Unidad 1.3 Neurofisiología | Instituto Superior d

NEUROFISIOLOGÍA

UNIDAD 1

Subunidad 1.3

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EVOLUCIÓN Y GENÉTICA

1.3

INTRODUCCIÓN Y ASPECTOS GENERALES

A modo de introducción general al planteamiento de la biología molecular y la ingeniería genética en esta unidad, se comenzará describiendo de modo sucinto los tres aspectos que mejor ponen de manifiesto el papel de los ácidos nucleicos en la célula y en especial del DNA como portador de la información genética: por un lado, la descripción global de las rutas de transmisión de la información genética; en segundo lugar, los antecedentes experimentales que demostraron el importante papel de los ácidos nucleicos; finalmente, las características generales del genoma de eucariotas, como punto de partida para el estudio posterior en profundidad de los conceptos teóricos, las tecnologías y las aplicaciones de esta materia en las ciencias de la salud.

Francis Crick introdujo el término ‘‘dogma central de la genética molecular’’ para describir, incluso antes de conocerse por completo su relevancia en los seres vivos, el flujo de la información genética y la utilización de dicha información en las células. En concreto, la transmisión de la información contenida en la secuencia del DNA ( ácido desoxirribonucleico, cuyas siglas en castellano son ADN; sin embargo, son muy utilizadas las siglas en inglés (DNA ) a las células y organismos descendientes mediante la replicación, y su expresión en biomoléculas funcionales mediante los procesos de transcripción y traducción. Esta descripción comprende, pues, el conjunto de relaciones generales existentes entre el DNA, el RNA y las proteínas.

El ácido desoxirribonucleico, abreviado como DNA (siglas en inglés) o ADN (siglas en español), es un ácido nucleico que contiene las instrucciones genéticas usadas en el desarrollo y funcionamiento de todos los organismos vivos y algunos virus; 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.

Debe evitarse la posible interpretación errónea de la representación abreviada de este ‘‘dogma’’, DNA - RNA - proteína, que no indica la transformación de una molécula en otra, tal como se utiliza normalmente en las rutas metabólicas, sino que cada elemento en este esquema aporta la información necesaria para la síntesis del siguiente. En este sentido, es importante el concepto de plantilla o molde molecular: aunque cada paso está catalizado por una enzima, los sustratos (nucleótidos, aminoácidos) no son seleccionados por dicha enzima, sino que vienen especificados por la intervención del molde, en concreto por su secuencia de nucleótidos.

El progreso en el conocimiento de los procesos de transmisión de la información genética obligó a la ampliación de este esquema básico original para acomodar otros procesos que también ocurren, al menos en algunos organismos particulares, como es el caso de algunos virus:

Debe resaltarse también el papel esencial de los productos finales (proteínas y algunos RNA) como componentes estructurales de todas las células y como responsables de la catálisis de las reacciones bioquímicas que conducen a la formación de las biomoléculas.

EL DNA COMO MATERIAL GENÉTICO

El conocimiento de la estructura de los ácidos nucleicos se inicia en el siglo XIX con el aislamiento a partir de núcleos celulares de un compuesto denominado inicialmente nucleína, formado por una parte ácida (hoy, DNA) y una parte básica (proteína), así como con el estudio parcial de las propiedades de la nucleína y de su relación con la herencia celular. Sin embargo, la estructura sólo se conoció a mediados del siglo XX, tras demostrarse que el DNA era el componente cromosómico depositario de la información genética. Cabe destacar en este sentido, como antecedentes clave, los experimentos de Frederick Griffith, Oswald T. Avery, Colin MacLeod y Maclyn McCarty, en 1928 y 1944, y de Alfred D. Hershey y Martha Chase, en 1952, que constituyen sendos hitos en la identificación del DNA como material genético.

Tras estas aportaciones iniciales identificando el DNA como portador de la información genética, el verdadero inicio de la biología molecular moderna lo constituyó la propuesta de estructura en doble hélice para el DNA, formulada en 1953 por James D. Watson y Francis Crick. A partir de este momento, casi todo el esfuerzo realizado se centra en el estudio del DNA genómico, desde el punto de vista estructural y funcional, en procariotas y eucariotas, con una atención especial a mamíferos en general y humanos en particular. Los avances logrados, tanto teóricos como técnicos y aplicados, han sido enormes. A ello ha contribuido la aparición de la ingeniería genética, como principal área derivada de la biología molecular. Una vez concluido en 2003 el Proyecto Genoma Humano (genómica estructural) se inició el análisis de las funciones de cada gen (genómica funcional) y la disección de la estructura y función de las proteínas (proteómica). Como expresión de estos nuevos conocimientos ha surgido una gran variedad de campos de actividad en las ciencias de la salud (medicina, farmacia y veterinaria), tales como anticuerpos monoclonales, métodos inmunoquímicos, biochips para el diagnóstico, clonación molecular y clonación animal, farmacogenes, ingeniería de proteínas, proteínas recombinantes de interés diagnóstico y terapéutico, sondas de hibridación, terapia celular y terapia génica, transferencia de genes, vectores, virus, etc. Nuestro objetivo no es describir los aspectos concretos de estos campos, sino sólo poner de manifiesto las bases moleculares que les sirven de soporte, como punto de partida para un estudio detenido de cada campo en su correspondiente área de conocimiento. Con este fin se presentan en este primer capítulo las características generales del genoma de eucariotas.

CARACTERÍSTICAS GENERALES DEL GENOMA

Genoma de procariotas y eucariotas

Conceptualmente, el genoma (de la raíz griega gen, origen) puede ser considerado como el ‘‘patrimonio genético’’ de un organismo, es decir, el conjunto total de material genético hereditario presente en una célula. Debe incluirse en este concepto tanto el material genético existente en el núcleo como el que contienen mitocondrias y cloroplastos. Por otra parte, es más adecuada esta definición que la que se emplea en ocasiones, ‘‘conjunto de genes de un organismo’’ pues, como se estudiará más adelante, existe gran cantidad de material genético que no se expresa. La mayoría de organismos poseen un genoma constituido por DNA, pero algunos virus tienen un genoma de RNA. La parte codificante del genoma especifica, en forma de genes, la información necesaria para dar lugar a productos génicos, moléculas funcionales que son las proteínas y los RNA. Estos productos son responsables de toda la actividad celular, de sus características morfológicas y de muchas de las claves del comportamiento de un organismo, desde la embriogénesis a su crecimiento, maduración física e intelectual, estado adulto, reproducción, y todas sus funciones metabólicas y actividades fisiológicas. Con respecto al estudio del genoma, comenzaremos por resaltar las características diferenciales de procariotas y eucariotas:

Recuérdese que los procariotas (o procariontes) son organismos unicelulares (bacterias y arqueas) de tamaño pequeño (entre 0,2 y 5 mm de diámetro), con membrana plasmática rodeada generalmente por una pared celular rígida y con diversas estructuras superficiales (pili, flagelos, etc.), pero carecen de membrana nuclear, de orgánulos y de cualquier otro tipo de compartimentación interna. El genoma de procariotas es, comparativamente, de pequeño tamaño y relativamente sencillo. Se reduce a un único cromosoma formado por una molécula circular de DNA, localizada en suspensión en el citosol pero anclada a la membrana constituyendo la zona nuclear o nucleoide, sin membrana que la delimite. Es frecuente encontrar, además, una pequeña cantidad de material genético extra, no esencial, en forma de pequeñas moléculas circulares de DNA, llamadas plásmidos. Los plásmidos poseen la propiedad de replicación autónoma, es decir, sin coordinación alguna con la división celular. Desempeñan un papel importante, al codificar proteínas que confieren resistencia a los antibióticos u otros materiales tóxicos, y ofrecen una importante aplicación como herramientas en la tecnología del DNA recombinante, concretamente como vectores para la incorporación de DNA a células.

Las células de eucariotas (o eucariontes), tanto multicelulares (animales y plantas) como unicelulares y multicelulares simples (protozoos, hongos y algas), son más variadas y complejas. Son de mayor tamaño (entre 10 y 50 mm), poseen membrana plasmática, pueden poseer pared celular(plantas), tienen citoesqueleto interno, y muestran una gran compartimentación citoplasmática, con diferentes tipos de orgánulos subcelulares (mitocondrias en animales y plantas, cloroplastos en plantas, lisosomas en animales, etc.) y otras estructuras (retículo endoplásmico, complejo de Golgi, etc.). El núcleo tiene como característica esencial la presencia de una membrana nuclear doble. En el genoma de eucariotas debe distinguirse entre el genoma nuclear y el de orgánulos. El genoma nuclear aparece bajo dos formas estructuralmente diferentes a lo largo del ciclo celular: la cromatina como material filamentoso disperso por la mayor parte del núcleo en la interfase (entre divisiones), y los cromosomas, fácilmente observables como entidades morfológicas o corpúsculos independientes en los momentos previos a la división celular. Ambas formas están constituidas por las mismas moléculas lineales muy largas de DNA bicatenario, estrechamente asociado a proteínas. El genoma de orgánulos (cloroplastos y mitocondrias) está formado por cromosomas circulares, al igual que el de procariotas.

Las cifras relativas al número de genes han sufrido fuertes variaciones en los años recientes y aún son dispares dependiendo de la fuente que se consulte. Ello se debe a que no es sencillo definir qué región del DNA genómico es o no un gen, e incluso identificar con certeza sus puntos de comienzo y de fin, los que definen un ‘‘marco de lectura abierto’’; las técnicas de detección e identificación de genes en la secuencia del genoma continúan evolucionando. Como ejemplos de situaciones que hacen difícil esta precisión pueden mencionarse la existencia de copias de genes que no son funcionales (pseudogenes); el tamaño mucho menor de las regiones codificantes (exones) en la mayoría de genes frente a las no codificantes; la posibilidad de expresión en formas alternativas de algunos genes, dando lugar a diferentes productos (ayuste alternativo); los genes que codifican RNA funcionales son cortos y carecen de marco de lectura, etc. Todo ello complica la definición e identificación inequívocas de un segmento del genoma como un gen. Igualmente varían las cantidades derivadas, como la fracción del genoma constituida por regiones codificantes. Lo importante es, en todo caso, transmitir una idea de las cifras aproximadas, los diferentes tipos de secuencia implicados y las diferencias entre el genoma nuclear de los eucariotas y los genomas de orgánulos y de procariotas.

MAGNITUD DEL GENOMA NUCLEAR DE EUCARIOTAS

El material genético contenido en el núcleo supone generalmente más del 90% del total de DNA celular. El primer aspecto a destacar es su magnitud con respecto al genoma mitocondrial y al de procariotas. Además, a diferencia de éstos, el genoma nuclear está repartido en varios cromosomas, en número diferente según la especie, generalmente muy grandes y con el DNA muy condensado al estar estrechamente asociado con histonas y otras proteínas. La magnitud del genoma nuclear viene determinada por la cantidad total de DNA en el conjunto de cromosomas de una célula. Ésta se puede expresar de varias formas:

• En número de cromosomas, designado por n en organismos haploides y 2n en diploides, en los que hay 2 copias de cada cromosoma.

• En masa de DNA (pg = picogramos).

• Como valor C, notación que expresa la cantidad de DNA total en el genoma de una célula con respecto a la presente en una célula haploide de la misma especie. Como se verá, en células diploides el valor puede ser de 2C o 4C, dependiendo del estadio del ciclo celular.

• Lo más habitual es expresarlo en longitud: pb = pares de bases en bicatenario, o nt = nucleótidos en monocatenario. Para moléculas largas se emplean kilobases (kb o kpb = 103 pb) o megabases (Mb o Mpb = 106 pb).

Procede, por otra parte, analizar la magnitud del genoma de forma comparativa tanto entre individuos de una misma especie como entre especies diferentes:

a) Todas las células de los individuos de una misma especie poseen la misma cantidad total de DNA y número de cromosomas. De esta generalización deben exceptuarse las células germinales, dedicadas a la reproducción del individuo, que poseen la mitad. En todos los casos, estas cifras se refieren a células en un mismo estado de división celular (normalmente la interfase) pues, la cantidad total de DNA, aunque no el número de cromosomas, varía en una célula a lo largo del ciclo celular.

b) El contenido total de DNA, expresado en pg o en n.0 de pb, y el número de cromosomas varían ampliamente entre especies diferentes. A menudo se ha asumido que el tamaño del genoma pueda estar relacionado con el grado de complejidad del organismo, o su posición en la escala evolutiva, pero hoy en día está claro que esto no es así. Solamente al comparar virus, procariotas y eucariotas se aprecia una diferencia significativa en la magnitud del genoma. Dentro de los eucariotas, el tamaño del genoma varía ampliamente pero de forma independiente de la posición en la escala evolutiva o de lo que pudiera, bajo un punto de vista antropocéntrico, entenderse como complejidad de la especie. Así, por ejemplo, la célula humana contiene 700 veces más DNA que la de E. coli, pero 300 veces menos que las células de algunas salamandras y plantas angiospermas, e incluso menos que algunos protozoos (eucariotas unicelulares).

Por otro lado, no existe correlación alguna entre el tamaño del genoma de una especie y el número de cromosomas que lo componen. Por ejemplo, mientras que el genoma humano diploide (6,4 109 pb) está repartido en 46 cromosomas (23 pares, n = 23), las células de ratón, con un genoma menor (3 109 pb), poseen menor número de cromosomas (40), mientras que en las células de cebolla un genoma 2 veces mayor que el humano (1,5 1010 pb) está contenido en sólo 16 cromosomas. De forma similar, la mosca de la fruta, con un genoma (1,7 108 pb) mucho mayor que el de la levadura (1,6 107 pb), posee un número muy inferior de cromosomas (8 frente a 32).

Esta ausencia de correlación entre cantidad de material genético y complejidad del organismo es una de las pautas para sugerir que el tamaño de los genomas de organismos superiores es muy superior al necesario y, por tanto, que una gran parte es no codificante, es decir, no está organizado en genes, nunca traduce su información a un producto génico (RNA o proteína). De todos modos, se debe ser cauto al considerar una categorización de los organismos de acuerdo a su complejidad, pues es muy discutible que un ser humano sea más complejo que, digamos, un gusano. En cualquier caso, la hipótesis de una importante fracción no codificante en el genoma se ha confirmado. Por ejemplo, se ha encontrado que los genes tienen una longitud media de alrededor de 1.000 pb. Asumiendo esta cifra, el genoma humano haploide podría contener unos 3,2 millones de genes y, sin embargo, se estima hoy en día que sólo contiene unos 25.000, de modo que la fracción codificante sólo alcanza alrededor del 1% del DNA total.

Aunque la función de los genes está bien establecida para una pequeña fracción del total presente en el genoma humano, la diversidad en la cantidad total de DNA en los genomas puso de manifiesto la necesidad de estudiar con mayor precisión la organización estructural de genes y genomas a nivel molecular. Las características más relevantes del genoma nuclear son la presencia de grandes regiones que no codifican producto génico alguno (DNA no codificante) y la existencia de secuencias de DNA que se repiten un número más o menos elevado de veces (DNA repetitivo). Como se estudiará con detenimiento posteriormente, hay que unir a ello la existencia de una enorme diversidad en la secuencia en distintas regiones del DNA, tanto sencillas como repetitivas, codificantes o no.

Magnitud y características del genoma mitocondrial El genoma de orgánulos (mitocondrias en animales, mitocondrias y cloroplastos en plantas) es, posiblemente, un vestigio del cromosoma de bacterias arcaicas que accedieron al citoplasma de eucariotas primitivos, para dar lugar tras la evolución a dichos orgánulos (hipótesis endosimbionte). Se cree que la mitocondria (orgánulo que aporta casi toda la energía que necesitan las células) surgió al acumularse el oxígeno en la atmósfera terrestre. Posiblemente, la mitocondria y el núcleo de la célula eucariótica se formaron en paralelo, al incorporarse por endocitosis células procariotas aeróbicas al interior de la célula eucariótica anaeróbica y fusionarse ambas. Con el tiempo, la mayoría de los genes procarióticos (genes protomitocondriales) se integraron en el genoma nuclear, con lo que el eucariota primitivo anaeróbico ya podía vivir en una atmósfera rica en oxígeno; sólo una pequeña fracción del genoma procariótico primigenio permaneció en la mitocondria.

Las células animales poseen un número muy variable de mitocondrias, dependiendo de la especie y del tejido. Cada mitocondria posee varias copias de un único cromosoma (habitualmente menos de una decena), situadas en la matriz mitocondrial y ancladas a la membrana interna. En consecuencia, el número de copias de DNA mitocondrial (mtDNA) en una célula oscila entre 200 y 2.000 (algunas referencias hablan de hasta 100.000 en casos puntuales). El cromosoma mitocondrial es bicatenario y circular, como el de procariotas, aunque de tamaño muy inferior: 16.569 pb en humanos, con una longitud de 5 mm y una masa molecular de 10 MDa; esto supone una longitud 3.000 veces inferior a la del cromosoma nuclear más pequeño. Teniendo en cuenta el número de copias totales (2 del genoma nuclear frente a múltiples, y muy variables, del mitocondrial), se puede calcular que el DNA mitocondrial total supone, dependiendo del tejido, entre un 0,05 y un 0,5% del DNA total de la célula (quizás hasta el 20% en los casos extremos mencionados). Finalmente, la situación es similar para el cromosoma de cloroplastos, que es igualmente bicatenario y circular, pero de mayor tamaño que el mitocondrial.

A diferencia del DNA nuclear, con abundantes repeticiones y regiones no codificantes, el mt DNA es en su casi totalidad no repetitivo y codificante. En concreto, el cromosoma mitocondrial humano contiene un total de 37 genes que suponen el 93% del DNA. Entre ellos se cuentan 2 genes para RNA ribosómico, 22 para RNA transferente y 13 para proteínas; éstas forman parte de los complejos enzimáticos respiratorios I, III, IV y V, pero suponen sólo el 5% de las proteínas mitocondriales, estando el resto codificadas por DNA nuclear.

Nucleótidos y ácidos nucleicos

Los ácidos nucleicos (DNA y RNA) son las moléculas encargadas del almacenamiento, transmisión y expresión de la información genética. A lo largo del presente capítulo se analiza la estructura y composición química de sus constituyentes, los nucleótidos, así como otras funciones que éstos pueden desempeñar. Es muy importante comprender la naturaleza química de los ácidos nucleicos para relacionar su estructura con su función en la célula. De igual forma, el estudio del nucleótido ATP como moneda de intercambio energético de la célula resulta imprescindible para la comprensión del metabolismo celular.

El conocimiento de la estructura y función de los ácidos nucleicos permite comprender el flujo de la información genética.

INTRODUCCIÓN

Los nucleótidos participan en multitud de funciones celulares. Colaboran en funciones de oxidorreducción, transferencia de energía, señales intracelulares y reacciones de biosíntesis. Además, son los constituyentes de los ácidos nucleicos: ácido desoxirribonucleico (DNA) y ácido ribonucleico (RNA), las principales moléculas participantes en el almacenamiento y la descodificación de la información genética.

Los nucleótidos y los ácidos nucleicos también desempeñan papeles estructurales y catalíticos en la célula. Ningún otro tipo de biomolécula participa en funciones tan variadas o en tantas funciones esenciales para la vida.

Las funciones del DNA son el almacenamiento y la transmisión de la información biológica. En el DNA se encuentran especificadas las secuencias de aminoácidos de todas las proteínas y las secuencias de nucleótidos de todas las moléculas de RNA.

Un segmento de DNA que contiene la información necesaria para la síntesis de un producto biológico funcional (proteína o RNA) se denomina gen. Las células tienen miles de genes, lo que explica que las moléculas de DNA sean muy grandes.

En la célula existen diversas clases de RNA, tres de ellos fundamentales: los RNA ribosómicos (rRNA), que son componentes de los ribosomas; los RNA mensajeros (mRNA), que actúan como transportadores de la información desde un gen hasta el ribosoma, donde se sintetizan las proteínas; y los RNA de transferencia (tRNA), que traducen la información genética contenida en el mRNA a secuencias específicas de aminoácidos. Además, existen diversas moléculas de RNA que desempeñan funciones específicas que se detallarán en esta unidad.

LOS NUCLEÓTIDOS.

Los nucleótidos desempeñan numerosas funciones en el metabolismo:

Actúan como transmisores de energía (ATP).
Actúan como señales químicas en los sistemas celulares en respuesta a las hormonas y otros estímulos extracelulares (AMPc).
Son componentes de una serie de coenzimas e intermediarios metabólicos
(NAD⁺, FAD, NADP⁺).
Son los constituyentes de los ácidos nucleicos (DNA Y RNA).

Nucleósidos y nucleótidos.

Composición química y estructura.

Los nucleótidos están constituidos por tres componentes característicos: una base nitrogenada, una pentosa y al menos un grupo fosfato.

Las bases nitrogenadas son moléculas planas, aromáticas, heterocíclicas, que derivan de la pruina o de la pirimidina. Las bases púricas más comunes son la adenina (A) y la guanina (G). Ambas aparecen tanto en el DNA como en el RNA. Las bases pirimidínicas principales son la citosina (C), el uracilo (U) y la timina (T) (fig. 1). La citosina se encuentra en ambos tipos de ácidos nucleicos, pero la tiamina solo aparece en el DNA y el uracilo únicamente en el RNA.

Fig. 1 Bases púricas y pirimidínicas de los ácidos nucleicos. Las bases nitrogenadas que forman parte del DNA y el RNA se forman a partir de la pirimidina. Se resaltan las modificaciones particulares de cada base.

Las bases se unen a una pentosa (mediante el N-1 en las pirimidinas y el N-9 en las purinas), a través de un enlace N-β-glucosídico con el C´-1 de la pentosa. A los átomos de las pentosas de los nucleótidos se les añade el signo prima (´) para distinguirlos de los átomos de las bases nitrogenadas. En los ribonucleótidos, la pentosa es la ᴅ-ribosa, mientras que en los desoxirribonucleótidos (desoxinucleótidos) el azúcar es la 2´-desoxi- ᴅ-ribosa.

Ambos tipos de pentosas se encuentran en forma β. El compuesto resultante de la unión de una base más la pentosa es un nucleósido (Fig. 2).

El grupo fosfato se une en la posición 5´ de la pentosa normalmente, aunque también puede aparecer en otras posiciones (2´,3´). La base más la pentosa más el fosfato constituyen el nucleótido (véase Fig. 2).

Figura 2. Nucléosidos y nucléotidos. En la figura se ilustra con dos ejemplos los procesos de formación de un nucléosido (base nitrogenada + azúcar) mediante un enlace N-glucosídico y de un nucleótido (base nitrogenada + azúcar + grupo fosfato) mediante un enlace éster fosfórico.

En la figura 3 se muestran las estructuras y los nombres de los cuatro desoxirribonucleótidos principales (desoxirribonucleósidos 5´-monofosfato), que forman parte del DNA, y los cuatro ribonucleótidos principales (ribonucleósidos 5´-monofosfato), que forman parte de RNA.

CONCEPTOS CLAVE

→Los nucleótidos desempeñan funciones muy variadas en la célula: transferencia de energía, señales intracelulares, reacciones de oxidación, reducción, biosíntesis, etc.

→Los nucleótidos son los constituyentes de los ácidos nucleicos: DNA (ácido desoxirribonucleico) y RNA (ácido ribonucleico).

→Un gen es un segmento de DNA que contiene la información necesaria para la síntesis de una proteína o un RNA.

→Las bases de los nucleótidos del DNA son de dos tipos: purinas (adenina y guanina) o pirimidinas (citosina y timina). El RNA contiene la pirimidina uracilo en lugar de timina.

Aunque la mayoría de los nucleótidos contienen las bases nitrogenadas A, C, G, T y U, el DNA y el RNA contienen también otras bases secundarias (fig. 4). En el DNA, las más comunes son las formas metiladas de las bases principales. En el RNA, y en especial en el tRNA, también se encuentran distintos tipos de bases secundarias. En el recuadro A se analiza el papel de algunos análogos de bases o de nucleótidos como agentes terapéuticos.

En las células también aparecen nucleótidos con grupo fosfato en posiciones diferentes del carbono 5´, como los ribonucleósidos 2´,3´-monofosfato cíclicos y los ribonucleósidos 3´-monofosfato, queson productos finales de la hidrólisis del RNA. Otros ejemplos son la adenosina-3´,5´-monofosfato cíclico (AMPc) y la guanosina-3´,5´-monofosfato cíclico (GMPc) (fig. 5-5). Al final del capítulo se comenta la estructura y función del AMPc.

Figura 3. Ribonucleótidos y desoxirribonucleótidos de los ácidos nucleicos. Los nucleótidos que forman parte de los ácidos nucleicos se encuentran en forma monofosfato, situándose el grupo fosfato en posición 5’. La parte nucleosídica de cada molécula aparece sombreada.

Figura 4. Algunas bases púricas y pirimidínicas secundarias. (a) Bases poco abundantes en el DNA. La 5-metilcitidina está presente en el DNA de los animales y plantas superiores, y la N 6-metiladenosina en el DNA bacteriano. (b) Bases poco abundantes presentes en los tRNA. La inosina contiene la base hipoxantina. La modificación con respecto al nucleótido original aparece en color.

Los nucleótidos de los ácidos nucleicos están unidos por enlaces fosfodiéster

Los nucleótidos pueden unirse unos a otros para formar el DNA o el RNA. La unión se realiza mediante «puentes» de grupos fosfato, en los cuales el grupo –OH en la posición 5´de un nucleótido está unido al grupo –OH del siguiente mediante un enlace fosfodiéster (Fig. 6). De esta forma, los esqueletos de los ácidos nucleicos consisten en residuos de fosfato y pentosa, quedando las bases nitrogenadas como grupos laterales unidos al esqueleto.

Todos los enlaces fosfodiéster tienen la misma orientación a lo largo de la cadena, con lo cual cada cadena lineal de ácido nucleico tiene una polaridad específica y extremos 5´y 3´diferenciados. El residuo terminal cuyo C-5´no está unido a otro nucleótido se conoce como extremo 5´, mientras que el residuo terminal cuyo C-3´ no está unido a otros nucleótidos se llama extremo 3´. Por convención, la secuencia de residuos nucleotídicos en un ácido nucleico se escribe, de izquierda a derecha, desde el extremo 5´hasta el 3´.

Un ácido nucleico de cadena corta se denomina oligonucleótido (ganeralmenta hasta 50 nucleótidos). Los ácidos nucleicos de mayor longitud se denominan polinucleótidos.

Figura 5 Estructura del AMPc y el GMPc, dos nucléotidos reguladores

Figura 6 Formación de enlaces fosfodiéster en el DNA y el RNA. Los enlaces fosfodiéster unen, los sucesivos nucleótidos. El extremo 5´ carece de nucléotido en la posición 5 yel extremo 3´ carece de nucleótido en la posición 3´.

ESTRUCTURA Y FUNCIÓN DEL DNA

El descubrimiento del material genético

La investigación de la bioquímica del DNA comenzó con Friedrich Miescher, un biólogo suizo, que realizó en 1868 los primeros estudios químicos sistemáticos de los núcleos celulares y aisló una sustancia que contenía fósforo, a la que denominó nucleína, a partir de los núcleos de las células de la pus (leucocitos) obtenida de vendajes quirúrgicos de desecho. Miescher demostró que dicha nucleína consistía en una porción ácida, que hoy se conoce como DNA, y una porción básica en la que se encuentra la proteína. Más tarde descubrió una sustancia similar en la cabeza del espermatozoide del salmón y logró purificar parcialmente los ácidos nucleicos y estudiar algunas de sus propiedades.

En 1928, el microbiólogo Frederick Griffith, de nacionalidad inglesa, estudió las bases de la patogenicidad de la bacteria Diplococcus pneumoniae, que causa neumonía. Observó que las células de cepas patógenas, llamadas S, estaban rodeadas de una cápsula formada por una cubierta delgada de polisacáridos, y que las cepas mutantes, que carecen de cápsula (R), no eran patógenas. Los descubrimientos de Griffith fueron sorprendentes: observó que si la cepa bacteriana R se mezcla con células S muertas por calor, y después se inyectan a ratones, éstos se infectan y mueren, pero ni las cepas S muertas por calor, ni las cepas R vivas fueron capaces de infectar cuando se inyectaron de forma separada. Además, pudo aislar células S vivas, encapsuladas, a partir de la sangre de ratones muertos. Dedujo entonces que las células S muertas por calor tenían algo que transformaba a las células R vivas en células S. Al factor causante de la transformación lo denominó «principio transformante», pero no pudo identificarlo (Fig. 7)

Figura 7 Experimento de Griffith con Diplococcus pneumoniae. Este experimento fue uno de los primeros que demostró la existencia en las bacterias de un "principio transformante" que provocaba la transformación de una cepa no patógena en otra virulenta.

Figura 8 Experimento de Avery, Macleod y McCarty. Este experimento permitió demostrar que el principio transformante en Diplococcus pneumoniae era el DNA y no las proteínas. Con ello demostraron que el ADN es la molécula portadora portadora de la información genética.

Es momento de tomar apuntes.

Te invitamos a ver el siguiente video y realizar una recapitulación de las investigaciones y los experimentos que durante la historia precedieron al descubrimiento del material genético.

Toma nota de los aspectos más relevantes y correlaciónalos con la información hasta ahora aportada, porque más adelante, utilizaremos esta información para las actividades de aprendizaje.

En 1944, Oswald Avery, Colin Macleod y Maclyn McCarty prepararon extractos libres de células de las bacterias S, fraccionaron los extractos en varios componentes y probaron su capacidad para transformar células R en células S in vitro. Encontraron que el principio transformante residía en el DNA. Una prueba decisiva para confirmar esto fue que la incubación del extracto con desoxirribonucleasa, una enzima que degrada específicamente el DNA, acabó con la actividad transformante, mientras que las enzimas proteolíticas tripsina y quimiotripsina, que degradan proteínas, no afectaron a esta actividad transformante (Fig. 8).

Estudios posteriores realizados con un bacteriófago que infecta a la bacteria Escherichia coli apoyaron los trabajos de Avery. En 1952, Martha Chase y Alfred D Hershey prepararon fagos T2 marcados con fósforo radiactivo (³²P), un constituyente del DNA pero no de las proteínas, y azufre radiactivo (³⁵S), un constituyente de las proteínas pero no del DNA (Fig. 9). Demostraron que, cuando el bacteriófago infecta a su célula huésped (E. coli), es el DNA de la partícula vírica, que contiene fósforo, y no la proteína de la cápsida del virus, que contiene azufre, el componente que penetra en la célula huésped y aporta la información genética para la replicación del virus. Estos experimentos y muchos otros han demostrado que el DNA es el único componente cromosómico que contiene la información genética en las células vivas.

Figura 9 El experimento de Hershey-Chase. Se prepararon dos muestras del bacteriógrafo T2 marcadas isotópicamente. Una marcada con 32p en los grupos de fosfato del DNA y la otra con 35S en los residuos de aminoácidos que contienen azúfre de las proteínas de la cápsida. Posteriormente se infectaron por separado suspensiones de bacterias no marcadas. Una vez realizada la infección, se separaron las cápsidas víricas y las bacterias. Las células infectadas por el fago marcado con 32P contenían radioactividad: el DNA vírico marcado había penetrado en las células y las cápsidas víricas vacías no contenían rasdioactividad. Las células infectadas con el fago marcado con 35S no contenían radioactividad, mientras que las cápsidas vacías sí. Después de la eliminación de las cubiertas del virus se observó la formación de nuevos virus en ambas suspensiones: el mensaje genético para la replicación de los virus había sido introducido por el DNA de los virus y no por su proteína.

Las moléculas de DNA tienen diferente composición de bases

En el descubrimiento de la estructura del DNA resultó de gran importancia el trabajo de Erwin Chargaff y sus colaboradores a finales de la década de 1940.

Encontraron que las cantidades de las cuatro bases de los nucleótidos del DNA variaban según el organismo y que las cantidades relativas de ciertas bases estaban muy relacionadas. La proporción cuantitativa de las bases en una macromolécula se adapta en ocasiones a las denominadas reglas de Chargaff.

Éstas fueron confirmadas por muchos investigadores y sirvieron como pauta para el establecimiento de la estructura tridimensional del DNA y cómo se transmite de una generación a la siguiente. Tales reglas son las siguientes:

La composición de las bases del DNA generalmente varía de una especie a otra.
Las muestras de DNA aisladas de los diferentes tejidos de la misma especie se componen de las mismas bases.
La composición de bases del DNA de una determinada especie no varía con la edad del organismo, ni con su estado nutricional, ni con las variaciones ambientales.
En todos los DNA de diferentes especies, el número de los residuos de adenina es igual al de los residuos de timina (A = T), y el número de residuos de guanina es igual al número de residuos de citosina (G = C). A partir de esta proporción es posible considerar que la suma de los residuos de purinas es igual a la suma de los residuos de pirimidinas, esto es:

A + G = T + C.

El DNA es una doble hélice

La determinación de la estructura del DNA por parte de James Watson y Francis Crick en 1953 marcó el nacimiento de la biología molecular moderna.

La estructura de Watson y Crick del DNA permitió la determinación del mecanismo molecular de la herencia.

Rosalind Franklin y Maurice Wilkins utilizaron la difracción de rayos X para analizar fibras de DNA. A principios de la década de 1950 demostraron que el DNA produce un diagrama de difracción de rayos X característico. El análisis de lso diagramas permitió deducir que las moléculas del DNA son helicoidales y que sus bases aromáticas planas forman un apilamiento paralelo al eje de la fibra. El reto que se planteaba era la construcción de un modelo tridimensional de la molécula de DNA que explicara los datos de difracción de rayos X, así como las equivalencias entre bases descubiertas por Chargaff, junto con otras propiedades químicas del DNA.

Con todos los datos disponibles, en 1953 Watson y Crick postularon un modelo tridimensional para el DNA.

El modelo de Watson y Crick tiene las siguientes características principales:

Existen dos cadenas de polinucleótidos enrolladas alrededor de un eje común, formando una doble hélice.
Las dos cadenas del DNA son antiparalelas (es decir, transcurren en direcciones opuestas), pero cada una forma una hélice dextrógira (la diferencia entre una hélice dextrógira y una levógira se muestra en la figura 10).
Las bases ocupan el centro de la hélice y las cadenas de azúcares y fosfatos se sitúan en el exterior. Esto minimiza las repulsiones entre los grupos fosfato cargados. La superficie de la doble hélice contiene dos hendiduras de ancho desigual: los surcos mayor y menor (Fig. 11a).
Cada base está unida por puentes de hidrógeno a una base de la hebra opuesta, para formar un par de bases plano. Cada residuo de adenina debe formar pareja con un residuo de timina y viceversa, y cada residuo de guanina debe aparearse con un residuo de citosina y viceversa (Fig. 11b). Estas interacciones por puentes de hidrógeno, conocidas como apareamiento de bases complementarias, dan como resultado la asociación específica de las dos cadenas de la doble hélice.

La doble hélice del DNA se mantiene unida por dos tipos de fuerzas: los enlaces de hidrógeno entre los pares de bases complementarias y las interacciones de apilamiento de las bases. Entre G y C se pueden formar tres enlaces de hidrógeno, mientras que solamente se pueden establecer dos entre A y T. Esta es una de las razones de la dificultad para separar las hebras apareadas del DNA: cuanto mayor sea la relación de pares de bases G≡C con respecto a las A=T, más difícil será su separación. La complementariedad de las hebras del DNA se debe a los enlaces de hidrógeno que se establecen entre los pares de bases.

Un gran número de resultados experimentales apoyan las principales características del modelo de Watson y Crick para el DNA. Además, a partir del propio modelo, se sugirió de inmediato un mecanismo para la transmisión de la información genética. La complementariedad de las dos hebras del DNA permitió deducir, antes de disponer de pruebas experimentales, que la replicación de la estructura podía tener lugar a través de la separación de las dos hebras y la síntesis de hebras complementarias de cada una de ellas. Cada hebra hace de molde para dirigir la síntesis de la hebra complementaria. Estas hipótesis se confirmaron experimentalmente.

Figura 10 Hélice levógira y hélice dextrógira. En cada caso, mientras el pulgar apunta hacia donde la hélice avanza, los demás demos se curvan en la dirección de giro de la hélice. Esto se mantiene cuando las hélices se colocan al revé