Biología Profundización

Guía N° 1 2012
UNIDAD 1: GENÉTICA
SUB-UNIDAD 1: ADN, GENES Y CROMOSOMAS
Biología Profundización
En esta sesión tú podrás:
- Conocer el modelo de la doble hebra de ADN de Watson y Crick, así como
reconocer su valor como aporte al adelanto científico, en su contexto histórico.
- Identificar las partes de la estructura de ADN y sus fundamentos genéticos.
ADN
¿Qué entendemos por ADN?
El termino ADN (Ácido desoxirribonucleico) resulta un término muy utilizado en la
cotidianidad de la vida moderna, apareciendo en tópicos variados como desarrollo
de tecnologías, avances en medicina, y estudios en ciencia básica que apuntan a
conocer los fundamentos de la vida, por lo tanto es natural preguntarse, ¿Qué
hace a esta molécula tan importante?
Cómo una breve introducción, el ADN se encuentra en todas las células, eucariotas
y procariotas en forma de una doble hélice (fig1). En las células eucariotas
(plantas, animales y hongos) su localización específica es dentro del núcleo celular,
en donde se presenta asociado a proteínas y súper enrollado sobre sí mismo
formando la cromatina que a su vez constituye los cromosomas.
Si bien el mayor porcentaje de ADN total de una célula eucariota se encuentra
dentro de los cromosomas, existe un pequeño porcentaje de ADN extra
cromosomal que está presente en las mitocondrias de las células animales y
vegetales y en los cloroplastos de las células vegetales.
Por su parte, las células procariotas (bacterias) no poseen un núcleo definido por
membranas y su ADN se encuentra localizado libremente en el citoplasma
formando un anillo o cromosoma circular.
Autor: Daniel Oyanedel T. / Edición: Katherine Brante C.
Consultas: biología@preusm.cl / www.preusm.cl
1
Guía N° 1 2012
El ADN extracromosomal también está presente en el mundo procariota,
representado por estructuras independientes del ADN cromosomal denominados
plásmidos.
El ADN incluso constituye parte de algunos virus ya sea en la forma de una cadena
simple o doble. Pero el caso de los virus es especial debido a que estos carecen de
la maquinaria para sintetizar su propio ADN y proteínas, por lo tanto, deben
utilizar la maquinaria de las células, considerándose parásitos intracelulares.
Figura 1. Estructura general de la doble hélice de ADN
Ya sea desde el núcleo de cualquiera de nuestras células o desde el cromosoma
único de una bacteria, la hebra de ADN contiene codificada en su estructura y
organización la información necesaria para sintetizar la totalidad de las proteínas
de un organismo, aún cuando no necesariamente se expresen todas dentro de una
célula, por ejemplo, una célula de hígado sintetizará proteínas propias para su
función, y una neurona otras diferentes necesarias para las suyas; aún así tanto
neurona como hepatocito tienen el mismo ADN con las instrucciones necesarias
para generar unos u otras proteínas.
Las proteínas representan un porcentaje cercano al 20% del cuerpo de un adulto
saludable. Poseen funciones estructurales, contráctiles e inmunológicas, entre
otras, justificando que la información contenida en el ADN y los procesos en los
cuales esta información es traducida a proteínas tiene una importancia
fundamental en la constitución de un cuerpo normal y saludable, ya que una
proteína malformada no es capaz de cumplir su función en óptimas condiciones o
incluso no cumplirla en absoluto.
Debido a esto desde hace algunas décadas se han ido acumulando y fortaleciendo
las razones en que se fundamenta el gran interés en llegar a comprender con la
mayor profundidad posible el rol del ADN dentro de los seres vivos y su
potencialidad como una herramienta de utilidad invaluable para las actividades
humanas, desde la modificación de especies vegetales, con la consecuente
2
Guía N° 1 2012
producción de los polémicos alimentos transgénicos, hasta todas las líneas
investigativas en el área de la medicina que tienen como eje central el papel de la
molécula de ADN dentro del contexto de enfermedades tan terribles y,
desafortunadamente, tan recurrentes como el cáncer.
“Una estructura tan bella necesariamente tiene que existir”
Ya por la década del 40 se manejaba el concepto de gen, qué veremos más
adelante, que éstos se localizaban en los cromosomas y que eran las unidades
responsables de la herencia.
Sin embargo, los porcentajes de proteínas y ácidos nucleícos presentes en los
cromosomas son muy parecidos (recordemos que el ADN esta enrollado en
histonas), por lo tanto, en aquellos años era necesario dilucidar si eran los ácidos
nucleicos o las proteínas los encargados de trasmitir la información genética de
padres a hijos.
Frederick Griffit
Fue un bacteriólogo inglés que trabajó con dos cepas de una bacteria que es capaz
de producir un tipo de neumonía. Él sabía que la cepa que poseía una cubierta de
polisacárido era capaz de producir la enfermedad.
Su experimento consistió en inocular ratones con bacterias vivas, sin cubierta y no
virulentas, a otros con bacterias virulentas muertas por calor y a otro grupo con
una mezcla de ambas. Sus resultados fueron desconcertantes, mientras los
ratones inyectados con las cepas por separado sobrevivían aquellos que habían
sido inoculados con la mezcla de cepas morían en su totalidad y al analizar los
cadáveres de los ratones muertos era posible encontrar bacterias virulentas vivas
(Fig. 2).
Por lo tanto concluyó que las bacterias virulentas poseían un factor de
transformación que podía ser transmitido desde las bacterias virulentas muertas a
las bacterias vivas no virulentas. Se probó casi una década después que este factor
transformador correspondía a ADN.
3
Guía N° 1 2012
Figura 2. Esquema del experimento en ratas de Griffith
Hershey y Chase
En 1952 demostraron que el ADN es el material hereditario de un virus mediante
el uso de bacterias y bacteriófagos (virus que infectan bacterias). Estos
bacteriófagos están compuestos por una cobertura o cápside proteica y ADN en su
interior
Su experimento consistió en marcar radioactivamente el ADN de una muestra de
estos fagos y las proteínas de otra muestra, para luego infectar de forma separada
cultivos de bacterias. Mediante este procedimiento podían determinar si el ADN o
las proteínas habían ingresado a la bacteria. Los resultados que obtuvieron
demostraron que, en este caso, sólo el ADN había ingresado en la célula mientras
la envoltura proteica había quedado fuera. Por lo tanto, la molécula con el
potencial de comandar la síntesis de nuevas partículas virales, era en esta caso, el
ADN.
James Watson y Francis Crick
En base a los experimentos de sus colegas, en los inicios de la década del 50,
Watson y Crick se embarcaron en el desafió de contestar la gran pregunta que
hacía referencia a la estructura molecular del ADN: Si la molécula es capaz
contener la información genética de un individuo, ¿Cómo lo hace?
4
Guía N° 1 2012
La estructura de doble hélice fue resuelta por Watson y Crick en el año 1953
basándose en una imagen de rayos x de la molécula de ADN, resultado del trabajo
de Rosalind Franklin, por lo que existe cierta polémica sobre a quién pertenece el
mayor mérito. (Fig. 3)
De cualquier forma lo central es la revelación de esta elegante molécula helicoidal,
la que celosamente guarda la inmensa cantidad de información de la que es
responsable. No es de extrañar, por lo tanto, que Watson y Crick, alejándose de la
rigurosidad del lenguaje científico expresaran que “una estructura tan bella
necesariamente tenía que existir”.
Figura 3. Fotografía de Watson y Crick presentando la molécula de ADN
Estructura del ADN
Antes de poder adentrarnos en el universo que representa la comprensión del rol
de la molécula de ADN dentro de una célula, resulta indispensable tener una idea
de su estructura.
En términos generales la molécula de ADN se presenta en las células como una
hélice compuesta por dos hebras complementarias dispuestas de forma anti
paralela que giran sobre sí. (Fig. 4)
Cada hebra de ADN que forma la doble hélice, es un polímero lineal compuesto
por monómeros denominados nucleótidos, habiendo cuatro nucleótidos distintos
formando parte de la hebra de ADN. En palabras sencillas entenderemos como
polímero a una cadena en donde cada uno de sus eslabones recibe el nombre de
monómero, que en este caso corresponden a los nucleótidos.
5
Guía N° 1 2012
Figura 4. Doble hélice con la
longitud de una vuelta completa y
la longitud de las vueltas parciales o
hendiduras que se forman.
Nucleótidos
Cómo se dijo anteriormente corresponden a las unidades monoméricas de la
hebra de ADN. Se componen de un azúcar pentosa, es decir, de cinco carbonos
(desoxirribosa), un grupo fosfato que le otorga el carácter químico de ácido y una
base nitrogenada (Fig. 5)
Figura 5. Nucleótido y sus 3 componentes
El azúcar y el grupo fosfato son componentes constantes mientras la base
nitrogenada puede variar, para el caso del ADN existen cuatro bases nitrogenadas
distintas y por lo tanto cuatro nucleótidos distintos posibles para ser combinados
dentro de la cadena de ADN.
Vale mencionar que el nombre nucleótido está reservado para la molécula con los
tres componentes nombrados anteriormente (pentosa, base nitrogenada y grupo
fosfato), ya que dentro de la célula podemos encontrar moléculas que se
diferencian de los nucleótidos por la ausencia del grupo fosfato, las que reciben el
nombre de nucleósidos.
6
Guía N° 1 2012
Bases nitrogenadas
Corresponden a compuestos orgánicos heterocíclicos, esto quiere decir, moléculas
orgánicas con estructura de anillo, el que está formado por más de un tipo de
átomos, en este caso carbono y nitrógeno.
Clasificación de las bases nitrogenadas:
Figura 6. Clasificación
de las bases
nitrógenadas en
purinas y
pirimidinas
Entre las purinas y pirimidinas existe una complementariedad debido a la
composición, estructura química y tamaño de éstas que les permite unirse
específicamente de la siguiente forma: Adenina con Timina y Guanina con
Citosina.
El carácter de esta unión y su significancia dentro de la estructura de la molécula
de ADN será analizado más adelante.
Para efectos del ADN, excluiremos al uracilo, ya que si bien corresponde a una
base nitrogenada no está presente en la molécula de ADN, sino que cumple un
papel de remplazo de la timina en las moléculas de ARN durante el proceso de
transcripción genética, que aprenderemos en algunas sesiones más adelante.
Por ahora basta con recordar que para el ADN existen cuatro bases nitrogenadas
distintas divididas en dos grupos con pares complementarios entre sí.
7
Guía N° 1 2012
Ensamblaje de la hebra de ADN
Debido a que al hablar de ADN nos estamos refiriendo a un polímero (unidad
formada por subunidades menores que se repiten), los nucleótidos que lo forman
deben poder ensamblarse unos con otros.
Para entender esta unión debemos recordar la estructura básica de un nucleótido
mostrada anteriormente, a la que agregaremos un detalle extra: numeraremos los
carbonos que forman el azúcar central del nucleótido. (Fig. 7)
Figura 7. Numeración de los carbonas de
un nucleótido
El enlace entre nucleótidos de una misma cadena se da a nivel del grupo fosfato
que está unido al carbono 5’ del azúcar con el grupo OH libre que está unido al
carbono 3’ del azúcar del nucleótido siguiente, formándose un enlace covalente
que recibe el nombre de enlace fosfodiéster según la nomenclatura de las
moléculas orgánicas.
Debido a esto se convino otorgar una orientación de lectura 5’ 3’ a la cadena
de ADN, información importante para entender el concepto de cadenas anti
paralelas que caracteriza a la molécula de ADN, ya que esto quiere decir que
mientras una de las hebras tiene una orientación 5’ 3’ la hebra complementaria
tiene una orientación 3’ 5’. (Fig. 8)
Ya conocemos como se unen los componentes de ambas hebras por separado, por
lo tanto corresponde recordar que la molécula de ADN es una doble hélice
formada por dos hebras, por lo tanto, ¿Cómo se consigue la unión de éstas dos
hebras?
8
Guía N° 1 2012
Básicamente debemos recordar la complementariedad de bases entre purinas y
pirimidinas de la que hablamos anteriormente. En donde el término
complementariedad entre bases se traduce en la unión específica y espontánea,
por medio de puentes de hidrógeno, de las bases nitrogenadas pertenecientes a
los nucleótidos de una de las hebras con las bases de los nucleótidos de la otra, en
donde la unión A=T se da mediante dos puentes de hidrógeno y G≡C mediante tres
enlaces de hidrógeno.
Por lo tanto son dos los tipos de enlaces fundamentales que mantienen la doble
hélice de ADN: El enlace fosfodiester que mantiene los nucleótidos de cada hebra
unidos entre sí mediante un enlace covalente y puentes de hidrógeno entre las
bases nitrogenadas de los nucleótidos que mantienen las dos hebras unidas y
formando la doble hélice. (Fig. 8)
Puente de hidrógeno
Enlace Fosfodiester
Figura 8. Representación del enlace
fosfodiéster entre nucleótidos de una
misma cadena y la orientación anti
paralela entre las dos cadenas.
Sabías que…
No sólo el ADN nuclear es importante para nosotros,
sino también lo es el ADN mitocondrial, ya que gracias
a él las mitocondrias funcionan correctamente. Es tanta
su importancia, que la falla en este ADN puede causar
una enfermedad hereditaria degenerativa llamada
Neuropatía óptica de Leber, que al cabo de algunos
años causa la ceguera total en quienes la padecen.
9
Guía N° 1 2012
Actividad en clase
Analiza y completa el esquema mientras el profesor expone la estructura del ADN:
Molécula:
Enlace:
Enlace:
Molécula:
Dirección
de la hebra:
Dirección
de la hebra:
Molécula:
Hebras de:
10
Guía N° 1 2012
¡Prepárate para la PSU!
Analiza y resuelve las siguientes preguntas tipo PSU. Recuerda siempre leer
atentamente:
1. El ADN se considera una molécula de alta importancia en la transducción de la
información genética, esta propiedad se fundamenta en su capacidad de:
A) Mantener una hebra molde en cada replicación.
B) Dar origen a la construcción de copias de genes.
C) Su capacidad de autocorrección.
D) Experimentar modificaciones estructurales transmisibles.
E) Constituir la primera molécula orgánica formada por los organismos.
2. Desde la siguiente tabla, que contiene la cantidad relativa de las concentraciones
nucleotídicas presentes en el ADN de diferentes organismos se puede establecer que
la diferencia estructural y fisiológica entre el Staphilococcous aureus y el Homo
sapiens, está determinada por:
I. La proporción de las bases nucleotídicas.
II. La conformación espacial del ADN.
III. La disposición de los nucleótidos a lo largo del ADN.
A) Sólo I
B) Sólo II
C) Sólo III
D) Sólo I y III
E) Sólo II y III
3. La siguiente secuencia de bases.....CTG..... necesariamente debe pertenecer a:
A) ARNm
B) ADN
C) ARNt
D) ARNr
E) Ninguna de las anteriores
11
Guía N° 1 2012
4. Una célula es introducida en un medio con abundante timina; usted como participe
de esta experiencia esperaría encontrar modificaciones o cambios en:
I. ADN nuclear
II. ADN mitocondrial
III. ARN mensajero
A) Sólo I
B) Sólo II
B) I y II
C) II y III
D) I, II y III
5. El código genético es universal. Esto implica que:
I. Todos los seres vivos tienen los mismos genes
II. La secuencia de ADN que estructura los genes de cualquier organismo es la misma
III. Un triplete de ARN codifica el mismo aminoácido en cualquier organismo
Es(son) correcta(s):
A) Sólo I
B) Sólo II
C) Sólo III
D) II y III
E) I, II y III
12