ANÁLISIS CIENTÍFICO

Actualmente es muy común escuchar pláticas donde está involucrado el ADN, pero ¿Qué es el ADN y para qué sirve?. El ácido desoxirribonucleico (ADN) es el material genético de todas las células. Los cromosomas están formados por ADN, segmentos de éste son las unidades de la herencia, llamadas genes. Los genes controlan el desarrollo de las características tales como, color de piel, ojos y pelo, y además las actividades celulares.

Cuando un organismo se reproduce pasa una copia de sus genes de ADN a la progenie. La exactitud del proceso de la replicación del ADN es asombrosamente alta ya que existen muchos mecanismos que evitan errores en el proceso, sin embargo los accidentes fortuitos durante la replicación originan mutaciones que a veces se mantienen entre las poblaciones dando origen a la diversidad genética .

 
 
INTRODUCCIÓN
 

 

Hace aproximadamente 90 años nadie sabía que el ácido desoxirribonucleico (ADN) es la molécula que contiene la información del diseño de todas las formas de vida en la Tierra. Ahora se sabe que el ADN dirige la vida de todas las células y le confiere a cada una sus características especiales. El ADN también se replica para transmitir información con precisión de una generación a la siguiente. El descubrimiento de qué es el ADN, cómo se replica, cuál es su papel en la síntesis de proteínas y cómo controla las características hereditarias fue uno de los logros más importantes del siglo XX.

El descubrimiento de la estructura del ADN y su función no fue una tarea fácil, se realizaron docenas de experimentos a lo largo de varias décadas.

 

 

HISTORIA DEL ADN

 

 

El ADN fue aislado por vez primera durante el invierno de 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. Lo llamó "nucleína", debido a que lo había extraído a partir de núcleos celulares. 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, un azúcar y un fosfato. Levene sugirió que el ADN formaba una estructura con forma de solenoide con unidades de nucleótidos unidos a través de los grupos fosfato. En 1930 Levene y su maestro Albrecht Kossel probaron que la nucleína descubierta por Miescher es un ácido desoxirribonucleico (ADN) formado por cuatro bases nitrogenadas [citosina (C), timina (T), adenina (A) y guanina (G)], azúcares desoxirribosas y grupos fosfato. 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. (http://es.wikipedia.org/wiki/%C3%81cido_desoxirribonucleico#Historia). 

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 trabajó 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. La inyección de neumococos S vivos en ratones produce la muerte de éstos, y Griffith observó que si inyectaba ratones con neumococos R vivos o con neumococos S muertos por calor, los ratones no morían. Sin embargo, si inyectaba a la vez neumococos R vivos y neumococos S muertos, los ratones morían, y en su sangre se podían aislar neumococos S vivos.

 

 

Experimento de Griffith descubriendo el "principio de transformación" en la bacteria neumococo.
 
 

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".

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. 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.

Rosalind Elsie Franklin (1920 – 1958), química y cristalógrafa inglesa hizo importantes contribuciones en la comprensión de la estructura fina del ADN, los virus, el carbón y el grafito.

En cuanto a la caracterización química de la molécula, en 1940 Chargaff realizó algunos experimentos que le sirvieron para establecer las proporciones de las bases nitrogenadas en el ADN. Descubrió que las proporciones de purinas eran idénticas a las de pirimidinas; la "equimolecularidad" de las bases ([A]=[T], [G]=[C]) y 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% al 70% del contenido total. Con 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.

 
 
 
 
Rosalind Franklin obtuvo una fotografía de difracción de rayos X que reveló, de manera inconfundible, la estructura helicoidal de la molécula del ADN.

Considerado como el logro médico más importante del siglo XX, el modelo de la doble hélice del ADN abrió el camino para la comprensión de la Biología molecular y las funciones genéticas; antecedentes que han permitido llegar al establecimiento, en estos días, de la secuencia "completa" del genoma humano. Rosalind Franklin obtuvo una fotografía de difracción de rayos X que reveló, de manera inconfundible, la estructura helicoidal de la molécula del ADN. Esa imagen, conocida hoy como la famosa fotografía 51, fue un respaldo experimental crucial para que el investigador estadounidense James Watson y el británico Francis Crick establecieran, en 1953, la célebre hipótesis de la "doble hélice" que es característica de la estructura molecular del ADN (ácido desoxirribonucleico). (http://www.prodiversitas.bioetica.org/rfranklin.htm)

 

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. De éstos, el artículo de Franklin y Raymond Gosling fue la primera publicación con datos de difracción de rayos X que apoyaba el modelo de Watson y Crick, y en dicho número de Nature también aparecía un artículo sobre la estructura del ADN de Maurice Wilkins y sus colaboradores. 

 
 Watson (23 años) y Crick (34 años) en el laboratorio Cavendish, Cambridge,  en Inglaterra  con el modelo estructural del ADN propuesto en  1953. (http://www.biologia.edu.ar/adn/adnestructura.htm)
 

En 1962, después de la muerte de Franklin, los científicos Watson, Crick y Wilkins recibieron conjuntamente el Premio Nobel en Fisiología o Medicina. Sin embargo, el debate continúa sobre quién debería recibir crédito por el descubrimiento.

 

 ESTRUCTURA DEL ADN
 
Un ácido nucleico consiste de una secuencia de subunidades unidas químicamente. Cada subunidad, contiene una base nitrogenada (anillo heterocíclico de átomos de carbono y nitrógeno), una azúcar pentosa (anillo de 5 carbonos) y un grupo fosfato:
 
 
Representación de una cadena de nucleótidos
 

 

CLASIFICACIÓN DE LAS BASES NITROGENADAS

 

Las pirimidinas que tienen un anillo de seis miembros

 

Estructura de las pirimidinas.

 
Las purinas que tienen un anillo de 5 miembros fusionado a uno de 6:
 

Estructura de las purinas

 

Cada ácido nucleico contiene 4 tipos de bases. Las mismas dos purinas, adenina (A) y guanina (G) están presentes en el ADN y en el ARN. Las dos pirimidinas, en el ADN son citosina (C) y timina (T), en el ARN, la timina se cambia por el uracilo (U). La única diferencia entre el uracilo y la timina es la presencia de un substituyente metil en la posición C5. De tal manera que en el ADN sólo existen A, G, C y T, mientras que en el ARN contiene A, G, C y U.

En los ácidos nucleicos, se encuentran dos tipos de pentosas. Esta característica diferencia al ADN del ARN y les da el nombre a los dos tipos de ácidos nucleicos:

 
 

 

Diferencias entre un ribonucleótido y un desoxirribonucleótido

 

En el ADN, la pentosa es la 2-desoxiribosa y en el ARN es la ribosa. La diferencia la hace la presencia o ausencia de un grupo hidroxilo en la posición 2C del anillo.

La base nitrogenada está unida a la posición 1C del anillo de la pentosa por medio de un enlace glucosídico a la posición N1 de las pirimidinas o a la N9 de las purinas. Para evitar ambigüedades entre la numeración de los heterociclos y el anillo del azúcar, las posiciones de la pentosa se numeran como primos (´).

Una base unida a una azúcar se denomina nucleósido, cuando se une un fosfato, la base-azúcar-fosfato se denomina nucleótido.

Los nucleótidos son los bloques de construcción a partir de los cuales se construyen los ácidos nucleicos. Los nucleótidos están unidos en una cadena polinucleotídica con un esqueleto que consiste de series alternadas de residuos de azúcar y fosfato. La posición 5´ de un anillo de pentosa está conectada a la posición 3´ de la siguiente pentosa vía un grupo fosfato .

Por lo tanto, se dice que el esqueleto de azúcar-fosfato consiste de un enlace fosfodiéster en posición 5´-3´. Las bases nitrogenadas están por fuera del esqueleto.

El nucleótido terminal en uno de los extremos de la cadena tiene el grupo 5´ libre; y al otro lado de la cadena tiene un grupo 3´ libre. Es una convención escribir las secuencias de ácidos nucleicos en la dirección 5´-3´, de tal forma que el extremo 5´ está a la izquierda y el 3´ a la derecha.

 

 

Estructura de la doble cadena del ADN en donde se puede notar que una cadena polinucleotida  va de 3' a 5' la otra lo hace de 5' a 3' (antiparalelas)(http://dnaprofile.com.mx/articulo_imagenes/image002.png)

 

Cuando el ADN  es roto en sus nucleótidos constituyentes, la ruptura puede llevarse a cabo en cualquiera de los lados de los enlaces fosfodiéster. Dependiendo de las circunstancias, los nucleótidos tienen su grupo fosfato unido a cualquiera de las posiciones 5´ ó 3´ de la pentosa:

 

 
Posibilidades del acomodo de los grupos fosfato en las ribosas de los nucleótidos.
 
Todos los nucleótidos pueden existir en una forma en la cual hay más de un grupo fosfato unido a la posición 5´ por ejemplo:
 

Diferentes estados de fosforilación de un nucleótido

 

Todos los enlaces (a, b y g) contienen energía, la cual se utiliza como fuente para múltiples actividades celulares. Los nucleótidos 5´trifosfatados son los precursores de la síntesis de los ácidos nucleicos.

Actualmente es muy importante el conocimiento del ADN pues permite conocer el genoma humano, éste favorece directamente el esclarecimiento de la identidad de personas relacionadas con crímenes, violaciones, niños robados y recuperados, así como establecer el diagnóstico molecular o tendencias de enfermedades como cirrosis, artritis reumatoide, síndrome hepatorrenal, por mencionar algunos. Al mismo tiempo nos permite entender fenómenos como las mutaciones, y aplicar estos conocimientos para la clonación y producción de organismos transgénicos.

 

 

REPLICACIÓN DEL ADN

 

 

Una vez que se comprobó que el ADN era el material hereditario y se descifró su estructura, lo que quedaba era determinar cómo el ADN copiaba su información para que cada célula hija reciba una copia de toda la información genética de la célula madre. Con esto queremos decir, que justo antes de la división celular, la célula parental debe sintetizar otra copia exacta de su ADN, proceso que se conoce como replicación del ADN.

 

Actualmente sabemos que la replicación del ADN se realiza de forma semiconservativa lo que significa que se originan dos moléculas de ADN, cada una de ellas compuesta de una hebra del ADN original y de una hebra complementaria nueva, es decir que en las hebras nuevas conservan la “mitad” de la hebra “madre” de ahí el término semiconservativa. Es decir que las hebras existentes sirven de molde complementario a las nuevas.

 

 

 

Esquema que muestra la replicación semiconservativa del ADN

 
 

La replicación del ADN, que ocurre una sola vez en cada generación celular, necesita de muchas enzimas, y una gran cantidad de energía en forma de ATP. La iniciación de la replicación siempre acontece en un cierto grupo de nucleótidos, el origen de la replicación, requiere entre otras de las enzimas helicasas para romper los puentes hidrógeno y desenrollar el ADN; las topoisomerasas para aliviar la tensión y de las proteínas de unión a cadena simple para mantener separadas las cadenas abiertas. (http://www.biologia.edu.ar/adn/adntema1.htm).

 
 

 

 
 
 

Una vez que se abre la molécula, se forma una área conocida como "burbuja de replicación" en ella se encuentran las "horquillas de replicación". Por acción de la  ADNpolimerasa los nuevos nucleótidos entran en la horquilla y se enlazan con el nucleótido correspondiente de la cadena de origen (A con T, C con G). Los procariotas abren una sola burbuja de replicación, mientras que los eucariotas múltiples. El ADN se replica en toda su longitud por confluencia de las "burbujas". (http://www.biologia.edu.ar/adn/adntema1.htm)

Dado que las cadenas del ADN son antiparalelas, y que la replicación procede sólo  en la dirección 5' a 3' en ambas cadenas, numerosos experimentos mostraron que una cadena forma una copia continua, mientras que en la otra se forman una serie de fragmentos cortos conocidos como fragmentos de Okazaki. La cadena que se sintetiza de manera continua se conoce como cadena adelantada y, la que se sintetiza en fragmentos, cadena atrasada. (http://www.biologia.edu.ar/adn/adntema1.htm)

Para que trabaje la ADNpolimerasa es necesario la presencia, en el inicio de cada nuevo fragmento, de pequeñas unidades de ARN conocidas como cebadores, a posteriori, cuando la polimerasa toca el extremo 5' de un cebador, se activan otras enzimas, que remueven los fragmentos de ARN, colocan nucleótidos de ADN en su lugar y, una ADNligasa los une a la cadena en crecimiento. (http://www.biologia.edu.ar/adn/adntema1.htm)

 

MUTACIÓN

 

En Biología, se entiende a las mutaciones como las alteraciones en la secuencia de nucleótidos del ADN. Las causas pueden ser las radiaciones ultravioleta, altas temperaturas, radiaciones ionizantes, compuestos químicos y a veces son causados por errores sucedidos durante la replicación y/o reparación del ADN. Implican desde un pequeño evento como la alteración de un solo par de bases nucleotídicas hasta la ganancia o pérdida de cromosomas enteros. Una consecuencia de las mutaciones puede ser una enfermedad genética (http://uvigen.fcien.edu.uy/utem/camgen/camgen.pdf).

Las mutaciones suponen la alteración del genotipo, o constitución genética del individuo, y en ocasiones también del fenotipo que son las características externas del individuo. Las mutaciones pueden afectar a uno (puntuales), unos pocos (pseudopuntuales) o a un gran número de nucleótidos de una secuencia de ADN (cromosómicas).

Tales mutaciones recurrentes alteran la secuencia de ADN sustituyendo una base nucleotídica por otra. Las sustituciones se clasifican en (1) transiciones, cuando se sustituye una purina por purina (A <--> G) o una pirimidina por pirimidina (C <--> T); (2) transversiones, cuando se sustituye una pirimidina por una purina o viceversa (T o C <--> G o A). Las transiciones son mucho más frecuentes que las transversiones, aparentemente porque provocan una menor desorganización del ADN y por ello son menos reconocidas como errores y en consecuencia con llevan una probabilidad menor de ser corregidas. Las mutaciones puntuales generan alelos nuevos (una nueva combinación de nucleótidos), pero no todas causan reemplazos aminoacídicos. Las sustituciones nucleotídicas que cambian un aminoácido por otro se denominan mutaciones no sinónimas. En otras ocasiones, la mutación altera la base situada en la tercera posición del codón pero no causa sustitución aminoacídica; en este caso se denomina mutaciones sinónimas (silenciosas). En algunos textos, la mutación silenciosa se refiere a aquellas presentes en sitios no codificantes del genoma (fragmento que no codifica); pero en estos casos quizás sería mejor llamarlas mutaciones neutras. (http://docencia.udea.edu.co/cen/mecanismos-evolucion/origen_var7.html)

 

MUTACIÓN GENÉTICA

 

Un cambio de una sola base puede crear un desorden genético devastador o una adaptación beneficiosa o puede tener ningún efecto.  La anemia de células falciformes es una enfermedad causada por el menor de los cambios genéticos.

 

Anemia falciforme

La anemia falciforme es una enfermedad hereditaria de los glóbulos rojos. Las personas con anemia falciforme tienen hemoglobina anormal, la proteína contenida en los glóbulos rojos que transporta el oxígeno hacia todo el organismo. La hemoglobina anormal hace que los glóbulos rojos adopten la forma de una letra C (como una hoz) y que se endurezcan.

 

 
 
 

Normalmente, los glóbulos rojos son redondos y flexibles y se desplazan fácilmente por los vasos sanguíneos. Los glóbulos rojos endurecidos se atascan en los vasos sanguíneos pequeños, interrumpiendo la irrigación sanguínea y causando dolor y, a veces, daños en los órganos. Los glóbulos rojos falciformes mueren y se descomponen más rápidamente que los glóbulos normales, lo cual produce anemia.

Los efectos de la anemia falciforme varían enormemente de una persona a otra. Algunas personas afectadas casi nunca se enferman, mientras que otras necesitan ser hospitalizadas con frecuencia. Algunos de los problemas más frecuentes observados en la anemia falciforme incluyen los siguientes:

  • Cantidad menor de glóbulos rojos.
  • Palidez.
  • Hipoxia (dificultad para respirar).
  • Fatiga crónica.
  • Hinchazón de extremidades. 

La mayor concentración del gen para la drepanocitosis se da en la población negra de África ecuatorial, donde hay grupos donde el gen afecta hasta a un 40% de la población, el cromosoma más común betas, fue encontrado en Benín (Nigeria) y África oeste central. También en Europa y Asia se presenta en países de la cuenca mediterránea, como Turquía, Grecia, Italia, España y Oriente Medio, así como en los países árabes e India oriental.  En  América se da  en los Estados Unidos (en personas de origen africano o afroamericano) y en el Caribe, América Central y del Sur (Brasil).

 

                                                  
 

TIPOS DE CAMBIOS EN EL ADN

 
 

El ADN de una célula puede ser alterada a través de la exposición ambiental a determinados productos químicos, la radiación ultravioleta, otros defectos genéticos, o incluso los errores que ocurren durante el proceso de replicación. Si se produce una mutación en una célula germinal en línea (que darán lugar a los gametos, es decir, óvulos o espermatozoides), a continuación, esta mutación puede pasar a un organismo hijo. Esto significa que cada célula en el embrión en desarrollo se lleva la mutación. A diferencia de las mutaciones de línea germinal, las mutaciones  somáticas se producen en células que se encuentran en otras partes de un organismo. Estas mutaciones se transmiten a las células hijas durante el proceso de la mitosis, pero no se transmiten a los hijos concebidos a través de la reproducción sexual.

Como se mencionó, la anemia falciforme es el resultado de un cambio de un solo nucleótido y representa sólo una clase de mutaciones llamadas mutaciones puntuales. Los cambios en la secuencia de ADN también pueden ocurrir en el nivel de los cromosomas, en el que se alteren los grandes segmentos de los cromosomas. En este caso, los fragmentos de cromosomas pueden ser suprimidos, duplicados, invertidos, trasladados, a diferentes cromosomas, o reordenados, dando lugar a cambios como la modificación de las dosis del gen, la ausencia completa de los genes, o la alteración de la secuencia genética. El tipo de variación que se produce cuando sectores enteros de los cromosomas se duplican o  se pierde, se llama la variación del número de copias (CNV), tiene implicaciones especialmente importantes para las enfermedades humanas y la evolución.
 
El siguiente cuadro se mencionan algunos tipos  de mutaciones puntuales.   
 

Clase de mutación
Tipo de mutación
Descripción
Enfermedades humanas relacionadas con la mutación
    Mutaciones puntuales
Sustitución
Una base es agregado de forma incorrecta durante la replicación y sustituye a la par en la posición correspondiente en la cadena complementaria.
La anemia falciforme
Inserción
Uno o más nucleótidos adicionales se insertan en la replicación  del ADN, resultando a menudo en un marco de lectura.
Una forma de beta-talasemia
Supresión
Uno o más nucleótidos es “omitido” durante la replicación o extirpa, a menudo resulta en un marco de lectura
La fibrosis quística

 
 

 

Mutaciones en el ADN
 

 

 

Autoras: Aguirre Carrasco María de los Ángeles, Jiménez López Xochiquétzal, Méndez Martínez Arabel, Pérez López Elvira Iveth, Valencia Martínez Olga Olivia, Vásquez Ruiz Juana

Asesora pedagógica y disciplinaria: López Valdez Luz Iris E.

Comments