El ADN como material genético
Griffith (1928), transformación: bacterias Streptococcus pneumoniae inofensivas de tipo R vivas + bacterias mortales de tipo S muertas por calor → los ratones murieron y se encontraron bacterias S vivas. Algo de las células S muertas "transformó" las R en S.
Avery, MacLeod y McCarty (1944): destruyeron una a una las partes del extracto S. Las enzimas que digieren proteínas (proteasas) y la ARNasa no frenaron la transformación; la ADNasa sí. Así que lo que transformaba era el ADN.
Hershey y Chase (1952): cultivaron bacteriófagos con ³²P radiactivo (va al ADN) o con ³⁵S (va a la proteína). Tras la infección y el batido en una licuadora, las bacterias tenían ³²P pero no ³⁵S. Por tanto, el ADN, y no la proteína, entra en la célula y lleva las instrucciones.
¿Qué hace bueno a un material genético?
- Puede copiarse a sí mismo (replicarse).
- Es estable química y estructuralmente.
- Puede cambiar poco a poco (mutar) para que haya evolución.
- Puede expresarse en forma de caracteres mendelianos.
El ARN es menos estable (su 2′-OH lo vuelve reactivo), así que el ADN sirve mejor para guardar información y el ARN para trabajos rápidos. Probablemente el ARN fue el primer material genético (mundo de ARN).
Estructura del ADN y del ARN
Un nucleótido = base nitrogenada + azúcar pentosa + fosfato. Base + azúcar = nucleósido. Purinas: adenina (A) y guanina (G). Pirimidinas: citosina (C), timina (T, solo en el ADN) y uracilo (U, solo en el ARN). El azúcar del ADN es la desoxirribosa; el del ARN es la ribosa.
Los nucleótidos se unen con enlaces fosfodiéster 3′–5′. Watson y Crick (1953), usando las imágenes de rayos X de Rosalind Franklin y Wilkins, propusieron la doble hélice:
- Dos cadenas antiparalelas (5′→3′ y 3′→5′).
- A=T (2 puentes de H), G≡C (3 puentes de H). Una purina siempre se enfrenta a una pirimidina, así que el ancho se mantiene en 2 nm.
- Giro hacia la derecha; una vuelta = 3.4 nm = 10 pares de bases, y la distancia entre pares es 0.34 nm.
- Regla de Chargaff: A = T y G = C, por lo tanto (A + G) = (C + T).
El ARN suele ser de una sola cadena. Tipos: ARNm (mensajero), ARNt (adaptador) y ARNr (parte del ribosoma).
Empaquetamiento del ADN
Longitud del ADN = número de pares de bases × 0.34 nm. Célula humana diploide: 6.6 × 10⁹ pb × 0.34 × 10⁻⁹ m ≈ 2.2 m, metidos en un núcleo de unos 10⁻⁶ m de ancho.
- Procariotas: no hay núcleo. El ADN, de carga negativa, se mantiene unido a proteínas de carga positiva en una zona llamada nucleoide, formando bucles.
- Eucariotas: el ADN (negativo) se enrolla en las histonas (positivas, ricas en lisina y arginina). Ocho histonas forman un octámero de histonas; unos 200 pb de ADN lo rodean = un nucleosoma. Los nucleosomas en fila parecen 'perlas en un collar' → fibra de cromatina → se enrolla más → cromosoma en metafase. Las proteínas cromosómicas no histonas (NHC) ayudan a empaquetar aún más.
Eucromatina: poco empaquetada, se tiñe claro, es activa. Heterocromatina: muy empaquetada, se tiñe oscuro, es inactiva.
Replicación del ADN (semiconservativa)
Watson y Crick predijeron que cada cadena sirve de molde. Meselson y Stahl (1958) lo demostraron: cultivaron E. coli en ¹⁵N pesado y luego las pasaron a ¹⁴N normal. Tras 1 generación todo el ADN era híbrido (¹⁵N–¹⁴N); tras 2 generaciones, la mitad era híbrido y la otra mitad ligero. Taylor mostró lo mismo en puntas de raíz de haba usando timidina radiactiva.
Cómo ocurre
- La helicasa abre la hélice en el origen de replicación y forma una horquilla de replicación en forma de Y.
- La ADN polimerasa dependiente de ADN añade nucleótidos solo en sentido 5′→3′, usando desoxinucleósidos trifosfato (que aportan la pieza y también la energía).
- En una cadena el ADN nuevo crece de forma continua (cadena líder); en la otra se fabrica en trocitos cortos (cadena retrasada, fragmentos de Okazaki).
- La ADN ligasa une los trozos.
Es muy rápida (E. coli copia 4.6 × 10⁶ pb en unos 18 minutos, unos 2000 pb por segundo) y muy precisa. En eucariotas ocurre en la fase S.
Dogma central
Francis Crick propuso que la información genética fluye ADN → ARN → proteína. ADN → ADN es la replicación, ADN → ARN es la transcripción y ARN → proteína es la traducción.
La transcripción inversa (ARN → ADN) ocurre en algunos virus, como el VIH, gracias a la transcriptasa inversa. Así que a veces el flujo puede ir hacia atrás (dogma central invertido).
Transcripción
Solo se copia una cadena. Se lee la cadena molde (3′→5′); la otra es la cadena codificante (5′→3′), que tiene la misma secuencia que el ARN, pero con T en lugar de U.
Una unidad de transcripción tiene un promotor (antes del gen, donde se une la ARN polimerasa), el gen estructural y un terminador.
En bacterias
Una sola ARN polimerasa fabrica todos los ARN. Con el factor σ (sigma) empieza (iniciación), alarga el ARN (elongación) y con el factor ρ (rho) se detiene (terminación). La transcripción y la traducción pueden ocurrir a la vez porque no hay núcleo.
En eucariotas
- ARN pol I → ARNr (28S, 18S, 5.8S); ARN pol II → ARNhn (precursor del ARNm); ARN pol III → ARNt, ARNr 5S, ARNsn.
- Los genes están partidos: exones (se expresan) e intrones (intercalados). El ARNhn se procesa: el splicing quita los intrones; la caperuza añade guanosina trifosfato metilada en el extremo 5′; la cola añade de 200 a 300 adeninas en el extremo 3′ (cola poli-A).
Código genético
George Gamow razonó: 4 bases deben codificar 20 aminoácidos. 4¹ = 4 y 4² = 16 son muy pocos; 4³ = 64 alcanza. Por eso el código es un triplete. Nirenberg, Khorana y Ochoa descifraron los codones.
- 64 codones: 61 codifican aminoácidos y 3 son codones de parada (UAA, UAG, UGA).
- AUG = metionina y también codón de inicio (doble función).
- No ambiguo y específico: un codón → un aminoácido.
- Degenerado: muchos aminoácidos tienen más de un codón.
- Se lee sin comas, de forma continua en un marco de lectura.
- Casi universal: UUU = Phe en bacterias y en humanos (con algunas excepciones en las mitocondrias).
Mutaciones y código
Una mutación puntual (cambio de una base) puede cambiar un aminoácido (anemia falciforme). Insertar o borrar 1 o 2 bases desplaza el marco de lectura (cambio de marco); añadir o quitar 3 bases añade o quita un aminoácido y mantiene el marco. El ARNt es el adaptador: su bucle del anticodón lee el codón y su extremo 3′ (CCA) lleva el aminoácido. En 2D parece una hoja de trébol y en 3D una L invertida.
Traducción
- Carga del ARNt (aminoacilación): cada aminoácido se une a su ARNt, usando ATP.
- Iniciación: la subunidad pequeña del ribosoma encuentra el ARNm en el AUG; luego se une la subunidad grande. El ribosoma tiene dos sitios para ARNt.
- Elongación: los ARNt traen aminoácidos codón por codón; se forman enlaces peptídicos (el ARNr 23S actúa como enzima, una ribozima). El ribosoma avanza en sentido 5′→3′.
- Terminación: en un codón de parada, un factor de liberación suelta el polipéptido.
El ARNm también tiene regiones no traducidas (UTR) antes del AUG y después del codón de parada; ayudan a que la traducción sea eficaz.
Regulación de la expresión génica: el operón lac
Las células encienden los genes solo cuando hacen falta. En las bacterias, varios genes de una misma tarea están juntos con un solo promotor y un solo operador = un operón. Jacob y Monod describieron el operón lac de E. coli:
- Gen i: fabrica la proteína represora (siempre activo).
- Gen z: β-galactosidasa, que rompe la lactosa en glucosa y galactosa.
- Gen y: permeasa, que deja entrar la lactosa en la célula.
- Gen a: transacetilasa.
Sin lactosa: el represor se queda en el operador y bloquea la ARN polimerasa → genes apagados.
Con lactosa: la lactosa (el inductor) se une al represor, le cambia la forma y este se suelta del operador → la ARN polimerasa transcribe z, y, a → se fabrican las enzimas. Esto es una regulación negativa de un operón inducible. Cuando se acaba la lactosa, el represor vuelve a unirse.
Proyecto Genoma Humano y genoma del arroz
El Proyecto Genoma Humano (PGH) duró de 1990 a 2003 y leyó los ~3 × 10⁹ pb del ADN humano. Métodos: etiquetas de secuencias expresadas (EST, para encontrar genes que se expresan) y anotación de secuencias (leer todo y luego buscar los genes). El ADN se cortó en trozos, se clonó en vectores BAC/YAC, se secuenció con máquinas automáticas (método de Sanger) y los ordenadores lo unieron usando las zonas que se solapan.
Hallazgos principales
- Unos 3164.7 millones de pb; el gen medio tiene unas 3000 bases; el gen más grande, la distrofina, tiene 2.4 millones de bases.
- Unos 30,000 genes (muchos menos de lo que se pensaba); el 99.9 % de las bases es igual en todas las personas.
- Menos del 2 % del genoma codifica proteínas; gran parte son secuencias repetidas.
- El cromosoma 1 tiene más genes (2968); el Y tiene menos (231).
- Unos 1.4 millones de lugares con diferencias de una sola base (SNP).
Entre otros organismos secuenciados están el arroz, bacterias, levaduras, Caenorhabditis elegans, la mosca de la fruta y Arabidopsis. El genoma del arroz ayuda a encontrar genes de rendimiento, resistencia a enfermedades y tolerancia al estrés.
Huella genética
El 99.9 % del ADN es igual en todos los humanos, así que se compara el 0.1 % que cambia, sobre todo el ADN repetitivo. Cuando el ADN se centrifuga en un gradiente de densidad, las repeticiones forman picos pequeños llamados ADN satélite. No codifican proteínas y varían mucho entre personas (polimorfismo). Alec Jeffreys desarrolló el método usando VNTR (repeticiones en tándem de número variable).
- Aislar el ADN (sangre, raíz del pelo, saliva, semen).
- Cortarlo con enzimas de restricción.
- Separar los fragmentos por electroforesis en gel.
- Pasarlos a una membrana de nailon o nitrocelulosa (Southern blot).
- Añadir una sonda VNTR marcada que se pega a los trozos que coinciden (hibridación).
- Detectar las bandas en una película de rayos X (autorradiografía).
Un hijo recibe la mitad de sus bandas de la madre y la otra mitad del padre. Usos: casos forenses, pruebas de paternidad y estudios de poblaciones y de evolución. La PCR puede multiplicar antes muestras muy pequeñas.
Fórmulas y definiciones clave
- Emparejamiento de bases: A = T (2 puentes de H), G ≡ C (3 puentes de H)
- Chargaff: A = T, G = C, por tanto A + G = C + T (purinas = pirimidinas)
- Longitud del ADN = número de pb × 0.34 nm
- Una vuelta de la hélice = 10 pb = 3.4 nm
- Codones = 4³ = 64 (61 con sentido + 3 de parada)
- Aminoácidos de una proteína = (bases codificantes ÷ 3) − 1 codón de parada
- Meselson–Stahl tras n generaciones en ¹⁴N: fracción híbrida = 2/2ⁿ, ligera = 1 − 2/2ⁿ
Ejemplos resueltos
1. Una muestra de ADN tiene un 20% de adenina. Halla el % de T, G y C.
Paso 1: A = T, así que T = 20%. Paso 2: A + T = 40%, así que G + C = 60%. Paso 3: G = C = 30% cada una.
2. Una molécula de ADN tiene 1000 pares de bases, de los cuales 300 son pares A–T. ¿Cuántos puentes de hidrógeno unen las dos cadenas?
Paso 1: pares G–C = 1000 − 300 = 700. Paso 2: puentes de H = 300 × 2 + 700 × 3 = 600 + 2100. Respuesta: 2700 puentes de H.
3. Halla la longitud de una molécula de ADN con 5386 pares de bases (el tamaño del fago φX174).
Paso 1: longitud = pb × 0.34 nm. Paso 2: 5386 × 0.34 = 1831.24 nm. Respuesta: unos 1.83 µm.
4. Escribe el ARNm que se forma a partir de la cadena molde 3′-TACGCAATG-5′.
Paso 1: empareja cada base: T→A, A→U, C→G, G→C. Paso 2: ARNm 5′-AUGCGUUAC-3′. Paso 3: es igual a la cadena codificante 5′-ATGCGTTAC-3′ con U en lugar de T.
5. Un ARNm dice 5′-AUG UUU GGC AAA UGA-3′. ¿Cuántos aminoácidos tendrá la proteína y cuáles?
Paso 1: lee los codones: AUG (Met), UUU (Phe), GGC (Gly), AAA (Lys), UGA (parada). Paso 2: la parada no añade ningún aminoácido. Respuesta: 4 aminoácidos: Met–Phe–Gly–Lys.
6. Una proteína tiene 300 aminoácidos. ¿Cuál es el número mínimo de bases de su parte codificante en el ARNm (con codón de parada)?
Paso 1: 300 codones de aminoácidos + 1 de parada = 301 codones. Paso 2: 301 × 3 = 903 bases.
7. E. coli con ADN solo de ¹⁵N pasa a un medio con ¹⁴N. Tras 3 generaciones, ¿qué fracción de las moléculas de ADN es híbrida?
Paso 1: moléculas tras 3 generaciones = 2³ = 8 (a partir de una). Paso 2: solo 2 conservan una cadena vieja de ¹⁵N → híbridas. Paso 3: 2/8 = 1/4 híbridas, 6/8 = 3/4 ligeras.
8. En el ARNm AUG CCU AAA UGA se borra una base (la C de la posición 4). ¿Qué ocurre?
Paso 1: la nueva secuencia es AUG CUA AAU GA… Paso 2: los codones cambian después de la deleción: Met–Leu–Asn… Paso 3: es una mutación de cambio de marco: todos los aminoácidos siguientes cambian y puede perderse el codón de parada.
Errores comunes
- Decir que en la transcripción se copia la cadena codificante. Se lee la cadena molde; el ARN coincide con la cadena codificante (con U).
- Contar un codón de parada como aminoácido. Los codones de parada no añaden nada.
- Pensar que el represor del operón lac se fabrica solo cuando falta lactosa. El gen i siempre está activo; la lactosa solo desactiva al represor.
- Usar la regla de Chargaff en ADN de una cadena o en ARN. A = T y G = C solo valen para cadenas dobles.