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Ácido desoxirribonucleico

El ácido desoxirribonucleico, conocido también por las siglas ADN, es un ácido nucleico que contiene las instrucciones genéticas usadas en el desarrollo y funcionamiento de todos los organismos vivos[1]​ y algunos virus (los virus ADN); también es responsable de la transmisión hereditaria. La función principal de la molécula de ADN es el almacenamiento a largo plazo de información para construir otros componentes de las células, como las proteínas y las moléculas de ARN. 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.

Situación del ADN dentro de una célula eucariota
Animación de parte de una estructura de ADN de doble hélice

Desde el punto de vista químico, el ADN es un polímero de nucleótidos, es decir, un polinucleótido.[2]​ Cada nucleótido, a su tiempo, está formado por un glúcido (la desoxirribosa), una base nitrogenada (que puede ser adeninaA, timinaT, citosinaC o guaninaG) y un grupo fosfato (derivado del ácido fosfórico). Lo que distingue a un polinucleótido de otro es, entonces, la base nitrogenada, y por ello la secuencia del ADN se especifica nombrando solo la secuencia de sus bases. La disposición secuencial de estas cuatro bases a lo largo de la cadena es la que codifica la información genética, siguiendo el siguiente criterio de complementariedad: A-T y G-C. Esto se debe a que la adenina y la guanina son de mayor tamaño que la timina y la citosina, por lo que este criterio permite cumplir una uniformidad. 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.[3]

Para que la información que contiene el ADN pueda ser utilizada por la maquinaria celular debe copiarse en primer lugar en unos trenes 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 al citoplasma 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 (ATGCTAGCATCG...), la ADN polimerasa utilizaría como molde la cadena complementaria de dicha secuencia de ADN (que sería TAC-GAT-CGT-AGC-...) para transcribir una molécula de ARNm que se leería AUG-CUA-GCA-UCG-...; 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 el citoplasma de la célula y, por último, los virus ADN lo hacen en el interior de la cápside 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 genoma y, con pequeñas variaciones, es característico de cada especie.

Historia

 
Friedrich Miescher, biólogo y médico suizo (1844-1895)
 

El ADN fue aislado por primera vez durante 1869, por 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.[4][5]​ Lo llamó nucleína, debido a que lo había extraído a partir de núcleos celulares.[6]​ Se necesitaron casi 70 años de investigación para poder identificar los componentes y la estructura de los ácidos nucleicos.

En 1919 Phoebus Levene identificó que un nucleótido está formado por una base nitrogenada, un azúcar y un fosfato.[7]​ 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.[8]​ 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 X que mostraba que el ADN tenía una estructura regular.[9]

 
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 estos, 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).[10]​ 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.[11]

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 proteína[12]​ (véase también experimento de Hershey y Chase).

En cuanto a la caracterización química de la molécula, Chargaff realizó en 1940 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.[8]​ Con toda esta información y junto con los datos de difracción de rayos X proporcionados por Rosalind Franklin, James Watson y Francis Crick propusieron en 1953 el modelo de la doble hélice de ADN para representar la estructura tridimensional del polímero.[13]​ 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.[14]​ De estos, 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,[15][16]​ y en ese mismo número de Nature también aparecía un artículo sobre la estructura del ADN de Maurice Wilkins y sus colaboradores.[17]

Watson, Crick y Wilkins recibieron conjuntamente, en 1962, después de la muerte de Rosalind Franklin, el Premio Nobel en Fisiología o Medicina.[18]​ Sin embargo, el debate continúa sobre quién debería recibir crédito por el descubrimiento.[19]

Propiedades físicas y químicas

 
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, los nucleótidos.[20][21]​ Una doble cadena de ADN mide de 22 a 26 ángstroms (2,2 a 2,6 nanómetros) de ancho, y una unidad (un nucleótido) mide 3,3 Å (0,33 nm) de largo.[22]​ Aunque cada unidad individual que se repite es muy pequeña, los polímeros de ADN pueden ser moléculas enormes que contienen millones de nucleótidos. Por ejemplo, el cromosoma humano más largo, el cromosoma número 1, tiene aproximadamente 220 millones de pares de bases.[23]

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 1953 por 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.[24]​ 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.[25][26][27]​ 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.[28]

Componentes

Estructura de soporte: La estructura de soporte de una hebra de ADN está formada por unidades alternas de grupos fosfato y azúcar (desoxirribosa).[29]​ El azúcar en el ADN es una pentosa, concretamente, la desoxirribosa.

 
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 solo aparecen en forma de nucleósidos monofosfato.
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, la ribosa.[27]
Las moléculas de azúcar se unen entre sí a través de grupos fosfato, que forman enlaces fosfodiéster entre los átomos de carbono tercero (3′, «tres prima») y quinto (5′, «cinco prima») de dos anillos adyacentes de azúcar. La formación de enlace= asimétricos 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 denominan extremo 5′ («cinco prima») y extremo 3′ («tres prima»), respectivamente.
Las cuatro bases nitrogenadas mayoritarias que se encuentran en el ADN son la adenina (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 pirimídicas o pirimidinas (citosina y timina), derivadas de la pirimidina y con un solo anillo.[27]​ 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 esta en que carece de un grupo metilo en su anillo. El uracilo no se encuentra habitualmente en el ADN, solo aparece raramente como un producto residual de la degradación de la citosina por procesos de desaminación oxidativa.
 
Timina: 2, 4-dioxo, 5-metilpirimidina.
En el código genético se representa con la letra T. Es un derivado pirimidínico con un grupo oxo en las posiciones 2 y 4, y un grupo metil en la posición 5. Forma el nucleósido timidina (siempre desoxitimidina, ya que solo 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.
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 el nucleótido 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 molecular es de 111,10 unidades de masa atómica. La citosina se descubrió en 1894, al aislarla del tejido del timo de carnero.
 
Adenina: 6-aminopurina.
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 nucleósido adenosina (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.
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 el aciclovir, 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 solamente 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 carácter polar 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 3000 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 1000 pares de bases, y la megabase (Mb), que equivale a un millón de pares de bases.

Apareamiento 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 hidrógeno entre 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.[30]​ 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.[31]

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 solo con T, y C solo con G. La organización de dos nucleótidos apareados a lo largo de la doble hélice se denomina apareamiento de bases. Este emparejamiento corresponde a la observación ya realizada por Erwin Chargaff (1905-2002),[32]​ 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.[20]

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.[33]​ 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.[34]​ 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 inglés melting 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.[35]

Otros tipos de pares de bases

 
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 denominados Hoogsteen 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 timina 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 solo se podría dar en el caso inverso. Encontramos pares de bases de tipo oscilante en el ARN, durante el apareamiento de codón y anticodón. 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; estos, además, pueden ser responsables de mutaciones puntuales por sustitución de tipo transición.

Estructura

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:[36][37]

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.
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.
Estructura terciaria
Se refiere a cómo se almacena el ADN en un espacio reducido, para formar los nucleosomas.[38]​ Varía según se trate de organismos procariotas o eucariotas:
  1. 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.
  2. 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).[36]
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

 
De izquierda a derecha, las estructuras de ADN A, B y Z.

El ADN existe en muchas conformaciones.[29]​ 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.[39]​ De las tres conformaciones, la forma "B" es la más común en las condiciones existentes en las células.[40]​ 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.[41][42]

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.[43]​ 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.[44]

Estructuras en cuádruplex

 
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.[45]

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 enzima telomerasa, puesto que las enzimas que replican el resto del ADN no pueden copiar los extremos 3' de los cromosomas.[46]​ 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.[47]​ 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.[48]

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.[49]​ 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.[50]​ 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.[51]​ 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).[49]

Hendiduras mayor y menor

 
 
Doble hélice: a) Dextrógira, b) Levógira.

La doble hélice es una espiral dextrógira, esto es, cada una de las cadenas de nucleótidos gira a la derecha; esto puede verificarse si nos fijamos, yendo de abajo 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.[53]

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.[54]​ Cada vuelta de hélice, que es cuando esta 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 esta, 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.[55]​ 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.[53]

Sentido y antisentido

Una secuencia de ADN se denomina «sentido» (en inglés, sense) si su secuencia es la misma que la secuencia de un ARN mensajero que 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 ARN con secuencias antisentido, pero la función de esos ARN no está completamente clara.[56]​ Se ha propuesto que los ARN antisentido están implicados en la regulación de la expresión génica mediante apareamiento ARN-ARN: los ARN antisentido se aparearían con los ARNm complementarios, bloqueando de esta forma su traducción.[57]

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.[58]​ 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 la transcripción del gen,[59]​ mientras que en virus los genes superpuestos aumentan la cantidad de información que puede codificarse en sus diminutos genomas.[60]

Superenrollamiento

 
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.[61]​ 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.[62]​ Estas enzimas también son necesarias para liberar las fuerzas de torsión introducidas en las hebras de ADN durante procesos como la transcripción y la replicación.[63]

Modificaciones químicas

     
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

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.[64]​ 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.[65]​ A pesar de la importancia de la 5-metil-citosina, esta puede desaminarse para generar una base timina. Las citosinas metiladas son por tanto particularmente sensibles a mutaciones.[66]​ Otras modificaciones de bases incluyen la metilación de adenina en bacterias y la glicosilación de uracilo para producir la "base-J" en kinetoplastos.[67][68]

Daño del ADN

 
Molécula de benzopireno, mutágeno presente por ejemplo en el humo del tabaco, ligada una hélice de ADN.[69]

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.[70]​ 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).[71]​ En una célula humana cualquiera, alrededor de 500 bases sufren daño oxidativo cada día.[72][73]​ De estas lesiones oxidativas, las más peligrosas son las roturas de doble hebra, ya que son difíciles de reparar y pueden producir mutaciones puntuales, inserciones y deleciones de la secuencia de ADN, así como translocaciones cromosómicas.[74]

Muchos mutágenos se posicionan entre dos pares de bases adyacentes, por lo que se denominan agentes intercalantes. La mayoría de los agentes intercalantes son moléculas aromáticas y planas, como el bromuro de etidio, la daunomicina, la doxorubicina y la talidomida. Para que un agente intercalante pueda integrarse entre dos pares de bases, estas 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, las acridinas, la aflatoxina y el bromuro de etidio son ejemplos bien conocidos.[75][76][77]​ 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.[78]

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

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

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.[79]

El ADN codificante

 
ARN polimerasa T7 (azul) produciendo un ARNm (verde) a partir de un molde de ADN (naranja).[80]

La información 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 innumerables enzimas del organismo. La función principal de la herencia es la especificación de las proteínas, siendo el ADN una especie de plano o receta para 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.[36][37]

El ADN no codificante

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, solo una pequeña fracción del genoma codifica proteínas. Por ejemplo, solo 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.[81]

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.[82]​ 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 solo 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".[83]​ Los elementos repetitivos también son elementos funcionales. Si no se considerasen así, se excluiría más del 50 % de los nucleótidos totales, ya que constituyen elementos de repetición. Recientemente, 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.[84]

Por otro lado, algunas secuencias de ADN desempeñan un papel estructural en los cromosomas: los telómeros y centrómeros contienen 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.[37]​ 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

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 o codones de parada son UAA, UGA y UAG (en inglés, nonsense codons o stop codons).[36]

Replicación del ADN

 
Esquema representativo de la replicación del 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

En un principio, se propusieron tres hipótesis:

  • Semiconservativa: Según el experimento de Meselson-Stahl, 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

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

Interacciones inespecíficas

 
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.[85][86]​ 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.[87]​ Estos aminoácidos básicos experimentan modificaciones químicas de metilación, fosforilación y acetilación,[88]​ 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.[89]

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.[90]​ Estas proteínas son importantes durante el plegamiento de los nucleosomas, organizándolos en estructuras más complejas para constituir los cromosomas[91]​ 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.[92]​ Sin embargo, el papel estructural de la topoIIalpha 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.[93]

Interacciones específicas

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.[94]​ Estas 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).[95]

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.[96]

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.[97]
  • 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.[98]

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.[99]​ 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.[100]

Enzimas que modifican el ADN

Nucleasas y ligasas

Las nucleasas son enzimas que cortan las hebras de ADN mediante la catálisis de la hidrólisis de los enlaces fosfodiéster. Las nucleasas que hidrolizan nucleótidos a partir de los extremos de las hebras de ADN se denominan exonucleasas, mientras que las endonucleasas 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.[101]​ En biotecnología, estas nucleasas específicas de la secuencias de ADN se utilizan en ingeniería genética para clonar fragmentos de ADN y en la técnica de huella genética.

Las enzimas denominadas ADN ligasas pueden reunir hebras de ADN cortadas o rotas.[102]​ 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 la horquilla 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.[102]

Topoisomerasas y helicasas

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.[62]​ 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.[103]​ Las topoisomerasas son necesarias para muchos procesos en los que interviene el ADN, como la replicación del ADN y la transcripción.[63]

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.[104]​ Estas enzimas son esenciales para la mayoría de los procesos en los que las enzimas necesitan acceder a las bases del ADN.

Polimerasas

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′.[105]​ 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 apareamiento 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.[106]​ En la mayoría de los organismos las ADN polimerasas funcionan en un gran complejo denominado replisoma, que contiene múltiples unidades accesorias, como helicasas.[107]
  • 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 la telomerasa, que es necesaria para la replicación de los telómeros.[108][46]​ La telomerasa es una polimerasa inusual, porque contiene su propio molde de ARN como parte de su estructura.[47]
  • 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 denominada 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.[109]

Recombinación genética

 
 
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.[110]
 
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”.[111]​ 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 el sobrecruzamiento 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.[112]​ 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).[113]

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 producir translocaciones cromosómicas y anomalías genéticas. La reacción de recombinación está catalizada por enzimas conocidas como recombinasas, tales como RAD51.[114]​ 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.[115]​ 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.[116]

Evolución del metabolismo de ADN

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.[117][118]​ 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.[119]​ 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).[120]

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.[121]​ 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,[122]​ pero estos datos son controvertidos.[123][124]

Sin embargo, pueden utilizarse herramientas de evolución molecular para inferir los genomas de organismos ancestrales a partir de organismos contemporáneos.[125][126]​ 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.[127][128]​ 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.[129]

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 genética[130]​ (véase también el artículo sobre el origen de la vida).

Técnicas comunes

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. [131]

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

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.[132]

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 compatibles[131]​ (ver sección Nucleasas y ligasas).

Secuenciación

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 de didesoxinucleósidos, 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.[133][134]

Reacción en cadena de la polimerasa (PCR)

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,[135]​ cuyo objetivo es obtener un gran número de copias de un fragmento de ADN dado, partiendo de una escasa cantidad de aquel. 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 aparte de la secuencia (situados a distancia suficiente y en sentido antiparalelo) y bajo unas condiciones de temperatura adecuadas, moduladas por un aparato denominado termociclador, genera exponencialmente nuevos fragmentos de ADN semejantes al original y acotados por los dos cebadores.[132]

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.[131]

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 con radiactividad 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.[136]​ 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)[137]​ o de proteínas específicas (técnica Western, basada en el uso de anticuerpos).[138]

Chips 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

Ingeniería genética

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 la tecnología 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.[139][140][141]
  • 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.[142]​ 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.[143]​ Solo 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.[144][145]
  • 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…).[146][147][148]

Medicina forense

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.[149]​ Sin embargo, la identificación puede complicarse si la escena está contaminada con ADN de personas diferentes.[150]​ La técnica de la huella genética fue desarrollada en 1984 por el genetista británico sir Alec Jeffreys,[151]​ y fue utilizada por primera vez en medicina forense para condenar a Colin Pitchfork por los asesinatos de Narborough en 1983 y de Enderby en 1986.[152]​ 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 solo 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,[153]​ o para realizar pruebas de consanguinidad (prueba de paternidad).[154]

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.[155]​ La 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.[156]​ 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 secuencias persigue 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.[157]​ 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.[158]

Nanotecnología de ADN

 
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. [19]

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.[159]​ Esto ha conducido a la creación de láminas periódicas de dos dimensiones (ambas basadas en azulejos, así como usando el método de ADN origami[160]​), además de estructuras en tres dimensiones con forma de poliedros.

Historia, antropología y paleontología

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.[161]​ La investigación filogenética es una herramienta fundamental en biología 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.[162][163]​ 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).

Véase también

Referencias

Notas

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  • Modelo en 3 dimensiones de la estructura del ADN. Interactivo. Requiere Java.
  •   Datos: Q7430
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  •   Citas célebres: ADN

Ácido, desoxirribonucleico, redirige, aquí, para, otras, acepciones, véase, desambiguación, redirige, aquí, para, otras, acepciones, véase, desambiguación, ácido, desoxirribonucleico, conocido, también, siglas, ácido, nucleico, contiene, instrucciones, genétic. ADN redirige aqui Para otras acepciones vease ADN desambiguacion DNA redirige aqui Para otras acepciones vease DNA desambiguacion El acido desoxirribonucleico conocido tambien por las siglas ADN es un acido nucleico que contiene las instrucciones geneticas usadas en el desarrollo y funcionamiento de todos los organismos vivos 1 y algunos virus los virus ADN tambien es responsable de la transmision hereditaria La funcion principal de la molecula de ADN es el almacenamiento a largo plazo de informacion para construir otros componentes de las celulas como las proteinas y las moleculas de ARN Los segmentos de ADN que llevan esta informacion genetica son llamados genes pero las otras secuencias de ADN tienen propositos estructurales o toman parte en la regulacion del uso de esta informacion genetica Situacion del ADN dentro de una celula eucariota Animacion de parte de una estructura de ADN de doble helice Desde el punto de vista quimico el ADN es un polimero de nucleotidos es decir un polinucleotido 2 Cada nucleotido a su tiempo esta formado por un glucido la desoxirribosa una base nitrogenada que puede ser adenina A timina T citosina C o guanina G y un grupo fosfato derivado del acido fosforico Lo que distingue a un polinucleotido de otro es entonces la base nitrogenada y por ello la secuencia del ADN se especifica nombrando solo la secuencia de sus bases La disposicion secuencial de estas cuatro bases a lo largo de la cadena es la que codifica la informacion genetica siguiendo el siguiente criterio de complementariedad A T y G C Esto se debe a que la adenina y la guanina son de mayor tamano que la timina y la citosina por lo que este criterio permite cumplir una uniformidad En los organismos vivos el ADN se presenta como una doble cadena de nucleotidos en la que las dos hebras estan unidas entre si por unas conexiones denominadas puentes de hidrogeno 3 Para que la informacion que contiene el ADN pueda ser utilizada por la maquinaria celular debe copiarse en primer lugar en unos trenes de nucleotidos mas cortos y con unas unidades diferentes llamados ARN Las moleculas de ARN se copian exactamente del ADN mediante un proceso denominado transcripcion Una vez procesadas en el nucleo celular las moleculas de ARN pueden salir al citoplasma para su utilizacion posterior La informacion contenida en el ARN se interpreta usando el codigo genetico que especifica la secuencia de los aminoacidos de las proteinas segun una correspondencia de un triplete de nucleotidos codon para cada aminoacido Esto es la informacion genetica esencialmente que proteinas se van a producir en cada momento del ciclo de vida de una celula se halla codificada en las secuencias de nucleotidos del ADN y debe traducirse para poder funcionar Tal traduccion se realiza usando el codigo genetico a modo de diccionario El diccionario secuencia de nucleotido secuencia de aminoacidos permite el ensamblado de largas cadenas de aminoacidos las proteinas en el citoplasma de la celula Por ejemplo en el caso de la secuencia de ADN indicada antes ATGCTAGCATCG la ADN polimerasa utilizaria como molde la cadena complementaria de dicha secuencia de ADN que seria TAC GAT CGT AGC para transcribir una molecula de ARNm que se leeria AUG CUA GCA UCG el ARNm resultante utilizando el codigo genetico se traduciria como la secuencia de aminoacidos metionina leucina acido aspartico arginina Las secuencias de ADN que constituyen la unidad fundamental fisica 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 cuando y donde deben expresarse La informacion contenida en los genes genetica se emplea para generar ARN y proteinas que son los componentes basicos de las celulas los ladrillos que se utilizan para la construccion de los organulos u organelos celulares entre otras funciones Dentro de las celulas el ADN esta organizado en estructuras llamadas cromosomas que durante el ciclo celular se duplican antes de que la celula se divida Los organismos eucariotas por ejemplo animales plantas y hongos almacenan la mayor parte de su ADN dentro del nucleo celular y una minima parte en elementos celulares llamados mitocondrias y en los plastos y los centros organizadores de microtubulos o centriolos en caso de tenerlos los organismos procariotas bacterias y arqueas lo almacenan en el citoplasma de la celula y por ultimo los virus ADN lo hacen en el interior de la capside de naturaleza proteica Existen multitud de proteinas como por ejemplo las histonas y los factores de transcripcion que se unen al ADN dotandolo de una estructura tridimensional determinada y regulando su expresion Los factores de transcripcion reconocen secuencias reguladoras del ADN y especifican la pauta de transcripcion de los genes El material genetico completo de una dotacion cromosomica se denomina genoma y con pequenas variaciones es caracteristico de cada especie Indice 1 Historia 2 Propiedades fisicas y quimicas 2 1 Componentes 2 2 Apareamiento de bases 2 2 1 Otros tipos de pares de bases 2 3 Estructura 2 3 1 Estructuras en doble helice 2 3 2 Estructuras en cuadruplex 2 4 Hendiduras mayor y menor 2 5 Sentido y antisentido 2 6 Superenrollamiento 3 Modificaciones quimicas 3 1 Modificaciones de bases del ADN 3 2 Dano del ADN 4 Funciones biologicas 4 1 Genes y genoma 4 1 1 El ADN codificante 4 1 2 El ADN no codificante 4 2 Transcripcion y traduccion 4 3 Replicacion del ADN 4 3 1 Hipotesis sobre la duplicacion del ADN 5 Interacciones ADN proteina 5 1 Proteinas que unen ADN 5 1 1 Interacciones inespecificas 5 1 2 Interacciones especificas 5 2 Enzimas que modifican el ADN 5 2 1 Nucleasas y ligasas 5 2 2 Topoisomerasas y helicasas 5 2 3 Polimerasas 6 Recombinacion genetica 7 Evolucion del metabolismo de ADN 8 Tecnicas comunes 8 1 Tecnologia del ADN recombinante 8 2 Secuenciacion 8 3 Reaccion en cadena de la polimerasa PCR 8 4 Southern blot 8 5 Chips de ADN 9 Aplicaciones 9 1 Ingenieria genetica 9 2 Medicina forense 9 3 Bioinformatica 9 4 Nanotecnologia de ADN 9 5 Historia antropologia y paleontologia 10 Vease tambien 11 Referencias 11 1 Notas 11 2 Bibliografia 12 Enlaces externosHistoria EditarArticulo principal Historia de la genetica Friedrich Miescher biologo y medico suizo 1844 1895 El ADN fue aislado por primera vez durante 1869 por el medico suizo Friedrich Miescher mientras trabajaba en la Universidad de Tubinga Miescher realizaba experimentos acerca de la composicion quimica del pus de vendas quirurgicas desechadas cuando noto un precipitado de una sustancia desconocida que caracterizo quimicamente mas tarde 4 5 Lo llamo nucleina debido a que lo habia extraido a partir de nucleos celulares 6 Se necesitaron casi 70 anos de investigacion para poder identificar los componentes y la estructura de los acidos nucleicos En 1919 Phoebus Levene identifico que un nucleotido esta formado por una base nitrogenada un azucar y un fosfato 7 Levene sugirio que el ADN generaba una estructura con forma de solenoide muelle con unidades de nucleotidos unidos a traves de los grupos fosfato En 1930 Levene y su maestro Albrecht Kossel probaron que la nucleina de Miescher es un acido desoxirribonucleico ADN formado por cuatro bases nitrogenadas citosina C timina T adenina A y guanina G el azucar desoxirribosa y un grupo fosfato y que en su estructura basica el nucleotido esta compuesto por un azucar unido a la base y al fosfato 8 Sin embargo Levene pensaba que la cadena era corta y que las bases se repetian en un orden fijo En 1937 William Astbury produjo el primer patron de difraccion de rayos X que mostraba que el ADN tenia una estructura regular 9 Maclyn McCarty con Francis Crick y James D Watson La funcion biologica del ADN comenzo a dilucidarse en 1928 con una serie basica de experimentos de la genetica moderna realizados por Frederick Griffith quien estaba trabajando con cepas lisas S o rugosas R de la bacteria Pneumococcus causante de la neumonia segun la presencia S o no R de una capsula azucarada que es la que confiere virulencia vease tambien experimento de Griffith La inyeccion de neumococos S vivos en ratones produce la muerte de estos y Griffith observo que si inyectaba ratones con neumococos R vivos o con neumococos S muertos por calor los ratones no morian Sin embargo si inyectaba a la vez neumococos R vivos y neumococos S muertos los ratones morian y en su sangre se podian aislar neumococos S vivos Como las bacterias muertas no pudieron haberse multiplicado dentro del raton Griffith razono que debia producirse algun tipo de cambio o transformacion de un tipo bacteriano a otro por medio de una transferencia de alguna sustancia activa que denomino principio transformante Esta sustancia proporcionaba la capacidad a los neumococos R de producir una capsula azucarada y transformarse asi en virulentas En los siguientes 15 anos 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 10 La busqueda del factor transformante que era capaz de hacer virulentas a cepas que inicialmente no lo eran continuo hasta 1944 ano en el cual Oswald Avery Colin MacLeod y Maclyn McCarty realizaron un experimento hoy clasico Estos investigadores extrajeron la fraccion activa el factor transformante y mediante analisis quimicos enzimaticos y serologicos observaron que no contenia proteinas ni lipidos no ligados ni polisacaridos activos sino que estaba constituido principalmente por una forma viscosa de acido desoxirribonucleico altamente polimerizado es decir ADN El ADN extraido 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 concluyo inequivocamente que el factor o principio transformante era el ADN 11 A pesar de que la identificacion del ADN como principio transformante aun tardo varios anos en ser universalmente aceptada este descubrimiento fue decisivo en el conocimiento de la base molecular de la herencia y constituye el nacimiento de la genetica 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 transmitia su informacion genetica en su ADN pero no en su proteina 12 vease tambien experimento de Hershey y Chase En cuanto a la caracterizacion quimica de la molecula Chargaff realizo en 1940 algunos experimentos que le sirvieron para establecer las proporciones de las bases nitrogenadas en el ADN Descubrio que las proporciones de purinas eran identicas 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 molecula 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 8 Con toda esta informacion y junto con los datos de difraccion de rayos X proporcionados por Rosalind Franklin James Watson y Francis Crick propusieron en 1953 el modelo de la doble helice de ADN para representar la estructura tridimensional del polimero 13 En una serie de cinco articulos en el mismo numero de Nature se publico la evidencia experimental que apoyaba el modelo de Watson y Crick 14 De estos el articulo de Franklin y Raymond Gosling fue la primera publicacion con datos de difraccion de rayos X que apoyaba el modelo de Watson y Crick 15 16 y en ese mismo numero de Nature tambien aparecia un articulo sobre la estructura del ADN de Maurice Wilkins y sus colaboradores 17 Watson Crick y Wilkins recibieron conjuntamente en 1962 despues de la muerte de Rosalind Franklin el Premio Nobel en Fisiologia o Medicina 18 Sin embargo el debate continua sobre quien deberia recibir credito por el descubrimiento 19 Propiedades fisicas y quimicas Editar Estructura quimica del ADN dos cadenas de nucleotidos conectadas mediante puentes de hidrogeno que aparecen como lineas punteadas El ADN es un largo polimero formado por unidades repetitivas los nucleotidos 20 21 Una doble cadena de ADN mide de 22 a 26 angstroms 2 2 a 2 6 nanometros de ancho y una unidad un nucleotido mide 3 3 A 0 33 nm de largo 22 Aunque cada unidad individual que se repite es muy pequena los polimeros de ADN pueden ser moleculas enormes que contienen millones de nucleotidos Por ejemplo el cromosoma humano mas largo el cromosoma numero 1 tiene aproximadamente 220 millones de pares de bases 23 En los organismos vivos el ADN no suele existir como una molecula individual sino como una pareja de moleculas estrechamente asociadas Las dos cadenas de ADN se enroscan sobre si mismas formando una especie de escalera de caracol denominada doble helice El modelo de estructura en doble helice fue propuesto en 1953 por James Watson y Francis Crick el articulo Molecular Structure of Nucleic Acids A Structure for Deoxyribose Nucleic Acid fue publicado el 25 de abril de 1953 en Nature despues de obtener una imagen de la estructura de doble helice gracias a la refraccion por rayos X hecha por Rosalind Franklin 24 El exito de este modelo radicaba en su consistencia con las propiedades fisicas y quimicas del ADN El estudio mostraba ademas que la complementariedad de bases podia ser relevante en su replicacion y tambien la importancia de la secuencia de bases como portadora de informacion genetica 25 26 27 Cada unidad que se repite el nucleotido contiene un segmento de la estructura de soporte azucar fosfato que mantiene la cadena unida y una base que interacciona con la otra cadena de ADN en la helice En general una base ligada a un azucar se denomina nucleosido y una base ligada a un azucar y a uno o mas grupos fosfatos recibe el nombre de nucleotido Cuando muchos nucleotidos se encuentran unidos como ocurre en el ADN el polimero resultante se denomina polinucleotido 28 Componentes Editar Estructura de soporte La estructura de soporte de una hebra de ADN esta formada por unidades alternas de grupos fosfato y azucar desoxirribosa 29 El azucar en el ADN es una pentosa concretamente la desoxirribosa Acido fosforico Enlace fosfodiester El grupo fosfato PO43 une el carbono 5 del azucar de un nucleosido con el carbono 3 del siguiente Su formula quimica es H3PO4 Cada nucleotido puede contener uno monofosfato AMP dos difosfato ADP o tres trifosfato ATP grupos de acido fosforico aunque como monomeros constituyentes de los acidos nucleicos solo aparecen en forma de nucleosidos monofosfato Desoxirribosa Es un monosacarido de 5 atomos de carbono una pentosa derivado de la ribosa que forma parte de la estructura de nucleotidos del ADN Su formula es C5H10O4 Una de las principales diferencias entre el ADN y el ARN es el azucar pues en el ARN la 2 desoxirribosa del ADN es reemplazada por una pentosa alternativa la ribosa 27 Las moleculas de azucar se unen entre si a traves de grupos fosfato que forman enlaces fosfodiester entre los atomos de carbono tercero 3 tres prima y quinto 5 cinco prima de dos anillos adyacentes de azucar La formacion de enlace asimetricos implica que cada hebra de ADN tiene una direccion En una doble helice la direccion de los nucleotidos en una hebra 3 5 es opuesta a la direccion en la otra hebra 5 3 Esta organizacion de las hebras de ADN se denomina antiparalela son cadenas paralelas pero con direcciones opuestas De la misma manera los extremos asimetricos de las hebras de ADN se denominan extremo 5 cinco prima y extremo 3 tres prima respectivamente Bases nitrogenadas Las cuatro bases nitrogenadas mayoritarias que se encuentran en el ADN son la adenina A la citosina C la guanina G y la timina T Cada una de estas cuatro bases esta unida al armazon de azucar fosfato a traves del azucar para formar el nucleotido completo base azucar fosfato Las bases son compuestos heterociclicos y aromaticos con dos o mas atomos de nitrogeno y dentro de las bases mayoritarias se clasifican en dos grupos las bases puricas o purinas adenina y guanina derivadas de la purina y formadas por dos anillos unidos entre si y las bases pirimidinicas o bases pirimidicas o pirimidinas citosina y timina derivadas de la pirimidina y con un solo anillo 27 En los acidos nucleicos existe una quinta base pirimidinica denominada uracilo U que normalmente ocupa el lugar de la timina en el ARN y difiere de esta en que carece de un grupo metilo en su anillo El uracilo no se encuentra habitualmente en el ADN solo aparece raramente como un producto residual de la degradacion de la citosina por procesos de desaminacion oxidativa Timina 2 4 dioxo 5 metilpirimidina Timina En el codigo genetico se representa con la letra T Es un derivado pirimidinico con un grupo oxo en las posiciones 2 y 4 y un grupo metil en la posicion 5 Forma el nucleosido timidina siempre desoxitimidina ya que solo aparece en el ADN y el nucleotido timidilato o timidina monofosfato dTMP En el ADN la timina siempre se empareja con la adenina de la cadena complementaria mediante 2 puentes de hidrogeno T A Su formula quimica es C5H6N2O2 y su nomenclatura 2 4 dioxo 5 metilpirimidina dd Citosina 2 oxo 4 aminopirimidina Citosina En el codigo genetico se representa con la letra C Es un derivado pirimidinico con un grupo amino en posicion 4 y un grupo oxo en posicion 2 Forma el nucleosido citidina desoxicitidina en el ADN y el nucleotido 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 formula quimica es C4H5N3O y su nomenclatura 2 oxo 4 aminopirimidina Su masa molecular es de 111 10 unidades de masa atomica La citosina se descubrio en 1894 al aislarla del tejido del timo de carnero dd Adenina 6 aminopurina Adenina En el codigo genetico se representa con la letra A Es un derivado de la purina con un grupo amino en la posicion 6 Forma el nucleosido adenosina desoxiadenosina en el ADN y el nucleotido adenilato o desoxi adenosina monofosfato dAMP AMP En el ADN siempre se empareja con la timina de la cadena complementaria mediante 2 puentes de hidrogeno A T Su formula quimica es C5H5N5 y su nomenclatura 6 aminopurina La adenina junto con la timina fue descubierta en 1885 por el medico aleman Albrecht Kossel dd Guanina 6 oxo 2 aminopurina Guanina En el codigo genetico se representa con la letra G Es un derivado purico con un grupo oxo en la posicion 6 y un grupo amino en la posicion 2 Forma el nucleosido desoxi guanosina y el nucleotido 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 hidrogeno G C Su formula quimica es C5H5N5O y su nomenclatura 6 oxo 2 aminopurina dd Tambien existen otras bases nitrogenadas las llamadas bases nitrogenadas minoritarias derivadas de forma natural o sintetica de alguna otra base mayoritaria Lo son por ejemplo la hipoxantina relativamente abundante en el tRNA o la cafeina ambas derivadas de la adenina otras como el aciclovir derivadas de la guanina son analogos sinteticos usados en terapia antiviral otras como una de las derivadas del uracilo son antitumorales Las bases nitrogenadas tienen una serie de caracteristicas que les confieren unas propiedades determinadas Una caracteristica importante es su caracter aromatico consecuencia de la presencia en el anillo de dobles enlaces en posicion 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 extincion del ADN y hallar la concentracion existente de los acidos nucleicos Otra de sus caracteristicas es que presentan tautomeria o isomeria de grupos funcionales debido a que un atomo de hidrogeno unido a otro atomo puede migrar a una posicion vecina en las bases nitrogenadas se dan dos tipos de tautomerias tautomeria lactama lactima donde el hidrogeno migra del nitrogeno al oxigeno del grupo oxo forma lactama y viceversa forma lactima y tautomeria imina amina primaria donde el hidrogeno puede estar formando el grupo amina forma amina primaria o migrar al nitrogeno adyacente forma imina La adenina solamente puede presentar tautomeria amina imina la timina y el uracilo muestran tautomeria doble lactama lactima y la guanina y citosina pueden presentar ambas Por otro lado y aunque se trate de moleculas apolares las bases nitrogenadas presentan suficiente caracter polar como para establecer puentes de hidrogeno ya que tienen atomos muy electronegativos nitrogeno y oxigeno que presentan carga parcial negativa y atomos de hidrogeno con carga parcial positiva de manera que se forman dipolos que permiten que se formen estos enlaces debiles Se estima que el genoma humano haploide tiene alrededor de 3000 millones de pares de bases Para indicar el tamano de las moleculas de ADN se indica el numero de pares de bases y como derivados hay dos unidades de medida muy utilizadas la kilobase kb que equivale a 1000 pares de bases y la megabase Mb que equivale a un millon de pares de bases Apareamiento de bases Editar Vease tambien Par de bases Un par de bases C G con tres puentes de hidrogeno Un par A T con dos puentes de hidrogeno Los puentes de hidrogeno se muestran como lineas discontinuas La doble helice de ADN se mantiene estable mediante la formacion de puentes de hidrogeno entre las bases asociadas a cada una de las dos hebras Para la formacion de un enlace de hidrogeno una de las bases debe presentar un donador de hidrogenos con un atomo de hidrogeno con carga parcial positiva NH2 o NH y la otra base debe presentar un grupo aceptor de hidrogenos con un atomo cargado electronegativamente C O o N Los puentes de hidrogeno son uniones mas debiles que los tipicos enlaces quimicos covalentes como los que conectan los atomos en cada hebra de ADN pero mas fuertes que interacciones hidrofobas individuales enlaces de Van der Waals etc Como los puentes de hidrogeno no son enlaces covalentes pueden romperse y formarse de nuevo de forma relativamente sencilla Por esta razon las dos hebras de la doble helice pueden separarse como una cremallera bien por fuerza mecanica o por alta temperatura 30 La doble helice se estabiliza ademas por el efecto hidrofobico y el apilamiento que no se ven influidos por la secuencia de bases del ADN 31 Cada tipo de base en una hebra forma un enlace unicamente con un tipo de base en la otra hebra lo que se denomina complementariedad de las bases Asi las purinas forman enlaces con las pirimidinas de forma que A se enlaza solo con T y C solo con G La organizacion de dos nucleotidos apareados a lo largo de la doble helice se denomina apareamiento de bases Este emparejamiento corresponde a la observacion ya realizada por Erwin Chargaff 1905 2002 32 que mostro 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 informacion contenida en la secuencia de doble hebra de la helice de ADN esta duplicada en cada hebra lo cual es fundamental durante el proceso de replicacion del ADN En efecto esta interaccion reversible y especifica entre pares de bases complementarias es critica para todas las funciones del ADN en los organismos vivos 20 Como se ha indicado anteriormente los dos tipos de pares de bases forman un numero diferente de enlaces de hidrogeno A T forman dos puentes de hidrogeno y C G forman tres puentes de hidrogeno ver imagenes El par de bases GC es por tanto mas fuerte que el par de bases AT Como consecuencia tanto el porcentaje de pares de bases GC como la longitud total de la doble helice de ADN determinan la fuerza de la asociacion entre las dos hebras de ADN Las dobles helices largas de ADN con alto contenido en GC tienen hebras que interaccionan mas fuertemente que las dobles helices cortas con alto contenido en AT 33 Por esta razon las zonas de la doble helice de ADN que necesitan separarse facilmente tienden a tener un alto contenido en AT como por ejemplo la secuencia TATAAT de la caja de Pribnow de algunos promotores 34 En el laboratorio la fuerza de esta interaccion puede medirse buscando la temperatura requerida para romper los puentes de hidrogeno la temperatura de fusion tambien denominado valor Tm del ingles melting temperature Cuando todas las pares de bases en una doble helice se funden las hebras se separan en solucion en dos hebras completamente independientes Estas moleculas de ADN de hebra simple no tienen una unica forma comun sino que algunas conformaciones son mas estables que otras 35 Otros tipos de pares de bases Editar Par de bases A T de tipo Watson Crick En azul el donador de hidrogenos y en rojo el aceptor Par de bases A T de tipo Watson Crick reverso En azul el donador de hidrogenos y en rojo el aceptor Notese 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 segun el modo como se forman los puentes de hidrogeno Los que se observan en la doble helice de ADN son los llamados pares de bases Watson Crick pero tambien existen otros posibles pares de bases como los denominados Hoogsteen y Wobble u oscilante que pueden aparecer en circunstancias particulares Ademas para cada tipo existe a su vez el mismo par reverso es decir el que se da si se gira la base pirimidinica 180º sobre su eje Watson Crick pares de bases de la doble helice los grupos de la base purica que intervienen en el enlace de hidrogeno 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 pirimidinica 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 participarian los grupos de las posiciones 2 y 3 de la base pirimidinica ver imagenes Hoogsteen en este caso cambian los grupos de la base purica 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 Tambien 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 timina con un doble enlace G T La base purica 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 funcionaria con A C ya que quedarian enfrentados los 2 aceptores y los 2 donadores y solo se podria dar en el caso inverso Encontramos pares de bases de tipo oscilante en el ARN durante el apareamiento de codon y anticodon Con este tipo de enlace pueden unirse G U oscilante y oscilante reverso y A C oscilante reverso En total en su forma tautomerica 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 tambien tenemos en cuenta las otras formas tautomericas minoritarias de las bases nitrogenadas estos ademas pueden ser responsables de mutaciones puntuales por sustitucion de tipo transicion Estructura Editar El ADN es una molecula bicatenaria es decir esta formada por dos cadenas dispuestas de forma antiparalela y con las bases nitrogenadas enfrentadas En su estructura tridimensional se distinguen distintos niveles 36 37 Estructura primaria Secuencia de nucleotidos encadenados Es en estas cadenas donde se encuentra la informacion genetica y dado que el esqueleto es el mismo para todos la diferencia de la informacion radica en la distinta secuencia de bases nitrogenadas Esta secuencia presenta un codigo que determina una informacion u otra segun el orden de las bases Estructura secundaria Es una estructura en doble helice Permite explicar el almacenamiento de la informacion genetica y el mecanismo de duplicacion del ADN Fue postulada por Watson y Crick basandose en la difraccion de rayos X que habian realizado Franklin y Wilkins y en la equivalencia de bases de Chargaff segun la cual la suma de adeninas mas guaninas es igual a la suma de timinas mas citosinas Es una cadena doble dextrogira o levogira segun 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 homologa Existen tres modelos de ADN El ADN de tipo B es el mas abundante y es el que tiene la estructura descrita por Watson y Crick Estructura terciaria Se refiere a como se almacena el ADN en un espacio reducido para formar los nucleosomas 38 Varia segun se trate de organismos procariotas o eucariotas En procariotas el ADN se pliega como una super helice generalmente en forma circular y asociada a una pequena cantidad de proteinas Lo mismo ocurre en organulos celulares como las mitocondrias y en los cloroplastos En eucariotas dado que la cantidad de ADN de cada cromosoma es muy grande el empaquetamiento ha de ser mas complejo y compacto para ello se necesita la presencia de proteinas como las histonas y otras proteinas de naturaleza no histonica en los espermatozoides estas proteinas son las protaminas 36 Estructura cuaternaria La cromatina presente en el nucleo tiene un grosor de 300 A pues la fibra de cromatina de 100 A se enrolla formando una fibra de cromatina de 300 A El enrollamiento de los nucleosomas recibe el nombre de solenoide Dichos solenoides se enrollan formando la cromatina del nucleo interfasico de la celula eucariota Cuando la celula entra en division el ADN se compacta mas formando asi los cromosomas Estructuras en doble helice Editar De izquierda a derecha las estructuras de ADN A B y Z El ADN existe en muchas conformaciones 29 Sin embargo en organismos vivos solo se han observado las conformaciones ADN A ADN B y ADN Z La conformacion que adopta el ADN depende de su secuencia la cantidad y direccion de superenrollamiento que presenta la presencia de modificaciones quimicas en las bases y las condiciones de la solucion tales como la concentracion de iones de metales y poliaminas 39 De las tres conformaciones la forma B es la mas comun en las condiciones existentes en las celulas 40 Las dos dobles helices alternativas del ADN difieren en su geometria y dimensiones La forma A es una espiral que gira hacia la derecha mas amplia que la B con una hendidura menor superficial y mas amplia y una hendidura mayor mas estrecha y profunda La forma A ocurre en condiciones no fisiologicas en formas deshidratadas de ADN mientras que en la celula puede producirse en apareamientos hibridos de hebras ADN ARN ademas de en complejos enzima ADN 41 42 Los segmentos de ADN en los que las bases han sido modificadas por metilacion pueden sufrir cambios conformacionales mayores y adoptar la forma Z En este caso las hebras giran alrededor del eje de la helice en una espiral que gira a mano izquierda lo opuesto a la forma B mas frecuente 43 Estas estructuras poco frecuentes pueden ser reconocidas por proteinas especificas que se unen a ADN Z y posiblemente esten implicadas en la regulacion de la transcripcion 44 Estructuras en cuadruplex Editar Estructura de un ADN en cuadruplex formada por repeticiones en los telomeros La conformacion de la estructura de soporte del ADN difiere significativamente de la tipica estructura en helice 45 En los extremos de los cromosomas lineales existen regiones especializadas de ADN denominadas telomeros La funcion principal de estas regiones es permitir a la celula replicar los extremos cromosomicos utilizando la enzima telomerasa puesto que las enzimas que replican el resto del ADN no pueden copiar los extremos 3 de los cromosomas 46 Estas terminaciones cromosomicas especializadas tambien protegen los extremos del ADN y evitan que los sistemas de reparacion del ADN en la celula los procesen como ADN danado que debe ser corregido 47 En las celulas humanas los telomeros son largas zonas de ADN de hebra sencilla que contienen algunos miles de repeticiones de una unica secuencia TTAGGG 48 Estas secuencias ricas en guanina pueden estabilizar los extremos cromosomicos mediante la formacion 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 cuadruple G estable 49 Estas estructuras se estabilizan formando puentes de hidrogeno entre los extremos de las bases y la quelatacion de un metal ionico en el centro de cada unidad de cuatro bases 50 Tambien 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 Ademas de estas estructuras apiladas los telomeros tambien forman largas estructuras en lazo denominadas lazos telomericos o lazos T T loops en ingles En este caso las hebras simples de ADN se enroscan sobre si mismas en un amplio circulo estabilizado por proteinas que se unen a telomeros 51 En el extremo del lazo T el ADN telomerico de hebra sencilla se sujeta a una region de ADN de doble hebra porque la hebra de ADN telomerico altera la doble helice y se aparea a una de las dos hebras Esta estructura de triple hebra se denomina lazo de desplazamiento o lazo D D loop 49 Hendiduras mayor y menor Editar Doble helice a Dextrogira b Levogira La doble helice es una espiral dextrogira esto es cada una de las cadenas de nucleotidos gira a la derecha esto puede verificarse si nos fijamos yendo de abajo arriba en la direccion que siguen los segmentos de las hebras que quedan en primer plano Si las dos hebras giran a derechas se dice que la doble helice es dextrogira y si giran a izquierdas levogira esta forma puede aparecer en helices alternativas debido a cambios conformacionales en el ADN Pero en la conformacion mas comun que adopta el ADN la doble helice es dextrogira girando cada par de bases respecto al anterior unos 36º 53 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 animacion En la conformacion mas comun que adopta el ADN aparecen como consecuencia de los angulos formados entre los azucares de ambas cadenas de cada par de bases nitrogenadas dos tipos de hendiduras alrededor de la superficie de la doble helice una de ellas la hendidura o surco mayor que mide 22 A 2 2 nm de ancho y la otra la hendidura o surco menor que mide 12 A 1 2 nm de ancho 54 Cada vuelta de helice que es cuando esta ha realizado un giro de 360º o lo que es lo mismo de principio de hendidura mayor a final de hendidura menor medira por tanto 34 A y en cada una de esas vueltas hay unos 10 5 pb Hendiduras mayor y menor de la doble helice La anchura de la hendidura mayor implica que los extremos de las bases son mas accesibles en esta de forma que la cantidad de grupos quimicos expuestos tambien es mayor lo cual facilita la diferenciacion entre los pares de bases A T T A C G G C Como consecuencia de ello tambien se vera facilitado el reconocimiento de secuencias de ADN por parte de diferentes proteinas sin la necesidad de abrir la doble helice Asi proteinas como los factores de transcripcion que pueden unirse a secuencias especificas frecuentemente contactan con los laterales de las bases expuestos en la hendidura mayor 55 Por el contrario los grupos quimicos que quedan expuestos en la hendidura menor son similares de forma que el reconocimiento de los pares de bases es mas dificil por ello se dice que la hendidura mayor contiene mas informacion que la hendidura menor 53 Sentido y antisentido Editar Articulo principal Antisentido Una secuencia de ADN se denomina sentido en ingles sense si su secuencia es la misma que la secuencia de un ARN mensajero que se traduce en una proteina La secuencia de la hebra de ADN complementaria se denomina antisentido antisense En ambas hebras de ADN de la doble helice pueden existir tanto secuencias sentido que codifican ARNm como antisentido que no lo codifican Es decir las secuencias que codifican ARNm no estan todas presentes en una sola de las hebras sino repartidas entre las dos hebras Tanto en procariotas como en eucariotas se producen ARN con secuencias antisentido pero la funcion de esos ARN no esta completamente clara 56 Se ha propuesto que los ARN antisentido estan implicados en la regulacion de la expresion genica mediante apareamiento ARN ARN los ARN antisentido se aparearian con los ARNm complementarios bloqueando de esta forma su traduccion 57 En unas pocas secuencias de ADN en procariotas y eucariotas este hecho es mas frecuente en plasmidos y virus la distincion entre hebras sentido y antisentido es mas difusa debido a que presentan genes superpuestos 58 En estos casos algunas secuencias de ADN tienen una funcion doble codificando una proteina cuando se lee a lo largo de una hebra y una segunda proteina cuando se lee en la direccion contraria a lo largo de la otra hebra En bacterias esta superposicion puede estar involucrada en la regulacion de la transcripcion del gen 59 mientras que en virus los genes superpuestos aumentan la cantidad de informacion que puede codificarse en sus diminutos genomas 60 Superenrollamiento Editar Estructura de moleculas de ADN lineales con los extremos fijos y superenrolladas Por claridad se ha omitido la estructura en helice del ADN El ADN puede retorcerse como una cuerda en un proceso que se denomina superenrollamiento del ADN supercoiling en ingles Cuando el ADN esta en un estado relajado una hebra normalmente gira alrededor del eje de la doble helice una vez cada 10 4 pares de bases pero si el ADN esta retorcido las hebras pueden estar unidas mas estrechamente o mas relajadamente 61 Si el ADN esta retorcido en la direccion de la helice se dice que el superenrollamiento es positivo y las bases se mantienen juntas de forma mas estrecha Si el ADN se retuerce en la direccion 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 62 Estas enzimas tambien son necesarias para liberar las fuerzas de torsion introducidas en las hebras de ADN durante procesos como la transcripcion y la replicacion 63 Modificaciones quimicas Editar citosina 5 metil citosina timinaEstructura de la citosina con y sin el grupo metilo Tras la desaminacion la 5 metil citosina tiene la misma estructura que la timina Modificaciones de bases del ADN Editar Vease tambien Metilacion La expresion de los genes esta influenciada por la forma en la que el ADN esta 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 expresion genica baja o nula normalmente contienen niveles altos de metilacion de las bases citosina Por ejemplo la metilacion de citosina produce 5 metil citosina que es importante para la inactivacion del cromosoma X 64 El nivel medio de metilacion varia entre organismos el gusano Caenorhabditis elegans carece de metilacion de citosina mientras que los vertebrados presentan un nivel alto hasta 1 de su ADN contiene 5 metil citosina 65 A pesar de la importancia de la 5 metil citosina esta puede desaminarse para generar una base timina Las citosinas metiladas son por tanto particularmente sensibles a mutaciones 66 Otras modificaciones de bases incluyen la metilacion de adenina en bacterias y la glicosilacion de uracilo para producir la base J en kinetoplastos 67 68 Dano del ADN Editar Vease tambien Mutacion Molecula de benzopireno mutageno presente por ejemplo en el humo del tabaco ligada una helice de ADN 69 El ADN puede resultar danado por muchos tipos de mutagenos que cambian la secuencia del ADN agentes alquilantes ademas de radiacion electromagnetica de alta energia como luz ultravioleta y rayos X El tipo de dano producido en el ADN depende del tipo de mutageno Por ejemplo la luz UV puede danar al ADN produciendo dimeros de timina que se forman por ligamiento cruzado entre bases pirimidinicas 70 Por otro lado oxidantes tales como radicales libres o el peroxido de hidrogeno producen multiples danos incluyendo modificaciones de bases sobre todo guanina y roturas de doble hebra double strand breaks 71 En una celula humana cualquiera alrededor de 500 bases sufren dano oxidativo cada dia 72 73 De estas lesiones oxidativas las mas peligrosas son las roturas de doble hebra ya que son dificiles de reparar y pueden producir mutaciones puntuales inserciones y deleciones de la secuencia de ADN asi como translocaciones cromosomicas 74 Muchos mutagenos se posicionan entre dos pares de bases adyacentes por lo que se denominan agentes intercalantes La mayoria de los agentes intercalantes son moleculas aromaticas y planas como el bromuro de etidio la daunomicina la doxorubicina y la talidomida Para que un agente intercalante pueda integrarse entre dos pares de bases estas deben separarse distorsionando las hebras de ADN y abriendo la doble helice Esto inhibe la transcripcion y la replicacion del ADN causando toxicidad y mutaciones Por ello los agentes intercalantes del ADN son a menudo carcinogenos el benzopireno las acridinas la aflatoxina y el bromuro de etidio son ejemplos bien conocidos 75 76 77 Sin embargo debido a su capacidad para inhibir la replicacion y la transcripcion del ADN estas toxinas tambien se utilizan en quimioterapia para inhibir el rapido crecimiento de las celulas cancerosas 78 El dano en el ADN inicia una respuesta que activa diferentes mecanismos de reparacion que reconocen lesiones especificas en el ADN que son reparadas en el momento para recuperar la secuencia original del ADN Asimismo el dano en el ADN provoca una parada en el ciclo celular que conlleva la alteracion de numerosos procesos fisiologicos que a su vez implica sintesis transporte y degradacion de proteinas vease tambien Checkpoint de danos en el ADN Alternativamente si el dano genomico es demasiado grande para que pueda ser reparado los mecanismos de control induciran la activacion de una serie de rutas celulares que culminaran en la muerte celular Funciones biologicas EditarLas funciones biologicas del ADN incluyen el almacenamiento de informacion genes y genoma la codificacion de proteinas transcripcion y traduccion y su autoduplicacion replicacion del ADN para asegurar la transmision de la informacion a las celulas hijas durante la division celular Genes y genoma Editar Veanse tambien Nucleo celular Cromatina Cromosomay Genoma El ADN se puede considerar como un almacen cuyo contenido es la informacion mensaje necesaria para construir y sostener el organismo en el que reside la cual se transmite de generacion en generacion El conjunto de informacion que cumple esta funcion en un organismo dado se denomina genoma y el ADN que lo constituye ADN genomico El ADN genomico que se organiza en moleculas de cromatina que a su vez se ensamblan en cromosomas se encuentra en el nucleo celular de los eucariotas ademas de pequenas cantidades en las mitocondrias y cloroplastos En procariotas el ADN se encuentra en un cuerpo de forma irregular denominado nucleoide 79 El ADN codificante Editar ARN polimerasa T7 azul produciendo un ARNm verde a partir de un molde de ADN naranja 80 Vease tambien Gen La informacion de un genoma esta contenida en los genes y al conjunto de toda la informacion que corresponde a un organismo se le denomina su genotipo Un gen es una unidad de herencia y es una region de ADN que influye en una caracteristica 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 ademas de secuencias reguladoras tales como promotores y enhancers que controlan la transcripcion del marco de lectura abierto Desde este punto de vista las obreras de este mecanismo son las proteinas Estas pueden ser estructurales como las proteinas de los musculos cartilagos pelo etc o funcionales como la hemoglobina o las innumerables enzimas del organismo La funcion principal de la herencia es la especificacion de las proteinas siendo el ADN una especie de plano o receta para producirlas La mayor parte de las veces la modificacion del ADN provocara una disfuncion proteica que dara lugar a la aparicion de alguna enfermedad Pero en determinadas ocasiones las modificaciones podran provocar cambios beneficiosos que daran lugar a individuos mejor adaptados a su entorno Las aproximadamente treinta mil proteinas diferentes en el cuerpo humano estan constituidas por veinte aminoacidos diferentes y una molecula de ADN debe especificar la secuencia en que se unen dichos aminoacidos En el proceso de elaborar una proteina el ADN de un gen se lee y se transcribe a ARN Este ARN sirve como mensajero entre el ADN y la maquinaria que elaborara las proteinas y por eso recibe el nombre de ARN mensajero o ARNm El ARN mensajero sirve de molde a la maquinaria que elabora las proteinas para que ensamble los aminoacidos en el orden preciso para armar la proteina El dogma central de la biologia molecular establecia que el flujo de actividad y de informacion era ADN ARN proteina No obstante en la actualidad ha quedado demostrado que este dogma debe ser ampliado pues se han encontrado otros flujos de informacion en algunos organismos virus de ARN la informacion fluye de ARN a ADN este proceso se conoce como transcripcion inversa o reversa tambien llamada retrotranscripcion Ademas se sabe que existen secuencias de ADN que se transcriben a ARN y son funcionales como tales sin llegar a traducirse nunca a proteina son los ARN no codificantes como es el caso de los ARN interferentes 36 37 El ADN no codificante Editar El ADN del genoma de un organismo puede dividirse conceptualmente en dos el que codifica las proteinas los genes y el que no codifica En muchas especies solo una pequena fraccion del genoma codifica proteinas Por ejemplo solo alrededor del 1 5 del genoma humano consiste en exones que codifican proteinas 20 000 a 25 000 genes mientras que mas del 90 consiste en ADN no codificante 81 El ADN no codificante tambien denominado ADN basura o junk DNA corresponde a secuencias del genoma que no generan una proteina 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 tenia utilidad alguna pero estudios recientes indican que eso es inexacto Entre otras funciones se postula que el llamado ADN basura regula la expresion diferencial de los genes 82 Por ejemplo algunas secuencias tienen afinidad hacia proteinas 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 trascripcion y replicacion Estas secuencias se llaman frecuentemente secuencias reguladoras y los investigadores suponen que solo se ha identificado una pequena fraccion de las que realmente existen La presencia de tanto ADN no codificante en genomas eucarioticos y las diferencias en tamano del genoma entre especies representan un misterio que es conocido como el enigma del valor de C 83 Los elementos repetitivos tambien son elementos funcionales Si no se considerasen asi se excluiria mas del 50 de los nucleotidos totales ya que constituyen elementos de repeticion Recientemente un grupo de investigadores de la Universidad de Yale ha descubierto una secuencia de ADN no codificante que seria la responsable de que los seres humanos hayan desarrollado la capacidad de agarrar y o manipular objetos o herramientas 84 Por otro lado algunas secuencias de ADN desempenan un papel estructural en los cromosomas los telomeros y centromeros contienen pocos o ningun gen codificante de proteinas pero son importantes para estabilizar la estructura de los cromosomas Algunos genes no codifican proteinas pero si se transcriben en ARN ARN ribosomico ARN de transferencia y ARN de interferencia ARNi que son ARN que bloquean la expresion de genes especificos 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 sintesis de diferentes proteinas a partir de un mismo gen sin esta capacidad no existiria el sistema inmune por ejemplo Algunas secuencias de ADN no codificante representan pseudogenes que tienen valor evolutivo ya que permiten la creacion de nuevos genes con nuevas funciones 37 Otros ADN no codificantes proceden de la duplicacion de pequenas regiones del ADN esto tiene mucha utilidad ya que el rastreo de estas secuencias repetitivas permite estudios de filogenia Transcripcion y traduccion Editar Articulos principales Transcripcion genetica y Traduccion genetica En un gen la secuencia de nucleotidos 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 proteina que un organismo es capaz de sintetizar o expresar en uno o varios momentos de su vida usando la informacion de dicha secuencia La relacion entre la secuencia de nucleotidos y la secuencia de aminoacidos de la proteina viene determinada por el codigo genetico que se utiliza durante el proceso de traduccion o sintesis de proteinas La unidad codificadora del codigo genetico es un grupo de tres nucleotidos 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 codon del ARN mensajero interacciona con una molecula de ARN de transferencia ARNt o tRNA que contenga el triplete complementario denominado anticodon Cada ARNt porta el aminoacido correspondiente al codon de acuerdo con el codigo genetico de modo que el ribosoma va uniendo los aminoacidos para formar una nueva proteina de acuerdo con las instrucciones de la secuencia del ARNm Existen 64 codones posibles por lo cual corresponde mas de uno para cada aminoacido por esta duplicidad de codones se dice que el codigo genetico es un codigo degenerado no es univoco algunos codones indican la terminacion de la sintesis el fin de la secuencia codificante estos codones de terminacion o codones de parada son UAA UGA y UAG en ingles nonsense codons o stop codons 36 Replicacion del ADN Editar Esquema representativo de la replicacion del ADN Articulo principal Replicacion de ADN La replicacion del ADN es el proceso por el cual se obtienen copias o replicas identicas de una molecula de ADN La replicacion es fundamental para la transferencia de la informacion genetica de una generacion a la siguiente y por ende es la base de la herencia El mecanismo consiste esencialmente en la separacion de las dos hebras de la doble helice las cuales sirven de molde para la posterior sintesis de cadenas complementarias a cada una de ellas que llevara por nombre ARNm El resultado final son dos moleculas identicas a la original Este tipo de replicacion se denomina semiconservativa debido a que cada una de las dos moleculas resultantes de la duplicacion presenta una cadena procedente de la molecula madre y otra recien sintetizada Hipotesis sobre la duplicacion del ADN Editar En un principio se propusieron tres hipotesis Semiconservativa Segun el experimento de Meselson Stahl cada hebra sirve de molde para que se forme una hebra nueva mediante la complentariedad de bases quedando al final dos dobles helices formadas por una hebra antigua molde y una nueva hebra copia Conservativa Tras la duplicacion quedarian las dos hebras antiguas juntas y por otro lado las dos hebras nuevas formando una doble helice Dispersiva Segun esta hipotesis las hebras resultantes estarian formadas por fragmentos en doble helice ADN antiguo y ADN recien sintetizado Interacciones ADN proteina EditarTodas las funciones del ADN dependen de sus interacciones con proteinas Estas interacciones pueden ser inespecificas o bien la proteina puede unirse de forma especifica a una unica secuencia de ADN Tambien pueden unirse enzimas entre las cuales son particularmente importantes las polimerasas que copian las secuencia de bases del ADN durante la transcripcion y la replicacion Proteinas que unen ADN Editar Interacciones inespecificas Editar Interaccion de ADN con histonas en blanco arriba Los aminoacidos basicos de estas proteinas abajo a la izquierda en azul se unen a los grupos acidos de los fosfatos del ADN abajo a la derecha en rojo Las proteinas estructurales que se unen al ADN son ejemplos bien conocidos de interacciones inespecificas ADN proteinas En los cromosomas el ADN se encuentra formando complejos con proteinas estructurales Estas proteinas organizan el ADN en una estructura compacta denominada cromatina En eucariotas esta estructura implica la union del ADN a un complejo formado por pequenas proteinas basicas denominadas histonas mientras que en procariotas estan involucradas una gran variedad de proteinas 85 86 Las histonas forman un complejo de forma cilindrica denominado nucleosoma en torno al cual se enrollan casi dos vueltas de ADN de doble helice Estas interacciones inespecificas quedan determinadas por la existencia de residuos basicos en las histonas que forman enlaces ionicos con el esqueleto de azucar fosfato del ADN y por tanto son en gran parte independientes de la secuencia de bases 87 Estos aminoacidos basicos experimentan modificaciones quimicas de metilacion fosforilacion y acetilacion 88 que alteran la fuerza de la interaccion entre el ADN y las histonas haciendo al ADN mas o menos accesible a los factores de transcripcion y por tanto modificando la tasa de transcripcion 89 Otras proteinas que se unen a ADN de manera inespecifica en la cromatina incluyen las proteinas del grupo de alta movilidad HMG High Mobility Group que se unen a ADN plegado o distorsionado 90 Estas proteinas son importantes durante el plegamiento de los nucleosomas organizandolos en estructuras mas complejas para constituir los cromosomas 91 durante el proceso de condensacion cromosomica Se ha propuesto que en este proceso tambien intervendrian otras proteinas formando una especie de andamio sobre el cual se organiza la cromatina los principales componentes de esta estructura serian la enzima topoisomerasa II a topoIIalpha y la condensina 13S 92 Sin embargo el papel estructural de la topoIIalpha en la organizacion de los cromosomas aun es discutido ya que otros grupos argumentan que esta enzima se intercambia rapidamente tanto en los brazos cromosomicos como en los cinetocoros durante la mitosis 93 Interacciones especificas Editar Un grupo bien definido de proteinas que unen ADN es el conformado por las proteinas que se unen especificamente a ADN monocatenario o ADN de hebra sencilla ssDNA En humanos la proteina A de replicacion es la mejor conocida de su familia y actua en procesos en los que la doble helice se separa como la replicacion del ADN la recombinacion o la reparacion del ADN 94 Estas proteinas parecen estabilizar el ADN monocatenario protegiendolo para evitar que forme estructuras de tallo lazo stem loop o que sea degradado por nucleasas El factor de transcripcion represor del fago lambda unido a su ADN diana mediante un motivo helice giro helice helix turn helix 95 Sin embargo otras proteinas han evolucionado para unirse especificamente a secuencias particulares de ADN La especificidad de la interaccion de las proteinas con el ADN procede de los multiples contactos con las bases de ADN lo que les permite leer la secuencia del ADN La mayoria de esas interacciones con las bases ocurre en la hendidura mayor donde las bases son mas accesibles 96 Las proteinas especificas estudiadas con mayor detalle son las encargadas de regular la transcripcion denominadas por ello factores de transcripcion Cada factor de transcripcion se une a una secuencia concreta de ADN y activa o inhibe la transcripcion de los genes que presentan estas secuencias proximas a sus promotores Los factores de transcripcion pueden efectuar esto de dos formas En primer lugar pueden unirse a la polimerasa de ARN responsable de la transcripcion bien directamente o a traves de otras proteinas mediadoras De esta forma se estabiliza la union entre la ARN polimerasa y el promotor lo que permite el inicio de la transcripcion 97 En segundo lugar los factores de transcripcion pueden unirse a enzimas que modifican las histonas del promotor lo que altera la accesibilidad del molde de ADN a la ARN polimerasa 98 Como los ADN diana pueden encontrarse por todo el genoma del organismo los cambios en la actividad de un tipo de factor de transcripcion pueden afectar a miles de genes 99 En consecuencia estas proteinas son frecuentemente las dianas de los procesos de transduccion de senales que controlan las respuestas a cambios ambientales o diferenciacion y desarrollo celular La enzima de restriccion EcoRV verde formando un complejo con su ADN diana 100 Enzimas que modifican el ADN Editar Nucleasas y ligasas Editar Las nucleasas son enzimas que cortan las hebras de ADN mediante la catalisis de la hidrolisis de los enlaces fosfodiester Las nucleasas que hidrolizan nucleotidos a partir de los extremos de las hebras de ADN se denominan exonucleasas mientras que las endonucleasas cortan en el interior de las hebras Las nucleasas que se utilizan con mayor frecuencia en biologia molecular son las enzimas de restriccion endonucleasas que cortan el ADN por determinadas secuencias especificas 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 linea vertical indicada generando dos moleculas de ADN con los extremos romos Otras enzimas de restriccion 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 traves de la pared bacteriana actuando como un mecanismo de defensa 101 En biotecnologia estas nucleasas especificas de la secuencias de ADN se utilizan en ingenieria genetica para clonar fragmentos de ADN y en la tecnica de huella genetica Las enzimas denominadas ADN ligasas pueden reunir hebras de ADN cortadas o rotas 102 Las ligasas son particularmente importantes en la replicacion de la hebra que sufre replicacion discontinua en el ADN ya que unen los fragmentos cortos de ADN generados en la horquilla de replicacion para formar una copia completa del molde de ADN Tambien se utilizan en la reparacion del ADN y en procesos de recombinacion genetica 102 Topoisomerasas y helicasas Editar Las topoisomerasas son enzimas que poseen a la vez actividad nucleasa y ligasa Estas proteinas varian la cantidad de ADN superenrollado Algunas de estas enzimas funcionan cortando la helice de ADN y permitiendo que una seccion rote de manera que reducen el grado de superenrollamiento Una vez hecho esto la enzima vuelve a unir los fragmentos de ADN 62 Otros tipos de enzimas son capaces de cortar una helice de ADN y luego pasar la segunda hebra de ADN a traves de la rotura antes de reunir las helices 103 Las topoisomerasas son necesarias para muchos procesos en los que interviene el ADN como la replicacion del ADN y la transcripcion 63 Las helicasas son unas proteinas que pertenecen al grupo de los motores moleculares Utilizan energia quimica almacenada en los nucleosidos trifosfatos fundamentalmente ATP para romper puentes de hidrogeno entre bases y separar la doble helice de ADN en hebras simples 104 Estas enzimas son esenciales para la mayoria 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 nucleotidos a partir de nucleosidos trifosfatos La secuencia de sus productos son copias de cadenas de polinucleotidos existentes que se denominan moldes Estas enzimas funcionan anadiendo nucleotidos al grupo hidroxilo en 3 del nucleotido previo en una hebra de ADN En consecuencia todas las polimerasas funcionan en direccion 5 3 105 En los sitios activos de estas enzimas el nucleosido 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 replicacion del ADN una ADN polimerasa dependiente de ADN realiza una copia de ADN a partir de una secuencia de ADN La precision es vital en este proceso por lo que muchas de estas polimerasas tienen una actividad de verificacion de la lectura proofreading Mediante esta actividad la polimerasa reconoce errores ocasionales en la reaccion de sintesis debido a la falta de apareamiento entre el nucleotido erroneo y el molde lo que genera un desacoplamiento mismatch Si se detecta un desacoplamiento se activa una actividad exonucleasa en direccion 3 5 y la base incorrecta se elimina 106 En la mayoria de los organismos las ADN polimerasas funcionan en un gran complejo denominado replisoma que contiene multiples unidades accesorias como helicasas 107 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 infeccion de celulas por retrovirus y la telomerasa que es necesaria para la replicacion de los telomeros 108 46 La telomerasa es una polimerasa inusual porque contiene su propio molde de ARN como parte de su estructura 47 La transcripcion 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 region de ADN denominada 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 mayoria de los genes del genoma humano funciona como un gran complejo multiproteico que contiene multiples subunidades reguladoras y accesorias 109 Recombinacion genetica Editar Estructura de un intermedio en union de Holliday en la recombinacion genetica Las cuatro hebras de ADN separadas estan coloreadas en rojo azul verde y amarillo 110 Articulo principal Recombinacion genetica La recombinacion implica la rotura y reunion de dos cromosomas homologos M y F para producir dos cromosomas nuevos reorganizados C1 y C2 Una helice de ADN normalmente no interacciona con otros segmentos de ADN y en las celulas humanas los diferentes cromosomas incluso ocupan areas separadas en el nucleo celular denominadas territorios cromosomicos 111 La separacion fisica de los diferentes cromosomas es importante para que el ADN mantenga su capacidad de funcionar como un almacen estable de informacion Uno de los pocos momentos en los que los cromosomas interaccionan es durante el sobrecruzamiento cromosomico chromosomal crossover durante el cual se recombinan El sobrecruzamiento cromosomico ocurre cuando dos helices de ADN se rompen se intercambian y se unen de nuevo La recombinacion permite a los cromosomas intercambiar informacion genetica y produce nuevas combinaciones de genes lo que aumenta la eficiencia de la seleccion natural y puede ser importante en la evolucion rapida de nuevas proteinas 112 Durante la profase I de la meiosis una vez que los cromosomas homologos estan perfectamente apareados formando estructuras llamadas bivalentes se produce el fenomeno de sobrecruzamiento o entrecruzamiento crossing over en el cual las cromatidas homologas no hermanas procedentes del padre y de la madre intercambian material genetico La recombinacion genetica resultante hace aumentar en gran medida la variacion genetica entre la descendencia de progenitores que se reproducen por via sexual La recombinacion genetica tambien puede estar implicada en la reparacion del ADN en particular en la respuesta celular a las roturas de doble hebra double strand breaks 113 La forma mas frecuente de sobrecruzamiento cromosomico es la recombinacion homologa en la que los dos cromosomas implicados comparten secuencias muy similares La recombinacion no homologa puede ser danina para las celulas ya que puede producir translocaciones cromosomicas y anomalias geneticas La reaccion de recombinacion esta catalizada por enzimas conocidas como recombinasas tales como RAD51 114 El primer paso en el proceso de recombinacion es una rotura de doble hebra causada bien por una endonucleasa o por dano en el ADN 115 Posteriormente una serie de pasos catalizados en parte por la recombinasa conducen a la union de las dos helices formando al menos una union de Holliday en la que un segmento de una hebra simple es anillado con la hebra complementaria en la otra helice La union de Holliday es una estructura de union tetrahedrica que puede moverse a lo largo del par de cromosomas intercambiando una hebra por otra La reaccion de recombinacion se detiene por el corte de la union y la reunion de los segmentos de ADN liberados 116 Evolucion del metabolismo de ADN EditarVease tambien Hipotesis del mundo de ARN El ADN contiene la informacion genetica que permite a la mayoria de los organismos vivientes funcionar crecer y reproducirse Sin embargo no esta claro durante cuanto tiempo ha ejercido esta funcion en los 3000 millones de anos de la historia de la vida ya que se ha propuesto que las formas de vida mas tempranas podrian haber utilizado ARN como material genetico 117 118 El ARN podria haber funcionado como la parte central de un metabolismo primigenio ya que puede transmitir informacion genetica y simultaneamente actuar como catalizador formando parte de las ribozimas 119 Este antiguo Mundo de ARN donde los acidos nucleicos funcionarian como catalizadores y como almacenes de informacion genetica podria haber influido en la evolucion del codigo genetico actual basado en cuatro nucleotidos Esto se deberia a que el numero de bases unicas en un organismo es un compromiso entre un numero pequeno de bases lo que aumentaria la precision de la replicacion y un numero grande de bases que a su vez aumentaria la eficiencia catalitica de las ribozimas 120 Desafortunadamente no se cuenta con evidencia directa de los sistemas geneticos ancestrales porque la recuperacion del ADN a partir de la mayor parte de los fosiles es imposible Esto se debe a que el ADN es capaz de sobrevivir en el medio ambiente durante menos de un millon de anos y luego empieza a degradarse lentamente en fragmentos de menor tamano en solucion 121 Algunas investigaciones pretenden que se ha obtenido ADN mas antiguo por ejemplo un informe sobre el aislamiento de una bacteria viable a partir de un cristal salino de 250 millones de anos de antiguedad 122 pero estos datos son controvertidos 123 124 Sin embargo pueden utilizarse herramientas de evolucion molecular para inferir los genomas de organismos ancestrales a partir de organismos contemporaneos 125 126 En muchos casos estas inferencias son suficientemente fiables de manera que una biomolecula codificada en un genoma ancestral puede resucitarse en el laboratorio para ser estudiada hoy 127 128 Una vez que la biomolecula 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 paleogenetica experimental 129 A pesar de todo el proceso de trabajo hacia atras desde el presente tiene limitaciones inherentes razon por la cual otros investigadores tratan de elucidar el mecanismo evolutivo trabajando desde el origen de la Tierra en adelante Dada suficiente informacion sobre la quimica en el cosmos la manera en la que las sustancias cosmicas podrian haberse depositado en la Tierra y las transformaciones que podrian haber tenido lugar en la superficie terrestre primigenia tal vez podriamos ser capaces de aprender sobre los origenes para desarrollar modelos de evolucion ulterior de la informacion genetica 130 vease tambien el articulo sobre el origen de la vida Tecnicas comunes EditarEl conocimiento de la estructura del ADN ha permitido el desarrollo de multitud de herramientas tecnologicas que explotan sus propiedades fisicoquimicas para analizar su implicacion en problemas concretos por ejemplo desde analisis filogeneticos para detectar similitudes entre diferentes taxones a la caracterizacion de la variabilidad individual de un paciente en su respuesta a un determinado farmaco pasando por un enfoque global a nivel genomico de cualquier caracteristica especifica en un grupo de individuos de interes 131 Podemos clasificar las metodologias de analisis del ADN en aquellas que buscan su multiplicacion ya in vivo como la reaccion en cadena de la polimerasa PCR ya in vitro como la clonacion y aquellas que explotan las propiedades especificas de elementos concretos o de genomas adecuadamente clonados Es el caso de la secuenciacion de ADN y de la hibridacion con sondas especificas Southern blot y chips de ADN Tecnologia del ADN recombinante Editar Articulo principal ADN recombinante La tecnologia del ADN recombinante piedra angular de la ingenieria genetica permite propagar grandes cantidades de un fragmento de ADN de interes el cual se dice que ha sido clonado Para ello debe introducirse dicho fragmento en otro elemento de ADN generalmente un plasmido 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 132 Para clonar la secuencia de ADN de interes se emplean enzimas como herramientas de corte y empalme del fragmento y del vector el plasmido Dichas enzimas corresponden a dos grupos en primer lugar las enzimas de restriccion que poseen la capacidad de reconocer y cortar secuencias especificas en segundo lugar la ADN ligasa que establece un enlace covalente entre extremos de ADN compatibles 131 ver seccion Nucleasas y ligasas Secuenciacion Editar Articulo principal Secuenciacion de ADN La secuenciacion del ADN consiste en dilucidar el orden de los nucleotidos de un polimero de ADN de cualquier longitud si bien suele dirigirse hacia la determinacion de genomas completos debido a que las tecnicas actuales permiten realizar esta secuenciacion a gran velocidad lo cual ha sido de gran importancia para proyectos de secuenciacion a gran escala como el Proyecto Genoma Humano Otros proyectos relacionados en ocasiones fruto de la colaboracion de cientificos a escala mundial han establecido la secuencia completa del ADN de muchos genomas de animales plantas y microorganismos El metodo de secuenciacion de Sanger ha sido el mas empleado durante el siglo XX Se basa en la sintesis de ADN en presencia de didesoxinucleosidos compuestos que a diferencia de los desoxinucleosidos normales dNTPs carecen de un grupo hidroxilo en su extremo 3 Aunque los didesoxinucleotidos trifosfatados ddNTPs pueden incorporarse a la cadena en sintesis la carencia de un extremo 3 OH imposibilita la generacion de un nuevo enlace fosfodiester con el nucleosido siguiente por tanto provocan la terminacion de la sintesis Por esta razon el metodo de secuenciacion tambien se denomina de terminacion de cadena La reaccion se realiza usualmente preparando un tubo con el ADN molde la polimerasa un cebador dNTPs convencionales y una pequena 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 polimerizacion se van truncando las cadenas crecientes al azar en distintas posiciones Por tanto se produce una serie de productos de distinto tamano coincidiendo la posicion de la terminacion debido a la incorporacion del ddNTP correspondiente Una vez terminada la reaccion es posible correr la mezcla en una electroforesis capilar que resuelve todos los fragmentos segun su longitud en la cual se lee la fluorescencia para cada posicion del polimero En nuestro ejemplo la lectura azul rojo azul azul se traduciria como TATT 133 134 Reaccion en cadena de la polimerasa PCR Editar Articulo principal Reaccion en cadena de la polimerasa La reaccion en cadena de la polimerasa habitualmente conocida como PCR por sus siglas en ingles es una tecnica de biologia molecular descrita en 1986 por Kary Mullis 135 cuyo objetivo es obtener un gran numero de copias de un fragmento de ADN dado partiendo de una escasa cantidad de aquel Para ello se emplea una ADN polimerasa termoestable que en presencia de una mezcla de los cuatro desoxinucleotidos un tampon de la fuerza ionica adecuada y los cationes precisos para la actividad de la enzima dos oligonucleotidos denominados cebadores complementarios aparte de la secuencia situados a distancia suficiente y en sentido antiparalelo y bajo unas condiciones de temperatura adecuadas moduladas por un aparato denominado termociclador genera exponencialmente nuevos fragmentos de ADN semejantes al original y acotados por los dos cebadores 132 La PCR puede efectuarse como una tecnica de punto final esto es como una herramienta de generacion del ADN deseado o como un metodo continuo en el que se evalue dicha polimerizacion a tiempo real Esta ultima variante es comun en la PCR cuantitativa 131 Southern blot Editar Articulo principal Southern blot El metodo de hibridacion Southern o Southern blot el nombre original en el idioma ingles permite la deteccion de una secuencia de ADN en una muestra compleja o no del acido nucleico Para ello combina una separacion mediante masa y carga efectuada mediante una electroforesis en gel con una hibridacion con una sonda de acido nucleico marcada de algun modo ya sea con radiactividad o con un compuesto quimico que tras varias reacciones de lugar a la aparicion de una senal de color o fluorescencia Dicha hibridacion se realiza tras la transferencia del ADN separado mediante la electroforesis a una membrana de filtro Una tecnica semejante pero en la cual no se produce la mencionada separacion electroforetica se denomina dot blot El metodo recibe su nombre en honor a su inventor el biologo ingles Edwin Southern 136 Por analogia al metodo Southern se han desarrollado tecnicas semejantes que permiten la deteccion de secuencias dadas de ARN metodo Northern que emplea sondas de ARN o ADN marcadas 137 o de proteinas especificas tecnica Western basada en el uso de anticuerpos 138 Chips de ADN Editar Articulo principal Chip de ADN Microarray con 37 500 oligonucleotidos especificos Arriba a la izquierda se puede apreciar una region ampliada del chip Los chips de ADN son colecciones de oligonucleotidos 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 expresion genica de una preparacion de ARN Aplicaciones EditarIngenieria genetica Editar Veanse tambien Ingenieria geneticay Biologia molecular La investigacion sobre el ADN tiene un impacto significativo especialmente en el ambito de la medicina pero tambien en agricultura y ganaderia donde los objetivos son los mismos que con las tecnicas tradicionales que el hombre lleva utilizando desde hace milenios la domesticacion la seleccion y los cruces dirigidos para obtener variedades de animales y plantas mas productivos La moderna biologia y bioquimica hacen uso intensivo de la tecnologia del ADN recombinante introduciendo genes de interes en organismos con el objetivo de expresar una proteina recombinante concreta que puede ser aislada para su uso posterior por ejemplo se pueden transformar microorganismos para convertirlos en autenticas fabricas que producen grandes cantidades de sustancias utiles como insulina o vacunas que posteriormente se aislan y se utilizan terapeuticamente 139 140 141 necesaria para reemplazar la expresion de un gen endogeno danado que ha dado lugar a una patologia lo que permitiria el restablecimiento de la actividad de la proteina perdida y eventualmente la recuperacion del estado fisiologico normal no patologico Este es el objetivo de la terapia genica uno de los campos en los que se esta trabajando activamente en medicina analizando ventajas e inconvenientes de diferentes sistemas de administracion del gen virales y no virales y los mecanismos de seleccion del punto de integracion de los elementos geneticos distintos para los virus y los transposones en el genoma diana 142 En este caso antes de plantearse la posibilidad de realizar una terapia genica en una determinada patologia es fundamental comprender el impacto del gen de interes en el desarrollo de dicha patologia para lo cual es necesario el desarrollo de un modelo animal eliminando o modificando dicho gen en un animal de laboratorio mediante la tecnica knockout 143 Solo en el caso de que los resultados en el modelo animal sean satisfactorios se procederia a analizar la posibilidad de restablecer el gen danado mediante terapia genica utilizada para enriquecer un alimento por ejemplo la composicion de la leche una importante fuente de proteinas para el consumo humano y animal puede modificarse mediante transgenesis anadiendo genes exogenos y desactivando genes endogenos para mejorar su valor nutricional reducir infecciones en las glandulas mamarias proporcionar a los consumidores proteinas antipatogenas y preparar proteinas recombinantes para su uso farmaceutico 144 145 util para mejorar la resistencia del organismo transformado por ejemplo en plantas se pueden introducir genes que confieren resistencia a patogenos virus insectos hongos asi como a agentes estresantes abioticos salinidad sequedad metales pesados 146 147 148 Medicina forense Editar Vease tambien Huella genetica Los medicos 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 tecnica se denomina huella genetica o tambien perfil de ADN Al realizar la huella genetica se compara la longitud de secciones altamente variables de ADN repetitivo como los microsatelites entre personas diferentes Este metodo es frecuentemente muy fiable para identificar a un criminal 149 Sin embargo la identificacion puede complicarse si la escena esta contaminada con ADN de personas diferentes 150 La tecnica de la huella genetica fue desarrollada en 1984 por el genetista britanico sir Alec Jeffreys 151 y fue utilizada por primera vez en medicina forense para condenar a Colin Pitchfork por los asesinatos de Narborough en 1983 y de Enderby en 1986 152 Se puede requerir a las personas acusadas de ciertos tipos de crimenes que proporcionen una muestra de ADN para introducirlos en una base de datos Esto ha facilitado la labor de los investigadores en la resolucion de casos antiguos donde solo se obtuvo una muestra de ADN de la escena del crimen en algunos casos permitiendo exonerar a un convicto La huella genetica tambien puede utilizarse para identificar victimas de accidentes en masa 153 o para realizar pruebas de consanguinidad prueba de paternidad 154 Bioinformatica Editar Vease tambien Bioinformatica La bioinformatica implica la manipulacion busqueda y extraccion de informacion de los datos de la secuencia del ADN El desarrollo de las tecnicas para almacenar y buscar secuencias de ADN ha generado avances en el desarrollo de software de los ordenadores para muchas aplicaciones especialmente algoritmos de busqueda de frases aprendizaje automatico y teorias de bases de datos 155 La busqueda de frases o algoritmos de coincidencias que buscan la ocurrencia de una secuencia de letras dentro de una secuencia de letras mayor se desarrollo para buscar secuencias especificas de nucleotidos 156 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 numero de caracteres El problema relacionado del alineamiento de secuencias persigue identificar secuencias homologas y localizar mutaciones especificas que las diferencian Estas tecnicas fundamentalmente el alineamiento multiple de secuencias se utilizan al estudiar las relaciones filogeneticas y la funcion de las proteinas 157 Las colecciones de datos que representan secuencias de ADN del tamano de un genoma tales como las producidas por el Proyecto Genoma Humano son dificiles de usar sin anotaciones que marcan la localizacion de los genes y los elementos reguladores en cada cromosoma Las regiones de ADN que tienen patrones asociados con genes que codifican proteinas o ARN pueden identificarse por algoritmos de localizacion de genes lo que permite a los investigadores predecir la presencia de productos genicos especificos en un organismo incluso antes de que haya sido aislado experimentalmente 158 Nanotecnologia de ADN Editar La estructura de ADN de la izquierda mostrada de forma esquematica se auto ensambla en la estructura visualizada por microscopia de fuerza atomica a la derecha La nanotecnologia de ADN es el campo que busca disenar estructuras a nanoescala utilizando las propiedades de reconocimiento molecular de las moleculas de ADN Imagen de Strong 2004 19 Vease tambien Nanotecnologia La nanotecnologia de ADN utiliza las propiedades unicas de reconocimiento molecular del ADN y otros acidos nucleicos para crear complejos ramificados auto ensamblados con propiedades utiles En este caso el ADN se utiliza como un material estructural mas que como un portador de informacion biologica 159 Esto ha conducido a la creacion de laminas periodicas de dos dimensiones ambas basadas en azulejos asi como usando el metodo de ADN origami 160 ademas de estructuras en tres dimensiones con forma de poliedros Historia antropologia y paleontologia Editar Veanse tambien Filogeniay Genealogia molecular A lo largo del tiempo el ADN almacena mutaciones que se heredan y por tanto contiene informacion historica de manera que comparando secuencias de ADN los genetistas pueden inferir la historia evolutiva de los organismos su filogenia 161 La investigacion filogenetica es una herramienta fundamental en biologia 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 ecologia hasta antropologia como ilustra el analisis de ADN llevado a cabo para identificar las Diez Tribus Perdidas de Israel 162 163 Por otro lado el ADN tambien se utiliza para estudiar relaciones familiares recientes Igualmente en paleontologia en la paleogenetica el ADN en algunos casos tambien se puede utilizar para estudiar a especies extintas ADN fosil Vease tambien EditarARN Cromatina Cromosoma Genoma Genoma humano Glosario de terminos relacionados con el genoma Genes MEIS Cerberus Desoxirribonucleotido Genes HOX y genes PARAHOX Genetica Medicina genomica Prueba de ADN Elementos funcionales del ADNReferencias EditarNotas Editar Malave Dr Antonio Alcala 4 de noviembre de 2015 Genetica de la emocion El origen de la enfermedad Penguin Random House Grupo Editorial Espana ISBN 9788490692066 Consultado el 1 de octubre de 2019 Mazzotta Guillermo Cejas 2000 Identificacion por ADN Ediciones Juridicas Cuyo ISBN 9789875270145 Consultado el 1 de octubre de 2019 Ferrer Sergio El verdadero sentido de la vida Journal of Feelsynapsis JoF ISSN 2254 3651 2011 1 119 127 Dahm R 2005 Friedrich Miescher and the discovery of DNA Dev Biol 278 2 274 88 PMID 15680349 doi 10 1016 j ydbio 2004 11 028 http www terradaily com reports Building Life On Earth 999 html Dato del descubrimiento del ADN en 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