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Ácido desoxirribonucleico
(Redirigido desde « Adn»)
«ADN» redirige aquí. Para otras acepciones, véase ADN (desambiguación).
«DNA» redirige aquí. Para otras acepciones, véase DNA (desambiguación).
Situación del ADN dentro de una célula eucariota.
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Animación de parte de una estructura de ADN de doble hélice
Elácido desoxirribonucleico, abreviado como ADN, es un ácido nucleicoquecontiene las instruccionesgenéticas usadas en el desarrolloy funcionamiento detodos losorganismos vivos conocidos y algunos virus, y es responsable de sutransmisión hereditaria. La función principal de la molécula de ADN es elalmacenamiento a largo plazo de información. Muchas veces, el ADN escomparado con un plano o una receta, o uncódigo, ya que contiene lasinstrucciones necesarias para construir otros componentes de lascélulas, como
las proteínas y las moléculas de ARN. Los segmentos de ADN que llevan estainformación genética son llamados genes, pero las otras secuencias de ADNtienen propósitos estructurales o toman parte en la regulación del uso de estainformación genética.
Desde el punto de vista químico, el ADN es un polímero de nucleótidos, es decir,un polinucleótido. Un polímero es un compuesto formado por muchas unidadessimples conectadas entre sí, como si fuera un largo tren formado por vagones. Enel ADN, cada vagón es un nucleótido, y cada nucleótido, a su vez, está formadopor un azúcar (la desoxirribosa), una base nitrogenada(que puede
ser adenina→ A, timina→T , citosina→C o guanina→G) y un grupo fosfato queactúa como enganche de cada vagón con el siguiente. Lo que distingue aun vagón (nucleótido) de otro es, entonces, la base nitrogenada, y por ello lasecuencia del ADN se especifica nombrando solo la secuencia de sus bases. Ladisposición secuencial de estas cuatro bases a lo largo de la cadena (elordenamiento de los cuatro tipos de vagones a lo largo de todo el tren) es la quecodifica la información genética: por ejemplo, una secuencia de ADN puede
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ser ATGCTAGATCGC... En los organismos vivos, el ADN se presenta como unadoble cadena de nucleótidos, en la que las dos hebras están unidas entre sí porunas conexiones denominadas puentes de hidrógeno.1
Para que la información que contiene el ADN pueda ser utilizada por la maquinaria
celular, debe copiarse en primer lugar en unos trenesde nucleótidos, más cortos ycon unas unidades diferentes, llamados ARN. Las moléculas de ARN se copianexactamente del ADN mediante un proceso denominado transcripción. Una vezprocesadas en el núcleo celular , las moléculas de ARN pueden saliral citoplasma para su utilización posterior. La información contenida en el ARN seinterpreta usando el código genético, que especifica la secuencia delos aminoácidos de las proteínas, según una correspondencia de un triplete denucleótidos (codón) para cada aminoácido. Esto es, la información genética(esencialmente: qué proteínas se van a producir en cada momento del ciclo devida de una célula) se halla codificada en las secuencias de nucleótidos del ADN y
debe traducirse para poder funcionar. Tal traducción se realiza usando el códigogenético a modo de diccionario. El diccionario "secuencia de nucleótido-secuenciade aminoácidos" permite el ensamblado de largas cadenas de aminoácidos (lasproteínas) en el citoplasma de la célula. Por ejemplo, en el caso de la secuenciade ADN indicada antes ( ATGCTAGCATCG...), la ARNpolimerasa utilizaría comomolde la cadena complementaria de dicha secuencia de ADN (que sería TAC-
GAT-CTA-GCG-...) para transcribir una molécula de ARNm que se leería AUG-
CUA-GAU-CGC-...; el ARNm resultante, utilizando el código genético, se traduciríacomo la secuencia de aminoácidos metionina-leucina-ácido aspártico-arginina-...
Las secuencias de ADN que constituyen la unidad fundamental, física y funcionalde la herencia se denominan genes. Cada gen contiene una parte quese transcribe a ARN y otra que se encarga de definir cuándo y dóndedeben expresarse. La información contenida en los genes (genética) se empleapara generar ARN yproteínas, que son los componentes básicos de las células,los "ladrillos" que se utilizan para la construcción de los orgánulos u organeloscelulares, entre otras funciones.
Dentro de las células, el ADN está organizado en estructurasllamadas cromosomas que, durante el ciclo celular , se duplicanantes de que la
célula se divida. Los organismos eucariotas (porejemplo, animales, plantas y hongos) almacenan la mayor parte de su ADN dentrodel núcleo celular y una mínima parte en elementoscelulares llamados mitocondrias, y en los plastos y los centros organizadoresde microtúbulos o centríolos, en caso de tenerlos; losorganismosprocariotas (bacterias y arqueas) lo almacenan en elcitoplasma de la célula y, porúltimo, los virus ADN lo hacen en el interior de la cápside de naturaleza proteica.
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Existen multitud de proteínas, como por ejemplo las histonas y los factores detranscripción, que se unen al ADN dotándolo de una estructura tridimensionaldeterminada y regulando su expresión. Los factores de transcripción reconocensecuencias reguladoras del ADN y especifican la pauta de transcripción de losgenes. El material genético completo de una dotación cromosómica se
denominagenoma y, con pequeñas variaciones, es característico de cadaespecie.
Índice
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1Historia de la genética
2Propiedades físicas y químicas
o 2.1Componentes
o 2.2Apareamiento de bases
2.2.1Otros tipos de pares de bases
o 2.3Estructura
2.3.1Estructuras en doble hélice
2.3.2Estructuras en cuádruplex
o 2.4Hendiduras mayor y menor
o 2.5Sentido y antisentido
o 2.6Superenrollamiento
3Modificaciones químicas
o 3.1Modificaciones de bases del ADN
o 3.2Daño del ADN
4Funciones biológicas
o 4.1Genes y genoma
4.1.1El ADN codificante
4.1.2El ADN no codificante
o 4.2Transcripción y traducción
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o 4.3Replicación del ADN
4.3.1Hipótesis sobre la duplicación del ADN
5Interacciones ADN-proteína
o 5.1Proteínas que unen ADN
5.1.1Interacciones inespecíficas
5.1.2Interacciones específicas
o 5.2Enzimas que modifican el ADN
5.2.1Nucleasas y ligasas
5.2.2Topoisomerasas y helicasas
5.2.3Polimerasas
6Recombinación genética
7Evolución del metabolismo de ADN
8Técnicas comunes
o 8.1Tecnología del ADN recombinante
o 8.2Secuenciación
o 8.3Reacción en cadena de la polimerasa (PCR)
o 8.4Southern blot
o 8.5Chips de ADN
9Aplicaciones
o 9.1Ingeniería genética
o 9.2Medicina forense
o 9.3Bioinformática
o 9.4Nanotecnología de ADN
o 9.5Historia, antropología y paleontología
10Véase también
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11Referencias
o 11.1Notas
o 11.2Bibliografía
12Enlaces externos
Historia de la genética
Artículo principal: Historia de la genética
Friedrich Miescher , biólogo y médico suizo (1844-1895).
El ADN lo aisló por primera vez, durante el invierno de1869, el
médico suizoFriedrich Miescher mientras trabajaba en la Universidad de Tubinga. Miescher realizaba experimentos acerca de la composición química del pus devendasquirúrgicas desechadas cuando notó un precipitado de una sustanciadesconocida que caracterizó químicamente más tarde.2 3Lo llamó nucleína, debidoa que lo había extraído a partir de núcleos celulares.4 Se necesitaron casi 70 añosde investigación para poder identificar los componentes y la estructura de losácidos nucleicos.
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En 1919 Phoebus Leveneidentificó que un nucleótido está formado por una basenitrogenada, un azúcar y un fosfato.5 Levene sugirió que el ADN generaba unaestructura con forma de solenoide (muelle) con unidades de nucleótidos unidos através de los grupos fosfato. En 1930 Levene y su maestro AlbrechtKossel probaron que la nucleína de Miescher es un ácido desoxirribonucleico
(ADN) formado por cuatro bases nitrogenadas (citosina (C), timina (T), adenina (A)yguanina (G), el azúcar desoxirribosa y un grupo fosfato, y que, ensu estructura básica, el nucleótido está compuesto por un azúcar unido a la base yal fosfato.6 Sin embargo, Levene pensaba que la cadena era corta y que las basesse repetían en un orden fijo. En1937 William Astbury produjo el primer patrónde difracción de rayos X que mostraba que el ADN tenía una estructura regular .7
Maclyn McCarty con Francis Crick y James D. Watson.
La función biológica del ADN comenzó a dilucidarse en 1928, con una serie básicade experimentos de la genética moderna realizados por Frederick Griffith, quien
estaba trabajando con cepas «lisas» (S) o «rugosas» (R) de labacteriaPneumococcus (causante de la neumonía), según la presencia (S) o no(R) de una cápsula azucarada, que es la que confiere virulencia (véasetambién experimento de Griffith). La inyección de neumococos S vivos en ratonesproduce la muerte de éstos, y Griffith observó que, si inyectaba ratones conneumococos R vivos o con neumococos S muertos por calor, los ratones nomorían. Sin embargo, si inyectaba a la vez neumococos R vivos y neumococos Smuertos, los ratones morían, y en su sangre se podían aislar neumococos S vivos.Como las bacterias muertas no pudieron haberse multiplicado dentro del ratón,
Griffith razonó que debía producirse algún tipo de cambio o transformación de untipo bacteriano a otro por medio de una transferencia de alguna sustancia activa,que denominó principio transformante. Esta sustancia proporcionaba la capacidada los neumococos R de producir una cápsula azucarada y transformarse así envirulentas. En los siguientes 15 años, estos experimentos iniciales se replicaronmezclando distintos tipos de cepas bacterianas muertas por el calor con otrasvivas, tanto en ratones (in vivo) como en tubos de ensayo (in vitro).8 La búsqueda
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del «factor transformante» que era capaz de hacer virulentas a cepas queinicialmente no lo eran continuó hasta 1944, año en el cualOswald Avery, ColinMacLeod y Maclyn McCarty realizaron un experimento hoy clásico. Estosinvestigadores extrajeron la fracción activa (el factor transformante) y, medianteanálisis químicos, enzimáticos y serológicos, observaron que no contenía
proteínas, ni lípidos no ligados, ni polisacáridos activos, sino que estabaconstituido principalmente por "una forma viscosa de ácido desoxirribonucleicoaltamente polimerizado", es decir, ADN. El ADN extraído de las cepas bacterianasS muertas por el calor lo mezclaron "in vitro" con cepas R vivas: el resultado fueque se formaron colonias bacterianas S, por lo que se concluyó inequívocamenteque el factor o principio transformante era el ADN.9
A pesar de que la identificación del ADN como principio transformante aún tardóvarios años en ser universalmente aceptada, este descubrimiento fue decisivo enel conocimiento de la base molecular de la herencia, y constituye el nacimiento de
lagenética molecular . Finalmente, el papel exclusivo del ADN en la heredabilidadfue confirmado en 1952 mediante los experimentos de Alfred Hershey y MarthaChase, en los cuales comprobaron que elfago T2 transmitía su informacióngenética en su ADN, pero no en su proteína10 (véase también experimento deHershey y Chase).
En cuanto a la caracterización química de la molécula, Chargaff r ealizó en 1940algunos experimentos que le sirvieron para establecer las proporciones de lasbases nitrogenadas en el ADN. Descubrió que las proporciones de purinas eranidénticas a las de pirimidinas, la «equimolecularidad» de las bases ([A]=[T],
[G]=[C]) y el hecho de que la cantidad de G+C en una determinada molécula de ADN no siempre es igual a la cantidad de A+T y puede variar desde el 36 hasta el70 por ciento del contenido total.6 Con toda esta información y junto con los datosde difracción de rayos Xproporcionados por Rosalind Franklin, JamesWatson y Francis Crick propusieron en 1953 el modelo de la doble hélice de ADNpara representar la estructura tridimensional del polímero.11 En una serie de cincoartículos en el mismo número de Nature se publicó la evidencia experimental queapoyaba el modelo de Watson y Crick.12De éstos, el artículode Franklin y Raymond Gosling fue la primera publicación con datos de difracción
de rayos X que apoyaba el modelo de Watson y Crick,
13
14
y en ese mismonúmero de Naturetambién aparecía un artículo sobre la estructura del ADNde Maurice Wilkins y sus colaboradores.15
Watson, Crick y Wilkins recibieron conjuntamente, en 1962, después de la muertede Rosalind Franklin, el Premio Nobel en Fisiología o Medicina.16 Sin embargo, eldebate continúa sobre quién debería recibir crédito por el descubrimiento.17
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Propiedades físicas y químicas
Estructura química del ADN: dos cadenas de nucleótidos conectadasmediante puentes de hidrógeno, que aparecen como líneas punteadas.
El ADN es un largopolímero formado por unidades repetitivas,los nucleótidos.18 19Una doble cadena de ADN mide de 22 a 26 angstroms (2,2 a2,6nanómetros) de ancho, y una unidad (un nucleótido) mide 3,3 Å (0,33 nm) delargo.20 Aunque cada unidad individual que se repite es muy pequeña, lospolímeros de ADN pueden ser moléculasenormes que contienen millonesde nucleótidos. Por ejemplo, el cromosoma humano más largo, el cromosomanúmero 1, tiene aproximadamente 220 millones de pares de bases.21
En los organismos vivos, el ADN no suele existir como una molécula individual,sino como una pareja de moléculas estrechamente asociadas. Las dos cadenas
de ADN se enroscan sobre sí mismas formando una especie de escalera decaracol, denominada doble hélice. El modelo de estructura en doble hélice fuepropuesto en1953 por James Watson y Francis Crick (el artículo «MolecularStructure of Nucleic Acids: A Structure for Deoxyribose Nucleic Acid» fuepublicado el 25 de abril de 1953 en Nature), después de obtener una imagen de laestructura de doble hélice gracias a la refracción por rayos X hecha por RosalindFranklin.22 El éxito de este modelo radicaba en su consistencia con las
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propiedades físicas y químicas del ADN. El estudio mostraba, además, quelacomplementariedad de bases podía ser relevante en su replicación, y también laimportancia de la secuencia de bases como portadora de informacióngenética.23 24 25 Cada unidad que se repite, el nucleótido, contiene un segmento dela estructura de soporte (azúcar + fosfato), que mantiene la cadena unida, y
una base, que interacciona con la otra cadena de ADN en la hélice. En general,una base ligada a un azúcar se denomina nucleósido y una base ligada a unazúcar y a uno o más grupos fosfatos recibe el nombre de nucleótido.
Cuando muchos nucleótidos se encuentran unidos, como ocurre en el ADN, elpolímero resultante se denomina polinucleótido.26
Componentes
Estructura de soporte: La estructura de soporte de una hebra de ADN estáformada por unidades alternas de grupos fosfato y azúcar (desoxirribosa).27 Elazúcar en el ADN es una pentosa, concretamente, la desoxirribosa.
Ácido fosfórico:
Enlace fosfodiéster . El grupo fosfato(PO43-) une el carbono 5' del azúcar de
unnucleósido con el carbono 3' del siguiente.
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Su fórmula químicaes H3PO4. Cadanucleótido puede contener uno(monofosfato: AMP), dos (difosfato: ADP) o tres (trifosfato: ATP) grupos de ácidofosfórico, aunque como monómeros constituyentes de los ácidos nucleicossoloaparecen en forma de nucleósidos monofosfato.
Desoxirribosa:
Es un monosacáridode 5 átomos decarbono (unapentosa) derivado de la ribosa, que forma parte de la estructura de nucleótidos del ADN. Su fórmula es C 5H10O4.Una de las principales diferencias entre el ADN y el ARN es el azúcar , pues en el
ARN la 2-desoxirribosa del ADN es reemplazada por una pentosa alternativa,la ribosa.25
Las moléculas de azúcar se unen entre sí a través de grupos fosfato, queforman enlaces fosfodiéster entre los átomos de carbono tercero (3′, «tres prima»)
y quinto (5′, «cinco prima») de dos anillos adyacentes de azúcar. La formación
de enlacesasimétricos implica que cada hebra de ADN tiene una dirección. Enuna doble hélice, la dirección de los nucleótidos en una hebra (3′ → 5′) es opuesta
a la dirección en la otra hebra (5′ → 3′). Esta organización de las hebras de ADN
se denominaantiparalela; son cadenas paralelas, pero con direcciones opuestas.De la misma manera, los extremos asimétricos de las hebras de ADN sedenominan extremo 5′ («cinco prima») yextremo 3′ («tres prima»),respectivamente.
Bases nitrogenadas:
Las cuatro bases nitrogenadas mayoritarias que se encuentran en el ADN sonla adenina (A), la citosina (C), la guanina (G) y latimina (T). Cada una de estascuatro bases está unida al armazón de azúcar-fosfato a través del azúcar paraformar el nucleótido completo (base-azúcar-fosfato). Las bases soncompuestosheterocíclicos y aromáticos con dos o más átomosde nitrógeno, y, dentro de lasbases mayoritarias, se clasifican en dos grupos: las basespúricas o purinas (adenina y guanina), derivadas de la purina y formadas por dosanillos unidos entre sí, y las bases pirimidínicas o basespirimídicas o pirimidinas(citosina y timina), derivadas de la pirimidina y con un soloanillo.25 En los ácidos nucleicos existe una quinta base pirimidínica,denominada uracilo (U), que normalmente ocupa el lugar de la timina en el ARN ydifiere de ésta en que carece de un grupo metilo en su anillo. El uracilo no seencuentra habitualmente en el ADN, solo aparece raramente como un productoresidual de la degradación de la citosina por procesos de desaminación oxidativa.
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Timina: 2, 4-dioxo, 5-metilpirimidina.
Timina:
En el código genético se representa con la letra T. Es un derivado pirimidínico conungrupo oxo en las posiciones 2 y 4, y un grupo metil en la posición 5. Formael nucleósido timidina(siempre desoxitimidina, ya que solo aparece en el ADN) yelnucleótido timidilato o timidina monofosfato (dTMP). En el ADN, la timinasiempre seempareja con la adenina de la cadena complementaria mediante2 puentes de hidrógeno, T=A. Su fórmula química es C5H6N2O2 y su nomenclatura2, 4-dioxo, 5-metilpirimidina.
Citosina: 2-oxo, 4-aminopirimidina.
Citosina:
En el código genético se representa con la letra C. Es un derivado pirimidínico,con un grupo amino en posición 4 y un grupo oxo en posición 2. Forma
el nucleósido citidina(desoxicitidina en el ADN) y elnucleótido citidilato o(desoxi)citidina monofosfato (dCMP en el ADN, CMP en el ARN). La citosinasiempre seempareja en el ADN con la guanina de la cadena complementariamediante un triple enlace, C≡G. Su fórmula química es C4H5N3O y sunomenclatura 2-oxo, 4 aminopirimidina. Su masa molecular es de 111,10 unidadesde masa atómica. La citosina se descubrió en 1894, al aislarla del tejidodel timo de carnero.
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Adenina: 6-aminopurina.
Adenina:
En el código genético se representa con la letra A. Es un derivado de la purina conun grupo amino en la posición 6. Forma el nucleósido adenosina(desoxiadenosinaen el ADN) y el nucleótido adenilato o (desoxi)adenosina monofosfato (dAMP,
AMP). En el ADN siempre se empareja con la timina de la cadena complementariamediante 2 puentes de hidrógeno, A=T. Su fórmula química es C5H5N5 y sunomenclatura 6-aminopurina. La adenina, junto con la timina, fue descubierta en1885 por el médico alemán Albrecht Kossel.
Guanina: 6-oxo, 2-aminopurina.
Guanina:
En el código genético se representa con la letra G. Es un derivado púrico con ungrupo oxo en la posición 6 y un grupo amino en la posición 2. Forma el nucleósido(desoxi)guanosina y el nucleótido guanilato o (desoxi)guanosina monofosfato(dGMP, GMP). La guanina siempre se emparejaen el ADN con la citosina de lacadena complementaria mediante tres enlaces de hidrógeno, G≡C. Su fórmula
química es C5H5N5O y su nomenclatura 6-oxo, 2-aminopurina.También existen otras bases nitrogenadas (las llamadas bases nitrogenadasminoritarias), derivadas de forma natural o sintética de alguna otra basemayoritaria. Lo son por ejemplo la hipoxantina, relativamente abundante enel tRNA, o la cafeína, ambas derivadas de la adenina; otras, como el aciclovir , derivadas de la guanina, son análogos sintéticos usados en terapia antiviral; otras,como una de las derivadas del uracilo, son antitumorales.
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Las bases nitrogenadas tienen una serie de características que les confieren unaspropiedades determinadas. Una característica importante es sucarácter aromático, consecuencia de la presencia en el anillo de dobles enlaces enposición conjugada. Ello les confiere la capacidad de absorber luz en lazona ultravioleta delespectro en torno a los 260 nm, lo cual puede aprovecharse
para determinar el coeficiente de extinción del ADN y hallar la concentraciónexistente de los ácidos nucleicos. Otra de sus características es quepresentan tautomería o isomería de grupos funcionales, debido a que un átomode hidrógeno unido a otro átomo puede migrar a una posición vecina; en las basesnitrogenadas se dan dos tipos de tautomerías: tautomería lactama-lactima, dondeel hidrógeno migra del nitrógeno al oxígeno del grupo oxo (forma lactama) yviceversa (forma lactima), y tautomeríaimina-amina primaria, donde el hidrógenopuede estar formando el grupo amina (forma amina primaria) o migrar al nitrógenoadyacente (forma imina). La adenina sólo puede presentar tautomería amina-
imina, la timina y el uracilo muestran tautomería doble lactama-lactima, y laguanina y citosina pueden presentar ambas. Por otro lado, y aunque se trate demoléculas apolares, las bases nitrogenadas presentan suficientecarácter polar como para establecer puentes de hidrógeno, ya que tienen átomosmuyelectronegativos (nitrógeno y oxígeno) que presentan carga parcial negativa, yátomos de hidrógeno con carga parcial positiva, de manera que se forman dipolosque permiten que se formen estosenlaces débiles.
Se estima que el genoma humano haploide tiene alrededor de 3000 millones depares de bases. Para indicar el tamaño de las moléculas de ADN se indica el
número de pares de bases, y como derivados hay dos unidades de medida muyutilizadas, la kilobase (kb), que equivale a 1000 pares de bases, yla megabase (Mb), que equivale a un millón de pares de bases.
Apareamiento de bases
Véase también: Par de bases
Un par de bases C≡G con trespuentes de hidrógeno.
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Un par A=T con dos puentes de hidrógeno. Los puentes de hidrógeno semuestran como líneas discontinuas.
La dóble hélice de ADN se mantiene estable mediante la formación de puentes dehidrógeno entre las bases asociadas a cada una de las dos hebras. Para laformación de un enlace de hidrógeno una de las bases debe presentar un"donador" de hidrógenos con un átomo de hidrógeno con carga parcial positiva (-NH2 o -NH) y la otra base debe presentar un grupo "aceptor" de hidrógenos con un
átomo cargadoelectronegativamente (C=O o N). Los puentes de hidrógeno sonuniones más débiles que los típicosenlaces químicoscovalentes, como los queconectan los átomos en cada hebra de ADN, pero más fuertes que interaccioneshidrófobas individuales,enlaces de Van der Waals, etc. Como los puentes dehidrógeno no son enlaces covalentes, pueden romperse y formarse de nuevo deforma relativamente sencilla. Por esta razón, las dos hebras de la doble hélicepueden separarse como una cremallera, bien por fuerza mecánica o poralta temperatura.28 La doble hélice se estabiliza además por el efecto hidrofóbico yel apilamiento, que no se ven influidos por la secuencia de bases del ADN.29
Cada tipo de base en una hebra forma un enlace únicamente con un tipo de baseen la otra hebra, lo que se denominacomplementariedad de las bases. Así, laspurinas forman enlaces con las pirimidinas, de forma que A se enlaza solo con T, yC solo con G. La organización de dos nucleótidos apareados a lo largo de la doblehélice se denomina apareamiento de bases. Este emparejamiento corresponde ala observación ya realizada por Erwin Chargaff (1905-2002),30 que mostró que lacantidad de adenina era muy similar a la cantidad de timina, y que la cantidad decitosina era igual a la cantidad de guanina en el ADN. Como resultado de estacomplementariedad, toda la información contenida en la secuencia de doble hebrade la hélice de ADN está duplicada en cada hebra, lo cual es fundamental durante
el proceso de replicación del ADN. En efecto, esta interacción reversible yespecífica entre pares de bases complementarias es crítica para todas lasfunciones del ADN en los organismos vivos.18
Como se ha indicado anteriormente, los dos tipos de pares de bases forman unnúmero diferente de enlaces de hidrógeno: A=T forman dos puentes de hidrógeno,y C≡G forman tres puentes de hidrógeno (ver imágenes). El par de bases GC es
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por tanto más fuerte que el par de bases AT. Como consecuencia, tanto elporcentaje de pares de bases GC como la longitud total de la doble hélice de ADNdeterminan la fuerza de la asociación entre las dos hebras de ADN. Las dobleshélices largas de ADN con alto contenido en GC tienen hebras que interaccionanmás fuertemente que las dobles hélices cortas con alto contenido en AT.31 Por
esta razón, las zonas de la doble hélice de ADN que necesitan separarsefácilmente tienden a tener un alto contenido en AT, como por ejemplo la secuenciaTATAAT de la caja de Pribnow de algunospromotores.32 En el laboratorio, lafuerza de esta interacción puede medirse buscando la temperatura requerida pararomper los puentes de hidrógeno, la temperatura de fusión (también denominadovalor T m, del inglés melting temperature). Cuando todas las pares de bases en unadoble hélice se funden, las hebras se separan en solución en dos hebrascompletamente independientes. Estas moléculas de ADN de hebra simple notienen una única forma común, sino que algunas conformaciones son más
estables que otras.
33
Otros tipos de pares de bases
Par de bases A=T de tipo Watson-Crick. En azul el donador de hidrógenos y enrojo el aceptor.
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Par de bases A=T de tipo Watson-Crick reverso. En azul el donador dehidrógenos y en rojo el aceptor. Nótese que la pirimidina ha sufrido un giro de 180ºsobre el eje del carbono 6.
Existen diferentes tipos de pares de bases que se pueden formar según el modocomo se forman los puentes de hidrógeno. Los que se observan en la doble hélicede ADN son los llamados pares de bases Watson-Crick, pero también existenotros posibles pares de bases, como los denominadosHoogsteen yWobble uoscilante, que pueden aparecer en circunstancias particulares. Además, para cadatipo existe a su vez el mismo par reverso, es decir, el que se da si se gira la basepirimidínica 180º sobre su eje.
Watson-Crick (pares de bases de la doble hélice): los grupos de la basepúrica que intervienen en el enlace de hidrógeno son los que correspondena las posiciones 1 y 6 (N aceptor y -NH2donador si la purina es una A) y losgrupos de la base pirimidínica, los que se encuentran en las posiciones 3 y4 (-NH donador y C=O aceptor si la pirimidina es una T). En el par de basesWatson-Crick reverso participarían los grupos de las posiciones 2 y 3 de labase pirimidínica (ver imágenes).
Hoogsteen: en este caso cambian los grupos de la base púrica, que ofreceuna cara diferente (posiciones 6 y 7) y que forman enlaces con los gruposde las pirimidinas de las posiciones 3 y 4 (como en Watson-Crick). Tambiénpuede haber Hoogsteen reversos. Con este tipo de enlace pueden unirse
A=U (Hoogsteen y Hoogsteen reverso) y A=C (Hoogsteen reverso).
Wobble u oscilante: este tipo de enlace permite que se unan guanina ytimina con un doble enlace (G=T). La base púrica (G) forma enlace con losgrupos de las posiciones 1 y 6 (como en Watson-Crick) y la pirimidina (T)con los grupos de las posiciones 2 y 3. Este tipo de enlace no funcionaríacon A=C, ya que quedarían enfrentados los 2 aceptores y los 2 donadores,
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y solo se podría dar en el caso inverso. Encontramos pares de bases detipo oscilante en el ARN, durante el apareamiento decodón y anticodón. Con este tipo de enlace pueden unirse G=U (oscilante y oscilante reverso) y
A=C (oscilante reverso).
En total, en su forma tautomérica mayoritaria, existen 28 posibles pares de basesnitrogenadas: 10 posibles pares de bases purina-pirimidina (2 pares Watson-Cricky 2 Watson Crick reverso, 1 par Hoogsteen y 2 pares Hoogsteen reverso, 1 paroscilante y 2 pares oscilante reverso), 7 pares homo purina-purina (A=A, G=G), 4pares A=G y 7 pares pirimidina-pirimidina. Esto sin contar con los pares de basesque pueden formarse si también tenemos en cuenta las otras formas tautoméricasminoritarias de las bases nitrogenadas; éstos, además, pueden ser responsablesde mutaciones puntuales por sustitución de tipo transición.
Estructura
El ADN es una molécula bicatenaria, es decir, está formada por dos cadenasdispuestas de forma antiparalela y con las bases nitrogenadas enfrentadas. En suestructura tridimensional, se distinguen distintos niveles:34 35
1. Estructura primaria:
Secuencia de nucleótidos encadenados. Es en estas cadenas dondese encuentra la información genética, y dado que el esqueleto es elmismo para todos, la diferencia de la información radica en la distintasecuencia de bases nitrogenadas. Esta secuencia presenta un
código, que determina una información u otra, según el orden de lasbases.
2. Estructura secundaria:
Es una estructura en doble hélice. Permite explicar elalmacenamiento de la información genética y el mecanismo deduplicación del ADN. Fue postulada por Watson y Crick, basándoseen la difracción de rayos X que habían realizado Franklin y Wilkins, yen la equivalencia de bases de Chargaff, según la cual la suma de
adeninas más guaninas es igual a la suma de timinas más citosinas. Es una cadena doble, dextrógira o levógira, según el tipo de ADN.
Ambas cadenas son complementarias, pues la adenina y la guaninade una cadena se unen, respectivamente, a la timina y la citosina dela otra. Ambas cadenas son antiparalelas, pues el extremo 3´ de unase enfrenta al extremo 5' de la homóloga.
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Existen tres modelos de ADN. El ADN de tipo B es el más abundantey es el que tiene la estructura descrita por Watson y Crick.
3. Estructura terciaria:
Se refiere a cómo se almacena el ADN en un espacio reducido, paraformar los cromosomas. Varía según se trate deorganismos procariotas o eucariotas:
2. En procariotas el ADN se pliega como una súper-hélice, generalmente enforma circular y asociada a una pequeña cantidad de proteínas. Lo mismo ocurreen orgánulos celulares como las mitocondrias y en loscloroplastos.
3. En eucariotas, dado que la cantidad de ADN de cadacromosoma es muygrande, el empaquetamiento ha de ser más complejo y compacto; para ello senecesita la presencia de proteínas, como las histonasy otras proteínas de
naturaleza no histónica (en losespermatozoides estas proteínas sonlasprotaminas).34
4. Estructura cuaternaria:
La cromatina presente en el núcleo tiene un grosor de 300 Å, pues la fibrade cromatina de 100 Å se enrolla formando una fibra de cromatina de300 Å. El enrollamiento de los nucleosomas recibe el nombre de solenoide.Dichos solenoides se enrollan formando la cromatina del núcleo interfásicode la célula eucariota. Cuando la célula entra en división, el ADN se
compacta más, formando así los cromosomas. Estructuras en doble hélice
De izquierda a derecha, las estructuras de ADN A, B y Z.
El ADN existe en muchas conformaciones.27 Sin embargo, en organismos vivossólo se han observado las conformaciones ADN-A, ADN-B y ADN-Z. Laconformación que adopta el ADN depende de su secuencia, la cantidad ydirección desuperenrollamiento que presenta, la presencia de modificaciones
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químicas en las bases y las condiciones de la solución, tales como laconcentración de iones de metales y poliaminas.36 De las tres conformaciones, laforma "B" es la más común en las condiciones existentes en las células.37 Las dosdobles hélices alternativas del ADN difieren en su geometría y dimensiones.
La forma "A" es una espiral que gira hacia la derecha, más amplia que la "B", conuna hendidura menor superficial y más amplia, y una hendidura mayor másestrecha y profunda. La forma "A" ocurre en condiciones no fisiológicas en formasdeshidratadas de ADN, mientras que en la célula puede producirse enapareamientos híbridos de hebras ADN-ARN, además de en complejos enzima-
ADN.38 39
Los segmentos de ADN en los que las bases han sido modificadaspor metilación pueden sufrir cambios conformacionales mayores y adoptar laforma "Z". En este caso, las hebras giran alrededor del eje de la hélice en una
espiral que gira a mano izquierda, lo opuesto a la forma "B" más frecuente.40
Estasestructuras poco frecuentes pueden ser reconocidas por proteínas específicas quese unen a ADN-Z y posiblemente estén implicadas en la regulación delatranscripción.41
Estructuras en cuádruplex
Estructura de un ADN en cuádruplex formada por repeticiones en los telómeros. La conformación de la estructura de soporte del ADN difiere significativamente dela típica estructura en hélice.42
En los extremos de los cromosomas lineales existen regiones especializadas de ADN denominadastelómeros. La función principal de estas regiones es permitir ala célula replicar los extremos cromosómicos utilizando la enzimatelomerasa,
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puesto que las enzimas que replican el resto del ADN no pueden copiar losextremos 3' de los cromosomas.43 Estas terminaciones cromosómicasespecializadas también protegen los extremos del ADN, y evitan que los sistemasde reparación del ADNen la célula los procesen como ADN dañado que debe sercorregido.44 En las células humanas, los telómeros son largas zonas de ADN de
hebra sencilla que contienen algunos miles de repeticiones de una únicasecuencia TTAGGG.45
Estas secuencias ricas en guanina pueden estabilizar los extremos cromosómicosmediante la formación de estructuras de juegos apilados de unidades de cuatrobases, en lugar de los pares de bases encontrados normalmente en otrasestructuras de ADN. En este caso, cuatro bases guanina forman unidades consuperficie plana que se apilan una sobre otra, para formar una estructuracuádruple-G estable.46 Estas estructuras se estabilizan formandopuentes dehidrógeno entre los extremos de las bases y laquelatación de un metal iónico en el
centro de cada unidad de cuatro bases.47 También se pueden formar otrasestructuras, con el juego central de cuatro bases procedente, o bien de una hebrasencilla plegada alrededor de las bases, o bien de varias hebras paralelasdiferentes, de forma que cada una contribuye con una base a la estructura central.
Además de estas estructuras apiladas, los telómeros también forman largasestructuras en lazo, denominadas lazos teloméricos o lazos-T (T-loops en inglés).En este caso, las hebras simples de ADN se enroscan sobre sí mismas en unamplio círculo estabilizado por proteínas que se unen a telómeros.48 En el extremodel lazo T, el ADN telomérico de hebra sencilla se sujeta a una región de ADN de
doble hebra porque la hebra de ADN telomérico altera la doble hélice y se apareaa una de las dos hebras. Esta estructura de triple hebra se denomina lazo de
desplazamiento o lazo D (D-loop).46
Hendiduras mayor y menor
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Animación de la estructura de una sección de ADN. Las bases se encuentran
horizontalmente entre las dos hebras en espiral. Versión ampliada49
Doble hélice: a) Dextrógira, b) Levógira.
La doble hélicees una espiraldextrógira, esto es, cada una de las cadenasdenucleótidos gira a derechas; esto puede verificarse si nos fijamos, yendo deabajo a arriba, en la dirección que siguen los segmentos de las hebras quequedan en primer plano. Si las dos hebras giran a derechas se dice que la doble
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hélice es dextrógira, y si giran a izquierdas,levógira (esta forma puede aparecer enhélices alternativas debido a cambios conformacionales en el ADN). Pero en laconformación más común que adopta el ADN, la doble hélice es dextrógira,girando cada par de bases respecto al anterior unos 36º.50
Cuando las dos hebras de ADN se enrollan una sobre la otra (sea a derechas o aizquierdas), se forman huecos o hendiduras entre una hebra y la otra, dejandoexpuestos los laterales de las bases nitrogenadas del interior (ver la animación).En la conformación más común que adopta el ADN aparecen, como consecuenciade los ángulos formados entre los azúcares de ambas cadenas de cada par debases nitrogenadas, dos tipos de hendiduras alrededor de la superficie de la doblehélice: una de ellas, la hendidura o surco mayor, que mide 22 Å (2,2 nm) deancho, y la otra, la hendidura o surco menor, que mide 12 Å (1,2 nm) deancho.51 Cada vuelta de hélice, que es cuando ésta ha realizado un giro de 360º olo que es lo mismo, de principio de hendidura mayor a final de hendidura menor,
medirá por tanto 34 Å, y en cada una de esas vueltas hay unos 10,5 pb.
Hendiduras mayor y menor de la doble hélice.
La anchura de la hendidura mayor implica que los extremos de las bases son másaccesibles en ésta, de forma que la cantidad de grupos químicos expuestostambién es mayor lo cual facilita la diferenciación entre los pares de bases A-T, T-
A, C-G, G-C. Como consecuencia de ello, también se verá facilitado elreconocimiento de secuencias de ADN por parte de diferentes proteínas sin lanecesidad de abrir la doble hélice. Así, proteínas como los factores detranscripción que pueden unirse a secuencias específicas, frecuentemente
contactan con los laterales de las bases expuestos en la hendidura mayor .52
Por elcontrario, los grupos químicos que quedan expuestos en la hendidura menor sonsimilares, de forma que el reconocimiento de los pares de bases es más difícil; porello se dice que la hendidura mayor contiene más información que la hendiduramenor .50
Sentido y antisentido
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Artículo principal: Antisentido
Una secuencia de ADN se denomina "sentido" (en inglés, sense) si su secuenciaes la misma que la secuencia de un ARN mensajeroque se traduce en unaproteína. La secuencia de la hebra de ADN complementaria se
denomina "antisentido" (antisense). En ambas hebras de ADN de la doble hélicepueden existir tanto secuenciassentido, que codifican ARNm, como antisentido,que no lo codifican. Es decir, las secuencias que codifican ARNm no están todaspresentes en una sola de las hebras, sino repartidas entre las dos hebras. Tantoen procariotas como en eucariotas se producen ARN con secuencias antisentido,pero la función de esos ARN no está completamente clara.53 Se ha propuesto quelos ARN antisentidoestán implicados en la regulación de la expresióngénica mediante apareamiento ARN-ARN: los ARN antisentido se aparearían conlos ARNm complementarios, bloqueando de esta forma su traducción.54
En unas pocas secuencias de ADN en procariotas y eucariotas (este hecho esmás frecuente en plásmidos y virus), la distinción entrehebras sentido y antisentido es más difusa, debido a que presentan genessuperpuestos.55 En estos casos, algunas secuencias de ADN tienen una funcióndoble, codificando una proteína cuando se lee a lo largo de una hebra, y unasegunda proteína cuando se lee en la dirección contraria a lo largo de la otrahebra. En bacterias, esta superposición puede estar involucrada en la regulaciónde latranscripción del gen,56 mientras que en virus los genes superpuestosaumentan la cantidad de información que puede codificarse en sus diminutosgenomas.57
Superenrollamiento
Estructura de moléculas de ADN lineales con los extremos fijos y superenrolladas.Por claridad, se ha omitido la estructura en hélice del ADN.
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El ADN puede retorcerse como una cuerda en un proceso que sedenomina superenrollamiento del ADN (supercoiling , en inglés). Cuando el ADNestá en un estado "relajado", una hebra normalmente gira alrededor del eje de ladoble hélice una vez cada 10,4 pares de bases, pero si el ADN está retorcido lashebras pueden estar unidas más estrechamente o más relajadamente.58 Si el ADN
está retorcido en la dirección de la hélice, se dice que el superenrollamiento espositivo, y las bases se mantienen juntas de forma más estrecha. Si el ADN seretuerce en la dirección opuesta, el superenrollamiento se llama negativo, y lasbases se alejan. En la naturaleza, la mayor parte del ADN tiene un ligerosuperenrollamiento negativo que es producidopor enzimasdenominadas topoisomerasas.59 Estas enzimas también sonnecesarias para liberar las fuerzas de torsión introducidas en las hebras de ADNdurante procesos como la transcripción y lareplicación.60
Modificaciones químicas
citosina 5-metil-citosina timina
Estructura de la citosina con y sin el grupo metilo. Tras la desaminación, la 5-metil-
citosina tiene la misma estructura que la timina.
Modificaciones de bases del ADN
Véase también:Metilación
La expresión de los genes está influenciada por la forma en la que el ADN estáempaquetado en cromosomas, en una estructura denominada cromatina. Lasmodificaciones de bases pueden estar implicadas en el empaquetamiento del
ADN: las regiones que presentan una expresión génica baja o nula normalmentecontienen niveles altos de metilación de las basescitosina. Por ejemplo, la
metilación de citosina produce 5-metil-citosina, que es importante para lainactivación del cromosoma X.61El nivel medio de metilación varía entreorganismos: el gusanoCaenorhabditis elegans carece de metilación de citosina,mientras que los vertebrados presentan un nivel alto —hasta 1 %— de su ADNcontiene 5-metil-citosina.62 A pesar de la importancia de la 5-metil-citosina, éstapuede desaminarse para generar una base timina. Las citosinas metiladas son portanto particularmente sensibles a mutaciones.63 Otras modificaciones de bases
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incluyen la metilación de adenina en bacterias y la glicosilación de uraciloparaproducir la "base-J" en kinetoplastos.64 65
Daño del ADN
Véase también: Mutación
Molécula de benzopireno, mutágeno presente por ejemplo en el humo del tabaco, ligada una hélice de ADN.66
El ADN puede resultar dañado por muchos tipos demutágenos, que cambian lasecuencia del ADN: agentes alquilantes, además deradiación electromagnéticadealta energía, como luzultravioleta y rayos X. El tipo de daño producido en el ADNdepende del tipo de mutágeno. Por ejemplo, la luz UV puede dañar al ADNproduciendo dímeros detimina, que se forman por ligamiento cruzado entrebases pirimidínicas.67 Por otro lado, oxidantes tales como radicales libres oelperóxido de hidrógenoproducen múltiples daños, incluyendo modificaciones debases, sobre todo guanina, y roturas de doble hebra (double-strand breaks).68 Enuna célula humana cualquiera, alrededor de 500 bases sufren daño oxidativo cadadía.69 70 De estas lesiones oxidativas, las más peligrosas son las roturas de doble
hebra, ya que son difíciles de reparar y pueden producir mutacionespuntuales, inserciones y deleciones de la secuencia de ADN, asícomo translocaciones cromosómicas.71
Muchos mutágenos se posicionan entre dos pares de bases adyacentes, por loque se denominan agentes intercalantes. La mayoría de los agentes intercalantesson moléculas aromáticas y planas, como el bromuro de etidio, la daunomicina,
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la doxorubicina y la talidomida. Para que un agente intercalante pueda integrarseentre dos pares de bases, éstas deben separarse, distorsionando las hebras de
ADN y abriendo la doble hélice. Esto inhibe latranscripción y la replicación del ADN, causando toxicidad y mutaciones. Por ello, los agentes intercalantes del ADN son a menudo carcinógenos: el benzopireno, las acridinas, la aflatoxina y
el bromuro de etidio son ejemplos bien conocidos.72 73 74 Sin embargo, debido a sucapacidad para inhibir la replicación y la transcripción del ADN, estas toxinastambién se utilizan enquimioterapia para inhibir el rápido crecimiento de lascélulascancerosas.75
El daño en el ADN inicia una respuesta que activa diferentes mecanismos dereparación que reconocen lesiones específicas en el ADN, que son reparadas enel momento para recuperar la secuencia original del ADN. Asimismo, el daño en el
ADN provoca una parada en el ciclo celular , que conlleva la alteración denumerosos procesos fisiológicos, que a su vez implica síntesis, transporte y
degradación de proteínas (véase también Checkpoint de daños en el ADN). Alternativamente, si el daño genómico es demasiado grande para que pueda serreparado, los mecanismos de control inducirán la activación de una serie de rutascelulares que culminarán en la muerte celular .
Funciones biológicas
Las funciones biológicas del ADN incluyen el almacenamiento de información(genes y genoma), la codificación de proteínas (transcripción y traducción) y suautoduplicación (replicación del ADN) para asegurar la transmisión de la
información a las células hijas durante la división celular.
Genes y genoma
Véanse también: Núcleo celular , Cromatina, Cromosoma y Genoma.
El ADN se puede considerar como un almacén cuyo contenido es la información(mensaje) necesaria para construir y sostener el organismo en el que reside, lacual se transmite de generación en generación. El conjunto de información quecumple esta función en un organismo dado se denomina genoma, y el ADN que loconstituye, ADN genómico.
El ADN genómico (que se organiza en moléculas de cromatina que a su vez seensamblan en cromosomas) se encuentra en el núcleo celular de los eucariotas, además de pequeñas cantidades en lasmitocondrias y cloroplastos. En procariotas, el ADN se encuentra en un cuerpo de forma irregulardenominado nucleoide.76
El ADN codificante
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ARN polimerasa T7 (azul) produciendo un ARNm (verde) a partir de un molde de ADN (naranja).77
Véase también:Gen
La información genética de ungenoma está contenida en los genes, y al conjuntode toda la información que corresponde a un organismo se le denominasu genotipo. Un gen es una unidad de herencia y es una región de ADN queinfluye en una característica particular de un organismo (como el color de los ojos,por ejemplo). Los genes contienen un "marco de lectura abierto" (open reading
frame) que puede transcribirse, además de secuencias reguladoras, talescomopromotores y enhancers, que controlan la transcripción del marco de lecturaabierto.
Desde este punto de vista, las obreras de este mecanismo son las proteínas.Estas pueden ser estructurales, como las proteínas de los músculos, cartílagos, pelo, etc., o funcionales, como lahemoglobina o las innumerables enzimas delorganismo. La función principal de la herencia es la especificación de lasproteínas, siendo el ADN una especie de plano o receta para producirlas. Lamayor parte de las veces la modificación del ADN provocará una disfunciónproteica que dará lugar a la aparición de alguna enfermedad. Pero endeterminadas ocasiones, las modificaciones podrán provocar cambiosbeneficiosos que darán lugar a individuos mejor adaptados a su entorno.
Las aproximadamente treinta mil proteínas diferentes en el cuerpo humano estánconstituidas por veinte aminoácidos diferentes, y una molécula de ADN debeespecificar la secuencia en que se unen dichos aminoácidos.
En el proceso de elaborar una proteína, el ADN de un gen se lee y se transcribea ARN. Este ARN sirve como mensajero entre el ADN y la maquinaria queelaborará las proteínas y por eso recibe el nombre de ARN mensajero o ARNm. El
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ARN mensajero sirve de molde a la maquinaria que elabora las proteínas, paraque ensamble los aminoácidos en el orden preciso para armar la proteína.
El dogma central de la biología molecular establecía que el flujo de actividad y deinformación era: ADN → ARN → proteína. No obstante, en la actualidad ha
quedado demostrado que este "dogma" debe ser ampliado, pues se hanencontrado otros flujos de información: en algunos organismos (virus de ARN) lainformación fluye de ARN a ADN; este proceso se conoce como "transcripcióninversa o reversa", también llamada "retrotranscripción". Además, se sabe queexisten secuencias de ADN que se transcriben a ARN y son funcionales comotales, sin llegar a traducirse nunca a proteína: son los ARN no codificantes, comoes el caso de los ARN interferentes.34 35
El ADN no codificante
El ADN del genoma de un organismo puede dividirse conceptualmente en dos: elque codifica las proteínas (los genes) y el que no codifica. En muchas especies, solo una pequeña fracción del genoma codifica proteínas. Por ejemplo, soloalrededor del 1,5 % del genoma humano consiste en exones que codificanproteínas (20 000 a 25 000 genes), mientras que más del 90 % consiste en ADNno codificante.78
El ADN no codificante (también denominado ADN basura o junk DNA)corresponde a secuencias del genoma que no generan una proteína (procedentesde transposiciones, duplicaciones, translocaciones y recombinaciones de virus,etc.), incluyendo losintrones. Hasta hace poco tiempo se pensaba que el ADN nocodificante no tenía utilidad alguna, pero estudios recientes indican que eso esinexacto. Entre otras funciones, se postula que el llamado "ADN basura" regulala expresión diferencial de los genes.79 Por ejemplo, algunas secuencias tienenafinidad hacia proteínas especiales que tienen la capacidad de unirse al ADN(como los homeodominios, los complejos receptores de hormonas esteroides,etc.), con un papel importante en el control de los mecanismos de trascripción yreplicación. Estas secuencias se llaman frecuentemente "secuencias reguladoras",y los investigadores suponen que solo se ha identificado una pequeña fracción delas que realmente existen. La presencia de tanto ADN no codificante en genomas
eucarióticos y las diferencias en tamaño del genoma entre especies representanun misterio que es conocido como el "enigma del valor de C".80 Los elementosrepetitivos también son elementos funcionales. Si no se considerasen así, seexcluiría más del 50 % de los nucleótidos totales, ya que constituyen elementos derepetición. Recientemente, un grupo de investigadores de la Universidad deYale ha descubierto una secuencia de ADN no codificante que sería la
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responsable de que los seres humanos hayan desarrollado la capacidad deagarrar y/o manipular objetos o herramientas.81
Por otro lado, algunas secuencias de ADN desempeñan un papel estructural enlos cromosomas: los telómeros y centrómeroscontienen pocos o ningún gen
codificante de proteínas, pero son importantes para estabilizar la estructura de loscromosomas. Algunos genes no codifican proteínas, pero sí se transcriben en
ARN: ARN ribosómico, ARN de transferencia y ARN de interferencia( ARNi, queson ARN que bloquean la expresión de genes específicos). La estructura deintrones y exones de algunos genes (como losde inmunoglobulinas y protocadherinas) son importantes por permitir los cortes yempalmes alternativos del pre- ARN mensajero que hacen posible la síntesis dediferentes proteínas a partir de un mismo gen (sin esta capacidad no existiría elsistema inmune, por ejemplo). Algunas secuencias de ADN no codificanterepresentan pseudogenes que tienen valor evolutivo, ya que permiten la creación
de nuevos genes con nuevas funciones.35Otros ADN no codificantes proceden dela duplicación de pequeñas regiones del ADN; esto tiene mucha utilidad, ya que elrastreo de estas secuencias repetitivas permite estudios de filogenia.
Transcripción y traducción
Artículos principales: Transcripción (genética) y Traducción (genética).
En un gen, la secuencia de nucleótidos a lo largo de una hebra de ADNse transcribe a un ARN mensajero (ARNm) y esta secuencia a su vez se traduce auna proteína que un organismo es capaz de sintetizar o "expresar" en uno o variosmomentos de su vida, usando la información de dicha secuencia.
La relación entre la secuencia de nucleótidos y la secuencia deaminoácidos de laproteína viene determinada por el código genético, que se utiliza durante elproceso de traducción o síntesis de proteínas. La unidad codificadora del códigogenético es un grupo de tres nucleótidos (triplete), representado por las tres letrasiniciales de las bases nitrogenadas (por ej., ACT, CAG, TTT). Los tripletes del
ADN se transcriben en sus bases complementarias en el ARN mensajero, y eneste caso los tripletes se denominan codones(para el ejemplo anterior, UGA,GUC, AAA). En el ribosoma cada codón del ARN mensajero interacciona con unamolécula de ARN de transferencia (ARNt o tRNA) que contenga el tripletecomplementario, denominado anticodón. Cada ARNt porta el aminoácidocorrespondiente al codón de acuerdo con el código genético, de modo que elribosoma va uniendo los aminoácidos para formar una nueva proteína de acuerdocon las "instrucciones" de la secuencia del ARNm. Existen 64 codones posibles,por lo cual corresponde más de uno para cada aminoácido (por esta duplicidad de
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codones se dice que el código genético es un código degenerado: no es unívoco);algunos codones indican la terminación de la síntesis, el fin de la secuenciacodificante; estoscodones de terminación o codones de parada son UAA, UGA yUAG (en inglés, nonsense codons o stop codons).34
Replicación del ADN
Esquema representativo de la replicación del ADN.
Artículo principal: Replicación de ADN
La replicación del ADN es el proceso por el cual se obtienen copias o réplicasidénticas de una molécula de ADN. La replicación es fundamental para latransferencia de la información genética de una generación a la siguiente y, porende, es la base de la herencia. El mecanismo consiste esencialmente en laseparación de las dos hebras de la doble hélice, las cuales sirven de molde para laposterior síntesis de cadenas complementarias a cada una de ellas, que llevarápor nombre ARNm. El resultado final son dos moléculas idénticas a la original.Este tipo de replicación se denominasemiconservativa debido a que cada una delas dos moléculas resultantes de la duplicación presenta una cadena procedentede la molécula "madre" y otra recién sintetizada.
Hipótesis sobre la duplicación del ADN
En un principio, se propusieron tres hipótesis:
Semiconservativa: Según el experimento de Meselson-Stahl, cada hebrasirve de molde para que se forme una hebra nueva, mediante lacomplentariedad de bases, quedando al final dos dobles hélices formadaspor una hebra antigua (molde) y una nueva hebra (copia).
Conservativa: Tras la duplicación quedarían las dos hebras antiguas juntasy, por otro lado, las dos hebras nuevas formando una doble hélice.
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Dispersiva: Según esta hipótesis, las hebras resultantes estarían formadaspor fragmentos en doble hélice ADN antiguo y ADN recién sintetizado.
Interacciones ADN-proteína
Todas las funciones del ADN dependen de sus interacciones con proteínas. Estasinteracciones pueden ser inespecíficas, o bien la proteína puede unirse de formaespecífica a una única secuencia de ADN. También pueden unirse enzimas, entrelas cuales son particularmente importantes las polimerasas, que copian lassecuencia de bases del ADN durante la transcripción y la replicación.
Proteínas que unen ADN
Interacciones inespecíficas
Interacción de ADN con histonas (en blanco, arriba). Los aminoácidos básicos de
estas proteínas (abajo a la izquierda, en azul) se unen a los grupos ácidos de losfosfatos del ADN (abajo a la derecha, en rojo).
Las proteínas estructurales que se unen al ADN son ejemplos bien conocidos deinteracciones inespecíficas ADN-proteínas. En los cromosomas, el ADN seencuentra formando complejos con proteínas estructurales. Estas proteínasorganizan el ADN en una estructura compacta denominada cromatina. En eucariotas esta estructura implica la unión del ADN a un complejo formado porpequeñas proteínas básicas denominadas histonas, mientras queenprocariotas están involucradas una gran variedad de proteínas.8283 Las histonas
forman un complejo de forma cilíndrica denominadonucleosoma, en torno al cualse enrollan casi dos vueltas de ADN de doble hélice. Estas interaccionesinespecíficas quedan determinadas por la existencia de residuos básicos en lashistonas, que forman enlaces iónicos con el esqueleto de azúcar-fosfato del ADNy, por tanto, son en gran parte independientes de la secuencia de bases.84 Estosaminoácidos básicos experimentan modificaciones químicasde metilación, fosforilación y acetilación,85que alteran la fuerza de la interacción
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entre el ADN y las histonas, haciendo al ADN más o menos accesible alos factores de transcripción y por tanto modificando la tasa de transcripción.86
Otras proteínas que se unen a ADN de manera inespecífica en la cromatinaincluyen las proteínas del grupo de alta movilidad(HMG, High Mobility Group)
que se unen a ADN plegado o distorsionado.87
Estas proteínas son importantesdurante el plegamiento de los nucleosomas, organizándolos en estructuras máscomplejas para constituir los cromosomas88 durante el proceso de condensacióncromosómica. Se ha propuesto que en este proceso también intervendrían otrasproteínas, formando una especie de "andamio" sobre el cual se organiza lacromatina; los principales componentes de esta estructura serían laenzimatopoisomerasa II α (topoIIalpha) y la condensina 13S.89 Sin embargo, elpapel estructural de la topoIIalpha en la organización de los cromosomas aún esdiscutido, ya que otros grupos argumentan que esta enzima se intercambiarápidamente tanto en los brazos cromosómicos como en los cinetocoros durante
lamitosis.90
Interacciones específicas
Un grupo bien definido de proteínas que unen ADN es el conformado por lasproteínas que se unen específicamente a ADN monocatenario o ADN de hebrasencilla (ssDNA). En humanos, la proteína A de replicación es la mejor conocidade su familia y actúa en procesos en los que la doble hélice se separa, comolareplicación del ADN, la recombinación o la reparación del ADN.91Estas proteínasparecen estabilizar el ADN monocatenario, protegiéndolo para evitar que forme
estructuras de tallo-lazo (stem-loop) o que sea degradado por nucleasas.
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El factor de transcripción represor del fago lambda unido a su ADN diana medianteun motivo hélice-giro-hélice (helix-turn-helix).92
Sin embargo, otras proteínas han evolucionado para unirse específicamente asecuencias particulares de ADN. La especificidad de la interacción de las
proteínas con el ADN procede de los múltiples contactos con las bases de ADN, loque les permite "leer" la secuencia del ADN. La mayoría de esas interacciones conlas bases ocurre en lahendidura mayor , donde las bases son más accesibles.93
Las proteínas específicas estudiadas con mayor detalle son las encargadas deregular la transcripción, denominadas por ello factores de transcripción. Cadafactor de transcripción se une a una secuencia concreta de ADN y activa o inhibela transcripción de los genes que presentan estas secuencias próximas a suspromotores. Los factores de transcripción pueden efectuar esto de dos formas:
En primer lugar, pueden unirse a la polimerasa de ARN responsable de latranscripción, bien directamente o a través de otras proteínas mediadoras.De esta forma. se estabiliza la unión entre la ARN polimerasa y el promotor,lo que permite el inicio de la transcripción.94
En segundo lugar, los factores de transcripción pueden unirseaenzimas que modifican las histonas del promotor, lo que altera laaccesibilidad del molde de ADN a la ARN polimerasa.95
Como los ADN diana pueden encontrarse por todo el genoma del organismo, loscambios en la actividad de un tipo de factor de transcripción pueden afectar a
miles de genes.96 En consecuencia, estas proteínas son frecuentemente lasdianas de los procesos detransducción de señales que controlan las respuestas acambios ambientales o diferenciación y desarrollo celular.
La enzima de restricción EcoRV (verde) formando un complejo con su ADNdiana.97
Enzimas que modifican el ADN
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Nucleasas y ligasas
Las nucleasas sonenzimas que cortan las hebras de ADN mediante la catálisis dela hidrólisis de losenlaces fosfodiéster . Las nucleasas que hidrolizan nucleótidos apartir de los extremos de las hebras de ADN se denominan exonucleasas,
mientras que las endonucleasascortan en el interior de las hebras. Las nucleasasque se utilizan con mayor frecuencia en biología molecular son las enzimas derestricción, endonucleasas que cortan el ADN por determinadas secuenciasespecíficas. Por ejemplo, la enzima EcoRV, que se muestra a la izquierda,reconoce la secuencia de 6 bases 5′ -GAT|ATC-3′, y hace un corte en ambas
hebras en la línea vertical indicada, generando dos moléculas de ADN con losextremos romos. Otras enzimas de restricción generan sin embargo extremoscohesivos, ya que cortan de forma diferente las dos hebras de ADN. En lanaturaleza, estas enzimas protegen a las bacterias contra las infeccionesde fagos, al digerir el ADN de dicho fago cuando entra a través de la pared
bacteriana, actuando como un mecanismo de defensa.98 En biotecnología, estasnucleasas específicas de la secuencias de ADN se utilizan en ingenieríagenética para clonar f ragmentos de ADN y en la técnica de huella genética.
Las enzimas denominadas ADN ligasas pueden reunir hebras de ADN cortadas orotas.99 Las ligasas son particularmente importantes en la replicación de la hebraque sufre replicación discontinua en el ADN, ya que unen los fragmentos cortos de
ADN generados en la horquilla de replicación para formar una copia completa delmolde de ADN. También se utilizan en la reparación del ADN y en procesosde recombinación genética.99
Topoisomerasas y helicasas
Las topoisomerasas son enzimas que poseen a la vez actividad nucleasa y ligasa.Estas proteínas varían la cantidad de ADN superenrollado. Algunas de estasenzimas funcionan cortando la hélice de ADN y permitiendo que una sección rote,de manera que reducen el grado de superenrollamiento. Una vez hecho esto, laenzima vuelve a unir los fragmentos de ADN.59 Otros tipos de enzimas soncapaces de cortar una hélice de ADN y luego pasar la segunda hebra de ADN através de la rotura, antes de reunir las hélices.100 Las topoisomerasas son
necesarias para muchos procesos en los que interviene el ADN, comola replicación del ADNy la transcripción.60
Las helicasas son unas proteínas que pertenecen al grupo de losmotoresmoleculares. Utilizan energía química almacenada en los nucleósidos trifosfatos,fundamentalmente ATP, para romper puentes de hidrógeno entre bases y separarla doble hélice de ADN en hebras simples.101 Estas enzimas son esenciales para
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la mayoría de los procesos en los que las enzimas necesitan acceder a las basesdel ADN.
Polimerasas
Las polimerasas son enzimas que sintetizan cadenas de nucleótidos a partir denucleósidos trifosfatos. La secuencia de sus productos son copias de cadenas depolinucleótidos existentes, que se denominan moldes. Estas enzimas funcionanañadiendo nucleótidos al grupo hidroxilo en 3' del nucleótido previo en una hebrade ADN. En consecuencia, todas las polimerasas funcionan en dirección 5′ -->3′ .102 En los sitios activos de estas enzimas, el nucleósido trifosfato que seincorpora aparea su base con la correspondiente en el molde: esto permite que lapolimerasa sintentice de forma precisa la hebra complementaria al molde.
Las polimerasas se clasifican de acuerdo al tipo de molde que utilizan:
En la replicación del ADN, una ADN polimerasa dependiente deADN realiza una copia de ADN a partir de una secuencia de ADN. Laprecisión es vital en este proceso, por lo que muchas de estas polimerasastienen una actividad de verificación de la lectura ( proofreading ). Medianteesta actividad, la polimerasa reconoce errores ocasionales en la reacciónde síntesis, debido a la falta de apareamiento entre el nucleótido erróneo yel molde, lo que genera un desacoplamiento (mismatch). Si se detecta undesacoplamiento, se activa una actividadexonucleasa en dirección 3′ --> 5′
y la base incorrecta se elimina.103 En la mayoría de los organismos las ADNpolimerasas funcionan en un gran complejo denominadoreplisoma, quecontiene múltiples unidades accesorias, comohelicasas.104
Las ADN polimerasas dependientes de ARN son una clase especializadade polimerasas que copian la secuencia de una hebra de ARN en ADN.Incluyen la transcriptasa inversa, que es una enzima viral implicada en lainfección de células por retrovirus, y la telomerasa, que es necesaria para lareplicación de los telómeros.105 43 La telomerasa es una polimerasa inusual,porque contiene su propio molde de ARN como parte de su estructura.44
La transcripción se lleva a cabo por una ARN polimerasa dependiente de
ADN que copia la secuencia de una de las hebras de ADN en ARN. Paraempezar a transcribir un gen, la ARN polimerasa se une a una secuenciadel ADN denominada promotor , y separa las hebras del ADN. Entoncescopia la secuencia del gen en un transcrito de ARN mensajero hasta quealcanza una región de ADN denomimada terminador , donde se detiene y sesepara del ADN. Como ocurre con las ADN polimerasas dependientes de
ADN en humanos, la ARN polimerasa II (la enzima que transcribe la
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mayoría de los genes del genoma humano) funciona como un grancomplejo multiproteico que contiene múltiples subunidades reguladoras yaccesorias.106