o rotas.99 Las ligasas son
particularmente importantes en la replicación de la hebra
que sufre replicación discontinua en el ADN, ya que unen
los fragmentos cortos de ADN generados en lahorquilla de
replicación para formar una copia completa del molde de
ADN. También se utilizan en la reparación del ADN y en
procesos de recombinación genética.99
Topoisomerasas y helicasas[editar]
Las topoisomerasas son enzimas que poseen a la vez
actividad nucleasa y ligasa. Estas proteínas varían la
cantidad de ADN superenrollado. Algunas de estas enzimas
funcionan cortando la hélice de ADN y permitiendo que una
sección rote, de manera que reducen el grado de
superenrollamiento. Una vez hecho esto, la enzima vuelve a
unir los fragmentos de ADN.59 Otros tipos de enzimas son
capaces de cortar una hélice de ADN y luego pasar la
segunda hebra de ADN a través de la rotura, antes de reunir
las hélices.100Las topoisomerasas son necesarias para
muchos procesos en los que interviene el ADN, como
la replicación del ADN y latranscripción.60
Las helicasas son unas proteínas que pertenecen al grupo
de los motores moleculares. Utilizan energía química
almacenada en los nucleósidos trifosfatos,
fundamentalmente ATP, para romper puentes de hidrógeno
entre bases y separar la doble hélice de ADN en hebras
simples.101 Estas enzimas son esenciales para la mayoría
de los procesos en los que las enzimas necesitan acceder a
las bases del ADN.
Polimerasas[editar]
Las polimerasas son enzimas que sintetizan cadenas de
nucleótidos a partir de nucleósidos trifosfatos. La secuencia
de sus productos son copias de cadenas de polinucleótidos
existentes, que se denominan moldes. Estas enzimas
funcionan añadiendo nucleótidos al grupo hidroxilo en 3' del
nucleótido previo en una hebra de ADN. En consecuencia,
todas las polimerasas funcionan en dirección 5′ --> 3′.102 En
los sitios activos de estas enzimas, el nucleósido trifosfato
que se incorpora aparea su base con la correspondiente en
el molde: esto permite que la polimerasa sintentice de forma
precisa la hebra complementaria al molde.
Las polimerasas se clasifican de acuerdo al tipo de molde
que utilizan:
En la replicación del ADN, una ADN polimerasa
dependiente de ADN realiza una copia de ADN a partir
de una secuencia de ADN. La precisión es vital en este
proceso, por lo que muchas de estas polimerasas
tienen una actividad de verificación de la lectura
(proofreading). Mediante esta actividad, la polimerasa
reconoce errores ocasionales en la reacción de síntesis,
debido a la falta de apareamiente entre el nucleótido
erróneo y el molde, lo que genera un desacoplamiento
(mismatch). Si se detecta un desacoplamiento, se
activa una actividad exonucleasa en dirección 3′ --> 5′ y
la base incorrecta se elimina.103 En la mayoría de los
organismos las ADN polimerasas funcionan en un gran
complejo denominado replisoma, que contiene múltiples
unidades accesorias, como helicasas.104
Las ADN polimerasas dependientes de ARN son una
clase especializada de polimerasas que copian la
secuencia de una hebra de ARN en ADN. Incluyen
la transcriptasa inversa, que es una
enzima viral implicada en la infección de células
por retrovirus, y latelomerasa, que es necesaria para la
replicación de los telómeros.105 43 La telomerasa es una
polimerasa inusual, porque contiene su propio molde de
ARN como parte de su estructura.44
La transcripción se lleva a cabo por una ARN
polimerasa dependiente de ADN que copia la
secuencia de una de las hebras de ADN en ARN. Para
empezar a transcribir un gen, la ARN polimerasa se une
a una secuencia del ADN denominada promotor, y
separa las hebras del ADN. Entonces copia la
secuencia del gen en un transcrito de ARN
mensajero hasta que alcanza una región de ADN
denomimada terminador, donde se detiene y se separa
del ADN. Como ocurre con las ADN polimerasas
dependientes de ADN en humanos, la ARN polimerasa
II (la enzima que transcribe la mayoría de los genes del
genoma humano) funciona como un gran complejo
multiproteico que contiene múltiples subunidades
reguladoras y accesorias.106
Recombinación genética[editar]
Estructura de un intermedio en unión de Holliday en
la recombinación genética. Las cuatro hebras de ADN separadas
están coloreadas en rojo, azul, verde y amarillo.107
Artículo principal: Recombinación genética.
La recombinación implica la rotura y reunión de dos cromosomas
homólogos (M y F) para producir dos cromosomas nuevos
reorganizados (C1 y C2).
Una hélice de ADN normalmente no interacciona con otros
segmentos de ADN, y en las células humanas los diferentes
cromosomas incluso ocupan áreas separadas en el núcleo
celular denominadas “territorios cromosómicos”.108 La
separación física de los diferentes cromosomas es
importante para que el ADN mantenga su capacidad de
funcionar como un almacén estable de información. Uno de
los pocos momentos en los que los cromosomas
interaccionan es durante elsobrecruzamiento
cromosómico(chromosomal crossover), durante el cual
se recombinan. El sobrecruzamiento cromosómico ocurre
cuando dos hélices de ADN se rompen, se intercambian y
se unen de nuevo.
La recombinación permite a los cromosomas intercambiar
información genética y produce nuevas combinaciones de
genes, lo que aumenta la eficiencia de la selección natural y
puede ser importante en la evolución rápida de nuevas
proteínas.109 Durante la profase I de la meiosis, una vez que
los cromosomas homólogos están perfectamente apareados
formando estructuras llamadas bivalentes, se produce el
fenómeno de sobrecruzamiento o
entrecruzamiento (crossing-over), en el cual las cromátidas
homólogas no hermanas (procedentes del padre y de la
madre) intercambian material genético. La recombinación
genética resultante hace aumentar en gran medida la
variación genética entre la descendencia de progenitores
que se reproducen por vía sexual. La recombinación
genética también puede estar implicada en la reparación del
ADN, en particular en la respuesta celular a las roturas de
doble hebra (double-strand breaks).110
La forma más frecuente de sobrecruzamiento cromosómico
es la recombinación homóloga, en la que los dos
cromosomas implicados comparten secuencias muy
similares. La recombinación no-homóloga puede ser dañina
para las células, ya que puede producirtranslocaciones
cromosómicas y anomalías genéticas. La reacción de
recombinación está catalizada por enzimas conocidas
comorecombinasas, tales como RAD51.111 El primer paso
en el proceso de recombinación es una rotura de doble
hebra, causada bien por una endonucleasa o por daño en el
ADN.112 Posteriormente, una serie de pasos catalizados en
parte por la recombinasa, conducen a la unión de las dos
hélices formando al menos una unión de Holliday, en la que
un segmento de una hebra simple es anillado con la hebra
complementaria en la otra hélice. La unión de Holliday es
una estructura de unión tetrahédrica que puede moverse a
lo largo del par de cromosomas, intercambiando una hebra
por otra. La reacción de recombinación se detiene por el
corte de la unión y la reunión de los segmentos de ADN
liberados.113
Evolución del metabolismo de ADN[editar]
Véase también: Hipótesis del mundo de ARN.
El ADN contiene la información genética que permite a la
mayoría de los organismos vivientes funcionar, crecer y
reproducirse. Sin embargo, no está claro durante cuánto
tiempo ha ejercido esta función en los ~3000 millones de
años de la historia de la vida, ya que se ha propuesto que
las formas de vida más tempranas podrían haber
utilizado ARN como material genético.114 115 El ARN podría
haber funcionado como la parte central de un metabolismo
primigenio, ya que puede transmitir información genética y
simultáneamente actuar como catalizador formando parte
de las ribozimas.116 Este antiguo Mundo de ARN donde los
ácidos nucleicos funcionarían como catalizadores y como
almacenes de información genética podría haber influido en
la evolución del código genético actual, basado en
cuatro nucleótidos. Esto se debería a que el número de
bases únicas en un organismo es un compromiso entre un
número pequeño de bases (lo que aumentaría la precisión
de la replicación) y un número grande de bases (que a su
vez aumentaría la eficiencia catalítica de las ribozimas).117
Desafortunadamente, no se cuenta con evidencia directa de
los sistemas genéticos ancestrales porque la recuperación
del ADN a partir de la mayor parte de los fósiles es
imposible. Esto se debe a que el ADN es capaz de
sobrevivir en el medio ambiente durante menos de un millón
de años, y luego empieza a degradarse lentamente en
fragmentos de menor tamaño en solución.118 Algunas
investigaciones pretenden que se ha obtenido ADN más
antiguo, por ejemplo un informe sobre el aislamiento de una
bacteria viable a partir de un cristal salino de 250 millones
de años de antigüedad,119 pero estos datos son
controvertidos.120 121
Sin embargo, pueden utilizarse herramientas de evolución
molecular para inferir los genomas de organismos
ancestrales a partir de organismos
contemporáneos.122 123 En muchos casos, estas inferencias
son suficientemente fiables, de manera que una biomolécula
codificada en un genoma ancestral puede resucitarse en el
laboratorio para ser estudiada hoy.124 125 Una vez que la
biomolécula ancestral se ha resucitado, sus propiedades
pueden ofrecer inferencias sobre ambientes y estilos de vida
primigenios. Este proceso se relaciona con el campo
emergente de la paleogenética experimental.126
A pesar de todo, el proceso de trabajo hacia atrás desde el
presente tiene limitaciones inherentes, razón por la cual
otros investigadores tratan de elucidar el mecanismo
evolutivo trabajando desde el origen de la Tierra en
adelante. Dada suficiente información sobre la química en el
cosmos, la manera en la que las sustancias cósmicas
podrían haberse depositado en la Tierra, y las
transformaciones que podrían haber tenido lugar en la
superficie terrestre primigenia, tal vez podríamos ser
capaces de aprender sobre los orígenes para desarrollar
modelos de evolución ulterior de la información
genética127 (véase también el artículo sobre elorigen de la
vida).
Técnicas comunes[editar]
El conocimiento de la estructura del ADN ha permitido el
desarrollo de multitud de herramientas tecnológicas que
explotan sus propiedades fisicoquímicas para analizar su
implicación en problemas concretos: por ejemplo,
desde análisis filogeńeticos para detectar similitudes entre
diferentes taxones, a la caracterización de la variabilidad
individual de un paciente en su respuesta a un
determinado fármaco, pasando por un enfoque global, a
nivel genómico, de cualquier característica específica en un
grupo de individuos de interés. 128
Podemos clasificar las metodologías de análisis del ADN en
aquellas que buscan su multiplicación, ya in vivo, como
la reacción en cadena de la polimerasa (PCR), ya in vitro,
como la clonación, y aquellas que explotan las propiedades
específicas de elementos concretos, o de genomas
adecuadamente clonados. Es el caso de la secuenciación
de ADN y de la hibridación con sondas específicas
("southern blot" y chips de ADN).
Tecnología del ADN recombinante[editar]
Artículo principal: ADN recombinante.
La tecnología del ADN recombinante, piedra angular de
la ingeniería genética, permite propagar grandes cantidades
de un fragmento de ADN de interés, el cual se dice que ha
sido clonado. Para ello, debe introducirse dicho fragmento
en otro elemento de ADN, generalmente un plásmido, que
posee en su secuencia los elementos necesarios para que
la maquinaria celular de un hospedador,
normalmente Escherichia coli, lo replique. De este modo,
una vez transformada la cepa bacteriana, el fragmento de
ADN clonado se reproduce cada vez que aquella se
divide.129
Para clonar la secuencia de ADN de interés, se
emplean enzimas como herramientas de corte y empalme
del fragmento y del vector (el plásmido). Dichas enzimas
corresponden a dos grupos: en primer lugar, las enzimas de
restricción, que poseen la capacidad de reconocer y cortar
secuencias específicas; en segundo lugar, la ADN ligasa,
que establece un enlace covalente entre extremos de ADN
compatibles128 (ver sección Nucleasas y ligasas).
Secuenciación[editar]
Artículo principal: Secuenciación de ADN.
La secuenciación del ADN consiste en dilucidar el orden de
los nucleótidos de un polímero de ADN de cualquier
longitud, si bien suele dirigirse hacia la determinación
de genomas completos, debido a que las técnicas actuales
permiten realizar esta secuenciación a gran velocidad, lo
cual ha sido de gran importancia para proyectos de
secuenciación a gran escala como el Proyecto Genoma
Humano. Otros proyectos relacionados, en ocasiones fruto
de la colaboración de científicos a escala mundial, han
establecido la secuencia completa del ADN de
muchos genomas de animales, plantas y microorganismos.
El método de secuenciación de Sanger ha sido el más
empleado durante el siglo XX. Se basa en la síntesis de
ADN en presencia dedidesoxinucleósidos, compuestos que,
a diferencia de los desoxinucleósidos normales (dNTPs),
carecen de un grupo hidroxilo en su extremo 3'. Aunque los
didesoxinucleótidos trifosfatados (ddNTPs) pueden
incorporarse a la cadena en síntesis, la carencia de un
extremo 3'-OH imposibilita la generación de un nuevo
enlace fosfodiéster con el nucleósido siguiente; por tanto,
provocan la terminación de la síntesis. Por esta razón, el
método de secuenciación también se denomina «de
terminación de cadena». La reacción se realiza usualmente
preparando un tubo con el ADN molde, la polimerasa, un
cebador, dNTPs convencionales y una pequeña cantidad de
ddNTPs marcados fluorescentemente en su base
nitrogenada. De este modo, el ddTTP puede ir marcado en
azul, el ddATP en rojo, etc. Durante la polimerización, se
van truncando las cadenas crecientes, al azar, en distintas
posiciones. Por tanto, se produce una serie de productos de
distinto tamaño, coincidiendo la posición de la terminación
debido a la incorporación del ddNTP correspondiente. Una
vez terminada la reacción, es posible correr la mezcla en
una electroforesis capilar (que resuelve todos los
fragmentos según su longitud) en la cual se lee la
fluorescencia para cada posición del polímero. En nuestro
ejemplo, la lectura azul-rojo-azul-azul se traduciría como
TATT.130 131
Reacción en cadena de la polimerasa (PCR)[editar]
Artículo principal: Reacción en cadena de la polimerasa.
La reacción en cadena de la polimerasa, habitualmente
conocida como PCR por sus siglas en inglés, es una técnica
de biología molecular descrita en 1986 por Kary
Mullis,132 cuyo objetivo es obtener un gran número de copias
de un fragmento de ADN dado, partiendo de una escasa
cantidad de aquél. Para ello, se emplea una ADN
polimerasa termoestable que, en presencia de una mezcla
de los cuatro desoxinucleótidos, un tampón de la fuerza
iónica adecuada y los cationes precisos para la actividad de
la enzima, dos oligonucleótidos (denominados cebadores)
complementarios a parte de la secuencia (situados a
distancia suficiente y en sentido antiparalelo) y bajo unas
condiciones de temperatura adecuadas, moduladas por un
aparato denominado termociclador,
generaexponencialmente nuevos fragmentos de ADN
semejantes al original y acotados por los dos cebadores.129
La PCR puede efectuarse como una técnica de punto final,
esto es, como una herramienta de generación del ADN
deseado, o como un método continuo, en el que se evalúe
dicha polimerización a tiempo real. Esta última variante es
común en la PCR cuantitativa.128
Southern blot[editar]
Artículo principal: Southern blot.
El método de «hibridación Southern» o «Southern blot» (el
nombre original en el idioma inglés) permite la detección de
una secuencia de ADN en una muestra compleja o no del
ácido nucleico. Para ello, combina una separación
mediante masa y carga (efectuada mediante
una electroforesis en gel) con una hibridación con una
sonda de ácido nucleico marcada de algún modo (ya sea
conradiactividad o con un compuesto químico) que, tras
varias reacciones, dé lugar a la aparición de una señal
de color o fluorescencia. Dicha hibridación se realiza tras la
transferencia del ADN separado mediante la electroforesis a
una membrana de filtro. Una técnica semejante, pero en la
cual no se produce la mencionada separación
electroforética se denomina dot blot.
El método recibe su nombre en honor a su inventor,
el biólogo inglés Edwin Southern.133 Por analogía al método
Southern, se han desarrollado técnicas semejantes que
permiten la detección de secuencias dadas de ARN
(método Northern, que emplea sondas de ARN o ADN
marcadas)134 o de proteínas específicas (técnica Western,
basada en el uso de anticuerpos).135
Chips de ADN[editar]
Artículo principal: Chip de ADN.
Microarray con 37.500 oligonucleótidos específicos. Arriba a la
izquierda se puede apreciar una región ampliada del chip.
Los chips de ADN son colecciones de oligonucleótidos de
ADN complementario dispuestos en hileras fijadas sobre un
soporte, frecuentemente de cristal. Se utilizan para el
estudio de mutaciones de genes conocidos o para
monitorizar la expresión génica de una preparación de ARN.
Aplicaciones[editar]
Ingeniería genética[editar]
Véanse también: Ingeniería genética y biología molecular.
La investigación sobre el ADN tiene un impacto significativo,
especialmente en el ámbito de la medicina, pero también en
agricultura y ganadería (donde los objetivos son los mismos
que con las técnicas tradicionales que el hombre lleva
utilizando desde hace milenios - la domesticación, la
selección y los cruces dirigidos - para obtener variedades de
animales y plantas más productivos). La moderna biología y
bioquímica hacen uso intensivo de latecnología del ADN
recombinante, introduciendo genes de interés en
organismos, con el objetivo de expresar una proteína
recombinante concreta, que puede ser:
aislada para su uso posterior: por ejemplo, se pueden
transformar microorganismos para convertirlos en
auténticas fábricas que producen grandes cantidades
de sustancias útiles, como insulina o vacunas, que
posteriormente se aíslan y se utilizan
terapéuticamente.136 137 138
necesaria para reemplazar la expresión de un gen
endógeno dañado que ha dado lugar a una patología, lo
que permitiría el restablecimiento de la actividad de la
proteína perdida y eventualmente la recuperación del
estado fisiológico normal, no patológico. Este es el
objetivo de la terapia génica, uno de los campos en los
que se está trabajando activamente en medicina,
analizando ventajas e inconvenientes de diferentes
sistemas de administración del gen (virales y no virales)
y los mecanismos de selección del punto de integración
de los elementos genéticos (distintos para los virus y los
transposones) en el genoma diana.139 En este caso,
antes de plantearse la posibilidad de realizar una
terapia génica en una determinada patología, es
fundamental comprender el impacto del gen de interés
en el desarrollo de dicha patología, para lo cual es
necesario el desarrollo de un modelo animal,
eliminando o modificando dicho gen en un animal de
laboratorio, mediante la técnica ‘’knockout’’.140 Sólo en
el caso de que los resultados en el modelo animal sean
satisfactorios se procedería a analizar la posibilidad de
restablecer el gen dañado mediante terapia génica.
utilizada para enriquecer un alimento: por ejemplo, la
composición de la leche (una importante fuente de
proteínas para el consumo humano y animal) puede
modificarse mediante transgénesis, añadiendo genes
exógenos y desactivando genes endógenos para
mejorar su valor nutricional, reducir infecciones en las
glándulas mamarias, proporcionar a los consumidores
proteínas antipatógenas y preparar proteínas
recombinantes para su uso farmacéutico.141 142
útil para mejorar la resistencia del organismo
transformado: por ejemplo en plantas se pueden
introducir genes que confieren resistencia a patógenos
(virus, insectos, hongos…), así como a agentes
estresantes abióticos (salinidad, sequedad, metales
pesados…).143 144 145
Medicina forense[editar]
Véase también: Huella genética.
Los médicos forenses pueden utilizar el ADN presente en
la sangre, el semen, la piel, la saliva o el pelo en la escena
de un crimen para identificar al responsable. Esta técnica se
denomina huella genética, o también "perfil de ADN". Al
realizar la huella genética, se compara la longitud de
secciones altamente variables de ADN repetitivo, como
los microsatélites, entre personas diferentes. Este método
es frecuentemente muy fiable para identificar a un
criminal.146 Sin embargo, la identificación puede complicarse
si la escena está contaminada con ADN de personas
diferentes.147 La técnica de la huella genética fue
desarrollada en 1984 por el genetista británico Sir Alec
Jeffreys,148 y fue utilizada por primera vez en medicina
forense para condenar a Colin Pitchfork por los asesinatos
deNarborough en 1983 y de Enderby en 1986.149 Se puede
requerir a las personas acusadas de ciertos tipos de
crímenes que proporcionen una muestra de ADN para
introducirlos en una base de datos. Esto ha facilitado la
labor de los investigadores en la resolución de casos
antiguos, donde sólo se obtuvo una muestra de ADN de la
escena del crimen, en algunos casos permitiendo exonerar
a un convicto. La huella genética también puede utilizarse
para identificar víctimas de accidentes en masa,150 o para
realizar pruebas de consanguinidad.151
Bioinformática[editar]
Véase también: Bioinformática.
La bioinformática implica la manipulación, búsqueda
y extracción de información de los datos de la secuencia del
ADN. El desarrollo de las técnicas para almacenar y buscar
secuencias de ADN ha generado avances en el desarrollo
de software de los ordenadores, para muchas aplicaciones,
especialmente algoritmos de búsqueda de
frases, aprendizaje automático y teorías de bases de
datos.152La búsqueda de frases o algoritmos de
coincidencias, que buscan la ocurrencia de una secuencia
de letras dentro de una secuencia de letras mayor, se
desarrolló para buscar secuencias específicas de
nucleótidos.153 En otras aplicaciones como editores de
textos, incluso algoritmos simples pueden funcionar, pero
las secuencias de ADN pueden generar que estos
algoritmos presenten un comportamiento de casi-el-peor-
caso, debido al bajo número de caracteres. El problema
relacionado del alineamiento de secuenciaspersigue
identificar secuencias homólogas y
localizar mutaciones específicas que las diferencian. Estas
técnicas, fundamentalmente el alineamiento múltiple de
secuencias, se utilizan al estudiar las
relaciones filogenéticas y la función de las proteínas.154 Las
colecciones de datos que representan secuencias de ADN
del tamaño de un genoma, tales como las producidas por
el Proyecto Genoma Humano, son difíciles de usar sin
anotaciones, que marcan la localización de los genes y los
elementos reguladores en cada cromosoma. Las regiones
de ADN que tienen patrones asociados con genes que
codifican proteínas – o ARN – pueden identificarse por
algoritmos de localización de genes, lo que permite a los
investigadores predecir la presencia de productos
génicos específicos en un organismo incluso antes de que
haya sido aislado experimentalmente.155
Nanotecnología de ADN[editar]
La estructura de ADN de la izquierda (mostrada de forma
esquemática) se auto-ensambla en la estructura visualizada
por microscopía de fuerza atómica a la derecha. La nanotecnología de
ADN es el campo que busca diseñar estructuras a nanoescala
utilizando las propiedades de reconocimiento molecular de las
moléculas de ADN. Imagen de Strong, 2004. Plantilla:Doi-inline
Véase también: Nanotecnología.
La nanotecnología de ADN utiliza las propiedades únicas de
reconocimiento molecular del ADN y otros ácidos nucleicos
para crear complejos ramificados auto-ensamblados con
propiedades útiles. En este caso, el ADN se utiliza como un
material estructural, más que como un portador de
información biológica.156 Esto ha conducido a la creación de
láminas periódicas de dos dimensiones (ambas basadas en
azulejos, así como usando el método de ADN origami157 ),
además de estructuras en tres dimensiones con forma
depoliedros.
Historia, antropología y paleontología[editar]
Véanse también: Filogenia y Genealogía molecular.
A lo largo del tiempo, el ADN almacena mutaciones que se
heredan y, por tanto, contiene información histórica, de
manera que comparando secuencias de ADN, los genetistas
pueden inferir la historia evolutiva de los organismos,
su filogenia.158 La investigación filogenética es una
herramienta fundamental enbiología evolutiva. Si se
comparan las secuencias de ADN dentro de una especie,
los genetistas de poblaciones pueden conocer la historia de
poblaciones particulares. Esto se puede utilizar en una
amplia variedad de estudios,
desde ecología hasta antropología, como ilustra el análisis
de ADN llevado a cabo para identificar las Diez Tribus
Perdidas de Israel.159 160 Por otro lado, el ADN también se
utiliza para estudiar relaciones familiares recientes.
Igualmente en paleontología (en la paleogenética) el ADN
en algunos casos también se puede utilizar para estudiar a
especies extintas (ADN fósil).