Biología y Salud

Tratado multidisciplinar sobre la actividad cerebral, los procesos mentales superiores y nuestro comportamiento

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Modelo bidireccional y triestratificado

Autor: Profesor G. Gómez-Jarabo
Director de biopsicologia.net

Logo del ministerio de ciencia Este proyecto ha sido subvencionado parcialmente por el Ministerio de Ciencia y Tecnología, Programa de Fomento de la Investigación Técnica del Plan Nacional de Investigación Científica, Desarrollo e Innovación Tecnológica.
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Una de las características más llamativas del ADN es que es capaz de codificar una cantidad enorme de información biológica. Una célula fetal de mamífero no diferenciada contiene solamente unos cuantos picogramos (10-12 g) de ADN. No obstante, esta diminuta cantidad de material es suficiente para dirigir la síntesis de un número enorme de proteínas diferentes que determinan la forma y comportamiento bioquímico de una gran variedad de tejidos diferenciados en el animal adulto.

El grado de compactación con el que dicha información es seguidamente almacenada en el ADN es único, siendo incomparable incluso a los más sofisticados elementos de memoria de los actuales ordenadores. Pero, ¿cómo consigue esa codificación tan extraordinaria?. Sucede que la propia naturaleza de su estructura química no sólo es consistente con la eficiencia del ADN como banco de memoria sino que además permite conocer cómo el ADN traduce esta información en forma de proteínas.

Propiedades biológicas del ADN

El ADN es la macromolécula que en último término controla, principalmente a través de la síntesis proteica, cada aspecto de la función celular. El ADN ejerce este control de la siguiente manera:

Modo de control del ADN
Cuadro 1: Modo de control del ADN

El flujo de información biológica va claramente desde una clase de ácido nucleico a otra, desde el ADN al ARN, con sólo algunas excepciones, y de allí a la proteína. Para que esta transferencia de información se produzca fielmente, cada molécula antecesora actúa de metabolito estructural para la síntesis del producto siguiente de la secuencia.

Además de regular la expresión celular, el ADN juega un papel exclusivo en la herencia. Este papel viene determinado por su capacidad de replicación, es decir, es una molécula que puede autorreplicarse. El significado de la replicación es trascendental, permite que el ADN haga copias de sí mismo mientras se divide la célula. Estas copias van a las células hijas, las cuales pueden así, heredar todas y cada una de las propiedades y características de la célula original.

Por tanto, las propiedades biológicas del ADN son, en primer lugar, la determinación final de las propiedades de la célula viva al regular la expresión de la información biológica, principalmente mediante el control de la síntesis proteica. En segundo lugar, aunque no menos importante, debe quedar absolutamente claro que el ADN transfiere la información biológica desde una generación a la siguiente, es decir, es esencial para la transmisión de la información genética.

Estructura del ADN

Estructuralmente el ADN es un polinucleótido, que son los productos resultantes de la condensación de nucleótidos, de la misma forma que las proteínas se producen por la polimerización de aminoácidos.

Se ha observado que, además de las cuatro bases comunes presentes en el ADN de cualquier origen, a saber: adenina, guanina, timina y citosina, se encuentran derivados metilados de las bases.

Estructuras de algunas bases menos comunes que se presentan en el ADN
Figura 18: Estructuras de algunas bases menos comunes que se presentan en el ADN. Tomado de Devlin, T.M (Ed). Bioquímica.

Los polinucleótidos se forman gracias a la unión de nucleótidos mediante enlaces fosfodiéster, en concreto, el enlace fosfodiéster es el análogo formal del enlace peptídico entre los aminoácidos en las proteínas. Su función es la de unir dos residuos nucleótidos adyacentes como resultado de la esterificación de dos de los tres grupos hidroxilo del ácido fosfórico. Por ejemplo, en la desoxirribosa se encuentran dos grupos hidroxilo libres en los carbonos C-3´ y C-5´.

Estructura de un segmento polinucleotídico de ADN
Figura 19: Estructura de un segmento polinucleotídico de ADN. Tomado de Devlin, T.M (Ed). Bioquímica.

En algunos casos los polinucleótidos son polímeros lineales. El último resto nucleotídico en cada uno de los extremos opuestos de la cadena polinucleotídica actúa como término de la misma. En este punto, es importante señalar que estos dos terminales no son estructuralmente equivalentes por lo que uno de los nucleótidos ha de terminar necesariamente con un grupo 3´-hidroxilo mientras que el otro lo hace con un 5´-hidroxilo, de ahí que se hayan denominado como extremo 3´ y 5´, pudiéndose considerar su correspondencia con los extremos amino y carboxilo de las proteínas. Por otro lado, también existen polinucleótidos en forma de estructuras cíclicas sin terminales libres pudiéndose producir un polinucleótido cíclico gracias a la esterificación entre el extremo 3´-OH de un polinucleótido con su extremo 5´-OH propio.

Los polímeros largos de los nucleótidos unidos por enlaces fosfodiéster van a ser los que reciben la denominación de polinucleótidos, mientras que el término oligonucleótido, se reserva para los polímeros que contiene pocos nucleótidos.

La naturaleza del enlace entre nucleótidos para formar polinucleótidos se descubrió principalmente por el uso de exonucleasas, que son enzimas que hidrolizan estos polímeros de forma selectiva. Estas enzimas cortan el último resto nucleotídico en cualquiera de los dos extremos de un oligonucleótido, de esta forma los oligonucleótidos pueden así ser degradados por la eliminación, a pasos, de nucleótidos sencillos o pequeños oligonucleótidos a partir de cualquiera de los dos extremos, 5´y 3´. Las nucleasas cortan los enlaces en una de las dos posiciones no equivalentes como próxima (p) o distal (d) a la base que ocupa la posición 3´del enlace.

Nucleasas con especificidades diversas
Figura 20: Nucleasas con especificidades diversas. Tomado de Devlin, T.M (Ed). Bioquímica.

Así mismo, hay que tener en cuenta, que otras nucleasas, que rompen enlaces fosfodiéster localizados en el interior de los polinucleótidos y que son conocidas como endonucleasas, se comportan de forma muy similar, tal es el caso de la D Nasa I que sólo corta enlaces p, mientras que la D Nasa II rompe enlaces d.

Especificidades de diversos tipos de nucleasas
Tabla 1: Especificidades de diversos tipos de nucleasas. Tomado de Devlin, T.M (Ed). Bioquímica.

La identificación de la estructura del ADN por Watson y Crick, en 1953, fue uno de los descubrimientos más apasionantes de la historia de la genética. Abrió el camino a la comprensión en términos moleculares de la herencia y de la forma de actuar de los genes. Se sabía que los genes (factores hereditarios descritos por Mendel) estaban asociados a caracteres específicos, pero su naturaleza física era desconocida. La teoría «un gen - una enzima» postulaba que los genes controlan la estructura de las proteínas. También se conocía que los genes estaban situados en los cromosomas, y se descubrió que los cromosomas se componían de ADN y proteína.

Las investigaciones de Griffith y, posteriormente de Avery y cols., apuntaban al ADN como el material genético. Estos experimentos demostraban que las células bacterianas que expresan un fenotipo determinado pueden ser transformadas en células que expresan un fenotipo distinto, y que el agente transformante es ADN.

En 1928, en el curso de sus experimentos con la bacteria Streptoccocus pneumoniae, Griffitll había hecho una misteriosa observación. Esta bacteria, causante de la neumonía humana, es normalmente letal para los ratones. Sin embargo, han aparecido distintas cepas de esta especie bacteriana que difieren en cuanto a su virulencia (capacidad para provocar la enfermedad o la muerte). Griffith utilizó en sus experimentos dos cepas que se distinguían por la apariencia de las colonias crecidas en cultivos de laboratorio. Las células de una de las cepas, un tipo virulento normal, están rodeadas por una cápsula de polisacáridos que le da a las colonias una apariencia lisa (smooth en inglés); de ahí que ésta se denomine estirpe S. Las células de la otra cepa de Griffith, un tipo mutante no virulento que se reproduce en los ratones pero no es letal, carecen de esta cápsula de polisacáridos, lo cual hace que las colonias tengan apariencia rugosa; ésta se denomina estirpe R.

Griffith mató algunas células virulentas, hirviéndolas e inyectó las células muertas en ratones. Los ratones sobrevivieron, demostrándose así que las cápsulas de las células no provocan la muerte. Sin embargo, ratones inyectados con una mezcla de células virulentas muertas y de células no virulentas vivas, murieron. Además, podían recuperarse bacterias vivas de los ratones muertos; estas células producían colonias lisas y, en subsiguientes inyecciones, eran virulentas. De alguna manera, los restos celulares de las células S hervidas habían convertido a las células R vivas en células S vivas. Este proceso se denomina transformación.

En 1952, Hershey y Chase, probaron definitivamente que el ADN era el material genético usando el fago (virus) T2. Su razonamiento fue que la infección del fago debe implicar la introducción dentro de la bacteria de la información que dicta la reproducción viral. El fago es relativamente simple en cuanto a composición molecular.

La mayor parte de su estructura es proteína, estando el ADN en el interior de la envuelta proteínica o cabeza. En las proteínas no se encuentra fósforo, que sí forma parte del ADN; inversamente, el azufre está presente en las proteínas pero nunca en el ADN. Hershey y Chase marcaron el ADN del fago con el radioisótopo del fósforo (P32) y las proteínas con el del azufre (S35), en cultivos distintos de fagos. Usaron entonces cada cultivo, por separado, para infectar E. coli con muchas partículas de virus por cada célula. Tras dejar tiempo suficiente para que se produjera la infección, separaron de las células bacterianas las carcasas vacías de los fagos (llamadas «fantasmas») por agitación. Separaron las células bacterianas de los fantasmas de los fagos, mediante centrifugación, y midieron entonces la radiactividad de las dos fracciones. Cuando se usaron los fagos marcados con P32, la mayor parte de la radiactividad terminaba en las células bacterianas, indicando que el ADN viral entraba en las células. También podía recuperarse P32 de los fagos descendientes. Cuando se usaron los fagos marcados con S35, la mayor parte de la radiactividad terminaba en los fantasmas virales, indicando que la proteína viral nunca entra en la célula bacteriana (ver figura). La conclusión es evidente: El ADN es el material hereditario; las proteínas fágicas son meros empaquetadores estructurales que se desechan después de inyectar el vital ADN en la célula bacteriana.

El experimento de Hershey y Chase
Figura 21: El experimento de Hershey y Chase. Tomado de Griffiths, A. (Ed.) Introducción al análisis genético.

Los elementos básicos del ADN se habían aislado y analizado mediante rotura parcial de ADN purificado. Tales estudios demostraban que el ADN estaba compuesto sólo de cuatro moléculas básicas, llamadas nucleótidos, idénticas entre sí, excepto en que cada uno contiene una base nitrogenada diferente. Cada nucleótido contiene fosfato, un azúcar (desoxirribosa) y una de las cuatro bases. En ausencia del grupo fosfato, la base y la desoxirribosa forman un nucleósido en vez de un nucleótido. Las cuatro bases son adenina, guanina, citosina y timina. Los nombres químicos completos de los nucleótidos son 5'-monofosfato de desoxiadenosina (o desoxiadenilato o DAMP), 5'-monofosfato de desoxiguanosina (desoxiguanilato o DGMP), 5'-monofosfato de desoxicitidina (dexocitidilato o DCMP) y 5'-monofosfato de desoxitimidina (desoxitimidilato o DTMP). Sin embargo resulta más conveniente referirse a cada nucleótido por la abreviatura de su base (A, G, C y T, respectivamente) Dos de las bases, adenina y guanina, son de estructura similar y se denominan purinas. Las otras dos bases, citosina y timina, también son similares y se denominan pirimidinas.

La estructura que diseñaron Watson y Crick es una doble hélice, parecida a dos muelles entrelazados. Cada hélice es una ristra de nucleótidos unidos por enlaces fosfodiéster, en el que un grupo fosfato forma un puente entre grupos -OH de dos residuos de azúcar adyacentes. Las dos hélices se mantienen juntos mediante puentes de hidrógeno, en los que dos átomos electronegativos comparten un protón, entre las bases. Los puentes de hidrógeno se producen entre átomos de hidrógeno con una pequeña carga positiva y átomos con una pequeña carga negativa.

Como se ve en la siguiente figura, que muestra una parte de la estructura, con las hélices desenrolladas, los puentes de hidrógeno se forman entre pares de bases. Cada par de bases consiste en una purina y una pirimidina, emparejadas de acuerdo con la regla siguiente: G empareja con C, y A lo hace con T, en la imagen queda esquemáticamente representada la hélice de ADN.

Esqueletos azúcar-fosfato y escalones de pares de bases de la doble hélice de ADN
Figura 22: Esqueletos azúcar-fosfato y escalones de pares de bases de la doble hélice de ADN. Tomado de Griffiths, A. (Ed.). Introducción al análisis genético.

Modelo simplificado de la estructura helicoidal del ADN
Figura 23: Modelo simplificado de la estructura helicoidal del ADN. Tomado de Griffiths, A. (Ed.). Introducción al análisis genético.

La identificación de la estructura del ADN provocó una gran excitación entre los genetistas, y en todas las áreas de la Biología, por dos razones fundamentales:

1.  La estructura sugería una forma obvia por la que la molécula puede ser duplicada, o replicada, ya que cada base determina a su complementaria mediante puentes de hidrógeno. Hasta entonces, esta propiedad esencial de la molécula genética había sido un misterio.

2.  La estructura hace pensar que quizás la secuencia de pares de nucleótidos en el ADN es la que determina la secuencia de aminoácidos de la proteína dictada por un gen. En otras palabras, algún tipo de código genético podría situarse en la secuencia de pares de nucleótidos que lógicamente se debería traducir en la estructura proteica.

La figura siguiente muestra un diagrama del posible mecanismo de replicación propuesto por Watson y Crick. Debido a la estricta restricción de emparejamientos impuesta por la estructura del ADN, cada base expuesta emparejará sólo con su complementaria. Dada esta complementariedad de bases, cada una de las cadenas actuará como molde, o plantilla, y empezará a reproducir una hélice doble idéntica a la que se abrió.

La molécula de ADN parental podría estar relacionada con las moléculas hijas de tres formas diferentes; semiconservativa, conservativa y dispersiva. En la replicación semiconservativa, cada hélice doble hija contiene una cadena parental y otra recién sintetizada. En la replicación conservativa, sin embargo, una hélice doble hija tiene las dos cadenas sintetizadas de nuevo y se conserva la hélice doble parental. La replicación dispersiva da lugar a dos moléculas hijas cuyas cadenas contienen ciertos segmentos de ADN parental y otros sintetizados de nuevo.

Modelo de replicación del ADN propuesto por Watson y Crick
Figura 24: Modelo de replicación del ADN propuesto por Watson y Crick. Tomado de Griffiths, A.; (Ed.) Introducción al análisis genético.
 

Tres formas alternativas de replicación del ADN
Figura 25: Tres formas alternativas de replicación del ADN. Tomado de Griffiths, A.; Miller, J.; Suzuki, D.; Lewontin, R., y Gelbart, W.; Introducción al análisis genético.

El mecanismo de replicación del ADN

Watson y Crick pensaron en un principio que la fidelidad de la replicación del ADN estaba basada en el apareamiento de bases complementarias, es decir, que cada base en la cadena molde determina la base complementaria en la nueva cadena. Sin embargo, hoy se sabe que el proceso de replicación del ADN es muy complejo y requiere la participación de muchos elementos distintos. Examinaremos alguno de los elementos y veremos cómo encajan para producir la imagen que se tiene de la síntesis del ADN en la bacteria Escherichia coli, el sistema de replicación celular mejor estudiado.

A finales de los años 50, Kornberg identificó y purificó la primera polimerasa de ADN, una enzima que cataliza la siguiente reacción de replicación

Reacción de replicación
Figura 26: Reacción de replicación.

Esta reacción funciona sólo con la forma trifosfato de los nucleótidos (como el trifosfato de desoxiadenosina o dATP). Al final de la reacción, la cantidad total de ADN puede ser hasta 20 veces la cantidad de ADN inicial, de manera que el ADN presente al final debe ser principalmente ADN descendiente. En la siguiente figura se ilustra la reacción de elongación de la cadena catalizada por las polimerasas de ADN.

Esta reacción funciona sólo con la forma trifosfato de los nucleótidos (como el trifosfato de desoxiadenosina o dATP). Al final de la reacción, la cantidad total de ADN puede ser hasta 20 veces la cantidad de ADN inicial, de manera que el ADN presente al final debe ser principalmente ADN descendiente. En la siguiente figura se ilustra la reacción de elongación de la cadena catalizada por las polimerasas de ADN.

Reacción de elongación de la cadena catalizada por las polimerasas de ADN
Figura 27: Reacción de elongación de la cadena catalizada por las polimerasas de ADN. Tomado de Griffiths, A. (Ed) Introducción al análisis genético.

Las polimerasas de ADN pueden alargar una cadena, pero no pueden iniciar una cadena. Por tanto, las síntesis del ADN debe ser iniciada con un cebador, u oligonucleótido que genera un segmento de ADN de doble cadena. La participación del cebador en la replicación del ADN queda esquematizado en la siguiente figura.

Inicio de la síntesis de ADN con un cebador de ARN
Figura 28: Inicio de la síntesis de ADN con un cebador de ARN. Tomado de Griffiths, A.; (Ed.) Introducción al análisis genético.

La replicación del cromosoma de E. coli utiliza cebadores de ARN, que son fabricados bien por la polimerasa de ARN, o bien, por una enzima llamada primasa. Ésta sintetiza un fragmento corto de ARN. A continuación, la cadena de ARN es alargada con ADN por la polimerasa de ADN.

Las polimerasas de ADN sintetizan nuevas cadenas sólo en la dirección 5´à 3´y, por tanto, debido a la naturaleza antiparalela de la molécula de ADN, se mueven sobre la cadena molde en dirección 3´à 5´. La consecuencia de esta polaridad es que mientras que una de las cadenas nuevas, la cadena líder, se sintetiza de forma continua, la otra, la cadena retrasada, debe ser sintetizada en pequeños segmentos discontinuos, como se aprecia en la siguiente figura:

La síntesis de ADN se produce mediante la síntesis continua de la cadena líder y discontinua de la cadena retrasada
Figura 29: La síntesis de ADN se produce mediante la síntesis continua de la cadena líder y discontinua de la cadena retrasada. Tomado de Griffiths, A. (Ed.) Introducción al análisis genético.

El ADN es el material genético que alberga en cada gen los alelos correspondientes a secuencias lineales de pares de nucleótidos. La conclusión inmediata es que el mapa de alelos constituye el equivalente genético de las secuencias de pares de nucleótidos en el ADN. Los mapas genéticos son coherentes con los mapas del ADN, en el sentido en que el orden de los genes en una porción del ADN concuerda con el orden de esos mismos genes en los mapas de ligamiento.

Cómo funcionan los genes

Las reacciones celulares están catalizadas por enzimas, cuya conformación tridimensional es crucial para su función, y los genes especifican las estructuras de las proteínas, algunas de las cuales son enzimas, podemos, por tanto, relacionar la estructura del material genético con la estructura de las proteínas. La siguiente tabla resume el modelo de relación entre genotipo y fenotipo:

Modelo de relación entre genotipo y fenotipo
Tabla 2: Modelo de relación entre genotipo y fenotipo. Tomado de Griffiths, A.; (Ed.) Introducción al análisis genético.

La hipótesis un gen-una enzima fue un paso decisivo para nuestra comprensión de la función de los genes.

Una proteína es una macromolécula compuesta de aminoácidos unidos unos a otros en una cadena lineal. La fórmula general de un aminoácido es H2N-CHR-COOH, en la que el grupo R puede ser desde un átomo de hidrógeno (caso del aminoácido glicina) hasta un anillo complejo (como en el aminoácido triptófano). Existen 20 aminoácidos comunes en todos los seres vivos (ver tabla), cada uno con un radical o grupo R diferente. En las proteínas, los aminoácidos están unidos entre sí mediante uniones covalentes llamados enlaces peptídicos. Un enlace peptídico se forma por una reacción de condensación que conlleva la pérdida de una molécula de agua.

Los 20 aminoácidos comunes a todos los seres vivos
Tabla 3: Los 20 aminoácidos comunes a todos los seres vivos. Tomado de Griffiths, A. (Ed.); Introducción al análisis genético.

Varios aminoácidos unidos entre sí mediante enlaces peptídicos forman una molécula llamada polipéptido. Las proteínas encontradas en los seres vivos son polipéptidos largos. Por ejemplo, la cadena a de la hemoglobina humana está compuesta por 141 aminoácidos.

Las proteínas poseen una estructura compleja en la cual se han distinguido tradicionalmente cuatro niveles. La secuencia lineal de los aminoácidos de una cadena polipeptídica se denomina estructura primaria de la proteína. La estructura secundaria de la proteína se refiere a interrelaciones de los aminoácidos que están próximos en la secuencia lineal. A menudo, esta disposición espacial es consecuencia de que los polipéptidos pueden curvarse formando estructuras repetidas regularmente (periódicas), originadas por puentes de hidrógeno entre los grupos CO y NH de aminoácidos diferentes.

Las proteínas tienen también una arquitectura tridimensional denominada estructura terciaria, la cual se genera por la formación de enlaces electrostáticos, de hidrógeno y de Van de Waals entre los grupos R de varios aminoácidos, que hacen que la cadena de la proteína se pliegue sobre sí misma. En muchas ocasiones, los aminoácidos que se encuentran alejados en la secuencia lineal de la proteína aparecen próximos en la estructura terciaria. A menudo, dos o más estructuras plegadas se asocian para formar una estructura cuaternaria; esta estructura tiene carácter multimérico, porque está formada por varias cadenas polipeptídicas separadas o monómeros. En la siguiente figura se representan los cuatro niveles de la estructura de una proteína.

Diferentes niveles de la estructura de las proteínas
Figura 30: Diferentes niveles de la estructura de las proteínas. Tomado de Griffiths, A. (Ed); Introducción al análisis genético.

Muchas proteínas tienen una estructura compacta y se denominan proteínas globulares. Las enzimas y los anticuerpos están entre las proteínas globulares de mayor importancia. Otras proteínas no compactas, llamadas proteínas fibrilares, son componentes fundamentales de estructuras como el pelo y el músculo.

El cambio de un solo aminoácido es suficiente para alterar la función de una proteína. Esto fue demostrado por primera vez por Ingram, estudiando la hemoglobina, que es una proteína globular (la molécula de los glóbulos rojos que transporta el oxígeno). La hemoglobina está formada por cuatro cadenas polipeptídicas: dos cadenas idénticas a, cada una de ellas constituida por 141 aminoácidos, y dos cadenas idénticas b, cada una de ellas formadas por 146 aminoácidos. Ingram comparó la hemoglobina A (HbA), la hemoglobina normal de los adultos, con la hemoglobina S (HbS), la proteína de individuos homocigóticos que en homocigosis presentan anemia falciforme, enfermedad en la cual los glóbulos rojos adquieren forma de hoz, apareciendo como única diferencia entre HbA y HbS la variación en seis del aminoácido valina sustituido por el ácido glutámico.

Este único error en un aminoácido de una proteína acelerará la muerte de los pacientes con HbS. La siguiente figura muestra cómo finalmente esta mutación provoca el patrón de enfermedad.

Cascada de efectos del cambio de un aminoácido de la hemoglobina, que provoca la anemia falciforme
Figura 31: Cascada de efectos del cambio de un aminoácido de la hemoglobina, que provoca la anemia falciforme. Tomado de Griffiths, A.. (Ed.) Introducción al análisis genético.

La función de los enzimas

¿Cómo es posible que un solo cambio de aminoácido, como el de la hemoglobina de la anemia falciforme (ver figura) tenga un efecto tan profundo sobre la función de la proteína y el fenotipo del organismo?. La respuesta está determinada por la enorme especificidad de la actividad enzimática y la consiguiente traducción de un determinado código genético.

Diferencia molecular entre la anemia falciforme y el fenotipo normal
Figura 32: Diferencia molecular entre la anemia falciforme y el fenotipo normal. Tomado de Griffiths, A.. (Ed.) Introducción al análisis genético.

En la siguiente figura podemos ver una enzima digestiva gástrica, la carboxipeptidasa, en su estado relajado y tras aferrarse a su sustrato, la glicitirosina. La molécula de sustrato encaja perfectamente en una ranura presente en la estructura de la enzima; esta ranura se denomina sitio activo.

El sitio activo de la enzima digestiva carboxipeptidasa
Figura 33: El sitio activo de la enzima digestiva carboxipeptidasa. Tomado de Griffiths, A.. (Ed.) Introducción al análisis genético.

Gran parte de la estructura globular de una enzima es material no reactivo que sirve simplemente como soporte del sitio activo. Podemos esperar que cambios de aminoácidos de muchas posiciones en la estructura tengan efectos poco notables, mientras que en aquellas posiciones de las que depende la configuración precisa del sitio activo, se requerirá la presencia de aminoácidos muy determinados.

En eucariotas, el ADN se encuentra asociado con varios tipos de proteínas conocidas como nucleoproteínas. Aquellas que interaccionan con el ADN forman una estructura periódica en la que se repite regularmente una estructura conocida como nucleosoma que consiste en un segmento de ADN que se encuentra asociado con un grupo de histonas y con proteínas no histonas. Una pequeña proporción de ADN eucariótico se localiza en las mitocondrias. Éste ADN, que se presenta en forma de pequeñas superhélices y se encuentra normalmente libre de proteínas.

Los nucleosomas están presentes en todos los organismos eucarióticos siendo considerados como el primer nivel de organización cromosómica después de la hélice del ADN. Tienen un destacado papel en el empaquetamiento del ADN cromosómico, en concreto, el ADN de una célula humana, de una longitud aproximada de 1m., debe condensarse de manera que pueda caber en el interior del núcleo, de aproximadamente 10mm de diámetro. Para ello, éste ADN debe compactarse mediante diversas fases de plegado secuencial estabilizado por histonas y otras proteínas.

Se ha observado, que el contenido en ADN de una célula de mamífero es mucho más elevado que el que resultaría de suponer que consiste principalmente en genes estructurales, junto con algunas secuencias utilizadas para controlar la expresión génica. Por ejemplo, en el caso de una célula humana tan sólo el 10% del ADN puede ser ya suficiente para codificar los 50.000 genes (aprox.) presentes en el genoma humano. Si esto es así, la determinación de las secuencias nucleotídicas completas del ADN eucariótico podría ser una importante fuente de información sobre la función de éste exceso de ADN, sin embargo ésta tarea puede ser poco práctica. Lo que realmente está aportando datos, es la secuenciación de grandes secciones de ADN eucariótico, por ejemplo genes estructurales y regiones adyacentes. Éstos datos indican que los genes eucarióticos, a diferencia de los procariotas, no se solapan únicamente sino que además, en su gran mayoría, están interrumpidos por secuencias nucleotídicas interpuestas, intrones. Algunos genes sólo están interrumpidos una vez, mientras que otros están muy fragmentados.

Representación esquemática de un gen eucariótico
Figura 34: Representación esquemática de un gen eucariótico. Tomado de Devlin,T.M (Ed). Bioquímica.

Prácticamente la totalidad del ADN de células diferenciadas está presente en forma de cromatina que se condensa de manera muy firme en distintos cromosomas inmediatamente después de completarse el proceso de replicación del ADN.

ADN de copia única

Aproximadamente la mitad del genoma humano está formado por secuencias de nucleótidos únicas, aunque únicamente una pequeña fracción codifica proteínas específicas. Una parte del ADN restante forma secuencias de ADN que presentan una homología de nucleótidos significativa con un gen funcional pero que contienen mutaciones que evitan su expresión, serían por tanto pseudogenes. Estos genes, contribuyen a incrementar significativamente el tamaño de los genomas eucarióticos aunque no contribuyan a su contenido genético expresable. Las secuencias de ADN adicionales forman intrones y regiones flanqueadoras de los genes.

Por el momento, no está clara la función del ADN de copia única restante.

ADN moderadamente reiterado

Esta clase de ADN presenta copias de secuencias idénticas o bien estrechamente relacionadas que se reiteran desde unas pocas hasta varios centenares de veces. La longitud de estas secuencias suelen ser relativamente largas. Tanto estas secuencias como las secuencias de copia única se encuentran presentes en el cromosoma según un orden particular denominado ordenamiento entremezclado, que consiste en la alternancia de bloques de ADN de copia única y de ADN moderadamente reiterado. Otras secuencias moderadamente reiteradas se presentan como en ordenamientos en tándem segregados.

Se ha sugerido la idea de que la existencia de estos dos tipos diferentes de ordenamiento observados para las secuencias moderadamente reiteradas pueden tener relación con funciones diferentes a desempeñar por estas secuencias. Así los ordenamientos en tándem se suelen utilizar para la síntesis de productos de los que es necesario generar numerosas copias con rapidez, tal es el caso del ARN ribosómico y ciertas proteínas de función especializada.

Genes estructurales con secuencias interpuestas de los tipos "entremezclado" y "Tándem"
Figura 35: Genes estructurales con secuencias interpuestas de los tipos "entremezclado" y "Tándem". Tomado de Devlin, T.M (Ed). Bioquímica.

ADN altamente reiterado

Este tipo de ADN está formado por la mayor parte del ADN restante que presenta secuencias construidas gracias a la repetición, muchos miles de veces, de una secuencia generalmente con menos de 20 nucleótidos. Dada su estructura, éste tipo de ADN altamente reiterado, también se conoce como ADN de secuencia simple.

Un prerrequisito de la estructura del ADN, que es necesario tener en cuenta, es la estabilidad extremada en el contenido de sus bases y de su secuencia en las que está codificada la información hereditaria. No obstante, la estructura de las bases del ADN puede sufrir cambios graduales. Por lo general éstos cambios tienen lugar de manera infrecuente afectando, la mayoría de las veces, a muy pocas bases. Por ejemplo, reacciones químicas o inducidas por radiación pueden modificar la estructura de algunas bases o bien desorganizar los enlaces fosfodiéster y separar las hebras. Así mismo, también pueden producirse errores durante los procesos de replicación y recombinación de hebras, desencadenando la incorporación de una o más bases erróneas en una nueva hebra. Éstos cambios, denominados mutaciones, pueden estar ocultos o ser visibles y por la tanto expresados fenotípicamente. Por tanto, una mutación puede definirse como un cambio estable en la estructura del ADN de un gen, el cual se expresa, normalmente, en forma de un cambio fenotípico en el correspondiente organismo. Si atendemos a su origen, las mutaciones se pueden clasificar en dos categorías:

  •   Sustituciones de base.
  •   Mutaciones de desplazamiento del marco de lectura (corrimiento de lectura).

Las sustituciones de base incluyen transiciones (sustituciones de un par pirimidina-purina por otro), y transversiones (sustituciones de un par purina-pirimidina por un par pirimidina-purina). Las mutaciones de desplazamiento de marco de lectura, las más radicales, son el resultado de la inserción de un nuevo par de bases o la eliminación de un par de bases o de un grupo de pares de bases de la secuencia de bases del ADN del gen.

Las mutaciones pueden ser necesarias para dar una respuesta evolutiva efectiva como consecuencia de un cambio ambiental. Por ejemplo, los procariotas, particularmente los que utilizan eucariotas como huéspedes, tienen la capacidad de generar rápidamente nuevas formas. Sin embargo, esta adaptabilidad se obtiene con un alto costo ya que la mayoría de las mutaciones al azar suelen producir efectos nocivos, por ello han aparecido mecanismos que contrarrestan los efectos de estos cambios. Así, la tasa de daño inicial del ADN es generalmente mucho más elevada que la tasa de las mutaciones letales o perjudiciales que se manifiestan por lo que el método más directo por el que se puede invertir una mutación potencial es, en concreto, la reparación de la base afectada antes de la replicación. Casi todas las células tienen la propiedad de detectar distorsiones en la estructura de la doble hélice del ADN que pueden provenir de una interrupción permanente de los puentes de hidrógenos entre uno o más pares de bases que se origina a partir de un cambio en la estructura de una de las bases.

Se ha aceptado que la irradiación y ciertos compuestos químicos pueden ser considerados como los principales mutágenos, así como algunos procesos raros de incorporación de bases erróneas por la ADN polimerasa.

Comentarios   

+2 # ADNClaudia Cecilia 06-06-2010 06:24
Hola soy Claudia Cecilia me parece muy completa la información sobre Ácidos Nuecleicos que nos brinda la página, yo entré sólo para sacarme de una duda hacerca de las propiedades de ésta macromolécula, de esta manera me quedé revisando el contenido y está casi completo sólo falta profundizar en algunas definiciones.
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