Funcionamiento del ADN

Funcionamiento del ADN

En 1990, el profesor Richard Jorgensen, de la Universidad de Arizona en Tucson, estaba dedicado a pruebas sobre los mecanismos moleculares de la coloración, modificar genéticamente las petunias para obtener flores de un color rojo mas intenso. A partir de técnicas genéticas, Jorgensen había logrado cambiar el color de sus petunias,  el color rojo estaba codificado en un gen concreto que el conocía y también como fabrica en cada flor los pigmentos que le dan el color.

El mecanismo es el siguiente, el ADN es como un libro, donde están escritas todas las instrucciones de la planta, la escritura utiliza solo cuatro letras y se escribe a dos renglones, por duplicado, siguiendo un determinado código, si en el renglón de arriba hay una A en el de abajo pone una T y si hay una C en el de abajo pone una G, lo que se escribe en un renglón determina lo que se escribe en el otro.

Cada una de esas letras, se reconocen de una manera especial, formando pares, cada una con su complementaria, esto es, la A solo se une a la T y la C solo con la G solamente y se dice que el ADN esta ensamblado con esos dos renglones que son complementarios.

Este libro necesita de un medio que sepa leer las instrucciones que allí están escritas, un trozo de código genético puede contener la formula de una proteína por ejemplo la que da el color rojo a las flores, a este trozo que contiene la información para fabricar una proteína lo denominamos gen.

Pero hay que crear esa proteína para conseguir el color y eso es algo de lo que se encarga un sistema celular especializado fuera del núcleo, se debe transmitir la información, es decir la formula de la proteína desde el ADN hasta dicho sistema y el medio que lo hace, es un mensajero, existe una molécula llamada ARN mensajero, que es similar al ADN, excepto que tiene un solo renglón y saca una copia del gen y la lleva al sistema que crea la proteína.

El siguiente dibujo es muy esquemático y nos muestra como se realiza el proceso, donde el creador de la proteína se denomina ribosoma,

 

En el siguiente dibujo, se describe lo mismo con más detalle, la trascripción del ADN al ARN y a la proteína, este proceso es el fundamento de la biología molecular y es representado por cuatro etapas importantes.  1) El ADN replica su información en un proceso que implica muchas enzimas. 2) Síntesis del ARN mensajero (ARN m). 3) En las células eucariotas el ARN m es procesado y migra del núcleo al citoplasma. 4) El ARN mensajero lleva la información del código a los ribosomas, Los ribosomas son orgánulos sin membrana, sólo visibles al microscopio electrónico debido a su reducido tamaño ,29 nm en células procariotas y 32 nm en las eucariotas. Su función es ensamblar proteínas a partir de la información genética que le llega del ADN transcrita en forma de ARN mensajero (ARNm).

 

 

Proceso de interferencia de ARN.

Richard Jorgensen pensó que para potenciar el color solo tenían que añadir más mensajeros del color rojo, modifico las semillas y espero a que se produjeran flores más rojas, dicho experimento fracasó, las flores no eran rojas, eran blancas.

El profesor Jorgensen sentó las bases del proceso de interferencia de ARN. Fue, en efecto, una anomalía en sus manipulaciones la que resultó ser finalmente determinante. Acostumbrado a convertir a sus petunias color malva en petunias blancas, el biólogo quiso esta vez que sus flores fueran de un malva aún más intenso. Fue allí cuando surgió la sorpresa: lo que floreció fueron flores blancas.

Hubo que aguardar al fin de los años 90 y a los primeros resultados obtenidos con un gusano y con una mosca para comprender las razones. Fueron luego los trabajos del profesor Andrew Fire (Carnegie Institute de Washington) y Craig Mello, publicados en 1998 en la revista “Nature”, los que permitieron poner en evidencia la existencia del mismo fenómeno, la posibilidad de “silenciar” a un gen, en otras especies vivas.

Comprobaron que los mensajeros pueden ser de dos tipos, unos copian uno de los renglones del ADN y otros el otro renglón, cuando se ponen juntos las dos copias , forman un mensajero de doble renglón, este tipo de mensajero llamado ARN de interferencia no lleva la información de la proteína a las ribosomas, ni deja que otras moléculas las lleven, se convierte en un destructor para los mensajeros que llevan su mismo código, los rompen e impiden que así que se fabrique la proteína, es decir silencian los genes.

Fue un descubrimiento con distintos alcances, los proceso biológicos que hacen posible el funcionamiento celular son muy complejos y esta complejidad tienen mucho que ver el descifrar las funciones de los diferentes genes que están activos en la célula, para estudiar las funciones de estos genes lo que muchos investigadores trataron de hacer es silenciar o inhibir esa función y esto se consigue con técnicas y procedimientos, los investigadores descubrimiento que las células tienen mecanismos muy eficientes para silenciar la actividad de genes muy concretos y de  esto se encarga el ARN interferente.

Dos equipos norteamericanos que trabajaron de forma independiente revelaron recientemente en Nature que un mecanismo como éste podría ser usado con fines terapéuticos. Uno de ellos estuvo encabezado por el argentino Raúl Andino, quien trabaja desde hace varios años en la Universidad de California. El otro equipo es de la Universidad de Massachusetts.
Otra cosa importantísima es que estos dos equipos acaban además de demostrar “in vitro” que pueden, mediante la utilización de este mecanismo, prevenir la infección de cultivos de células humanas con los virus responsables por un lado de la poliomielitis y, por otro, del sida.

El descubrimiento del ADN.

Hasta mediados del siglo 20 no se sospechaba que el ácido disoxirribonucleico, ADN, fuera la molécula capaz de asegurar la transmisión de los caracteres hereditarios de célula a célula, generación tras generación. Su limitada variedad química no permitía suponer que poseyera la versatilidad y ductilidad necesarias para almacenar la información genética de los seres vivos.

En 1869 un biólogo suizo Johann Friedrich Miesscher, utilizo primero alcohol caliente y luego una pepsina enzimatica, que separa la membrana celular y el citoplasma de la célula, el científico quería aislar el núcleo celular, concretamente en los núcleos de las células del pus obtenidas de los vendajes quirúrgicos desechados y en la esperma del salmón, sometió a este material a una fuerza centrifuga para aislar a los núcleos del resto y luego sometió solo a los núcleos a un análisis químico.

De esta manera Miescher identifico a un nuevo grupo de substancias celulares a las que denomino nucleínas, observo la presencia de fósforo, luego Richard Altmann las identifico como ácidos y les dio el nombre de ácidos nucleicos.

Robert Feulgen, en 1914, describió un método para revelar por tinción el ADN, basado en el colorante fucsina. Se encontró, utilizando este método, la presencia de ADN en el núcleo de todas las células eucariotas, específicamente en los cromosomas.

Durante los años 20, el bioquímico P.A. Levene analizo los componentes del ADN, los ácidos nucleicos y encontró que contenía cuatro bases nitrogenadas: citosina y timina (pirimidinas), adenina y guanina (purinas); el azúcar desoxirribosa; y un grupo fosfato. También demostró que se encontraban unidas en el orden fosfato-azúcar-base, formando lo que denomino un nucleótido. Levene también sugirió que los nucleótidos se encontraban unidos por los fosfatos formando el ADN. Sin embargo, Levene pensó que se trataban de cadenas cortas y que las bases se repetían en un orden determinado.

En el año 1928 Frederick Griffith investigando una enfermedad infecciosa mortal, la neumonía, estudió las diferencias entre una cepa de la bacteria Streptococcus peumoniae que producía la enfermedad y otra que no la causaba. La cepa que causaba la enfermedad estaba rodeada de una cápsula (también se la conoce como cepa S, del ingles smooth, o sea lisa, que es el aspecto de la colonia en las placas de Petri). La otra cepa (la R, de rugosa, que es el aspecto de la colonia en la placa de Petri) no tiene cápsula y no causa neumonía.

Griffith inyectó las diferentes cepas de la bacteria en ratones. La cepa S mataba a los ratones mientras que la cepa R no lo hacía. Luego comprobó que la cepa S, muerta por calentamiento, no causaba neumonía cuando se la inyectaba. Sin embargo cuando combinaba la cepa S muerta por calentamiento, con la cepa R viva, es decir con componentes individuales que no mata a los ratones e inyectaba la mezcla a los ratones, los ratones contraían la neumonía y morían.
Las bacterias que se aislaban de los ratones muertos poseían cápsula y, cuando se las inyectaba, mataban otros ratones. Frederick Griffith fue capaz de inducir la transformación de una cepa no patogénica Streptococcus pneumoniae en patogénica. Griffith postuló la existencia de un factor de transformación como responsable de este fenómeno.

El experimento de Hershey-Chase  ,el ADN es el material genético.

En 1952 Alfred Hershey y Martha Chase realizaron una serie de experimentos destinados a dilucidar si el ADN o las proteínas era el material hereditario. Marcando el ADN y las proteínas con isótopos radiactivos en un cultivo de un virus, se podía seguir el camino de las proteínas y del ADN en un experimento, demostrando cual de ellos entraba en la bacteria.

Ese seria el material hereditario (factor transformador de Griffith). Dado que el ADN contiene fósforo (P) pero no azufre (S), ellos marcaron el ADN con fósforo-32 radioactivo. Por otra parte, las proteínas no contienen P pero si S, y por lo tanto se marcaron con azufre-35. Hershey y Chase encontraron que el S-35 queda fuera de la célula mientras que el P-32 se lo encontraba en el interior, indicando que el ADN era el soporte físico de la herencia.

James Watson y Francis Crick

 

Un año después de los experimentos de Hershey-Chase apareció en la revista Nature, un artículo conjunto de Watson y Crick que narraba de forma cautelosa el descubrimiento que habían realizado; comenzaba con estas palabras:“Deseamos sugerir una estructura para la sal del ácido desoxirribonucleico (ADN).Esta estructura posee nuevas características que son de considerable interés biológico” .

Watson y Crick, escribieron en 1953, “ esta estructura tienen una novedoso caracteristica, la cual la hace tener una considerable interés biológico”.

Eligiendo los datos más relevantes de un cúmulo de información y analizaron con recortes de cartón y modelos de alambre y metal, fueron capaces de develar la estructura de la doble hélice de la molécula del ácido desoxirribonucleico, ADN, y formularon los principios de almacenamiento y transmisión de la información hereditaria. Este hallazgo les valió el premio Nobel, que compartieron con M.H.F. Wilkins.

El siguiente dibujo es origina de Watson y Crack y fue tomado del articulo publicado en la revista Nature,

Identificación.

El análisis de la estructura del ADN consiste en averiguar la secuencia de nucleótidos. Se han desarrollado diferentes métodos para obtener la secuencia de nucleótidos del ADN, los métodos más utilizados son el de secuenciación automática y el método enzimático de terminación de cadena de Sanger también conocido por el método didesoxi.

El experimento de hershey-chase, el ADN es el material genético.

En 1952 Alfred Hershey y Martha Chase, pertenecientes al grupo de biólogos del Cold Spring Harbor Laboratory, estudiaron la genética de los bacteriófagos, un bacteriófago o fago, es un virus que específicamente ataca e infecta una bacteria .

El virus utiliza a la bacteria para reproducirse, de las observaciones con el microscopio electrónico, ellos conocían que durante la infección el virus ataca a la bacteria por sus colas, se pensaba que los genes eran introducidos en la bacteria anfitrión, los cuales eran dirigidos a las enzimas de la bacteria para replicar al virus.

El siguiente dibujo nos muestra en forma muy esquemática los pasos en la reproducción del virus dentro de la bacteria y su ruptura con la distribución de nuevos virus.

Lo que se trataba de determinar la causa de la transformación de la bacteria en una factoría de fagos, como lo sugería el trabajo de Avery, el ADN del fago era un principio transformador.

De análisis previos se conocía que el ADN contiene átomos de fósforo P pero no azufre S, por otro lado las proteínas del virus contenían átomos de azufre pero no átomos de fósforo.

Se utilizo átomos radiactivos de fósforo 32P y azufre 35S para marcar selectivamente el ADN y la proteína del virus y al realizar la experiencia se quería saber que componente entraba en la infección de la bacteria.

En dos experimentos paralelos, se combino a los virus marcados con los átomos radiactivos con las bacterias,

se espero un tiempo suficiente para que los virus infecten a las bacterias y a este sistema se lo sometió a una licuadora ( Waring blender).

A continuación se sometió a las muestras a una centrifugación para separar los fagos de las bacterias, las bacterias son más grande y más pesadas que los virus, las bacterias se recogieron al fondo del tubo de ensayo, mientras que los fagos se quedaron en suspensión.

Examinando luego las dos muestras se verifico, en la marcada como 35S los nuevos fagos provenientes de la bacteria infectada no contenían el azufre radiactivo, la cubierta del fago la cual esta echa de proteína no fue usada dentro de la bacteria para hacer un nuevo fago.

Al investigar la muestra marcada con fósforo radiactivo 32P, el mismo se encontraba en los nuevos fagos, por lo tanto el ADN del fago fue usado dentro de la bacteria para hacer nuevos virus.

La cubierta del fago entrega el ADN dentro de la bacteria y es el ADN solamente el que lleva las instrucciones para replicar a los fagos dentro de la bacteria, luego el ADN es el material genético.

Características del ADN y el código genético de los humanos.

Toda la diversidad de vida que puebla la Tierra ha tenido un origen común, que tiene una interpretación a través de la comprensión de la molécula del ADN, la molécula de la vida.

Cada ser vivo es una secuencia única de acontecimientos que se han sucedido unos tras otros, sin interrupción desde el principio de la vida en este planeta; no importa cuando surgió la vida por primera vez en la Tierra o si hubo mas de un intento, lo que cuenta es que los seres vivos es el escalón final de una larga serie de éxitos.

Nosotros nacimos de una célula que albergaba en su interior una molécula con capacidad para copiarse a si misma, la molécula de ADN tuvo su origen hace mucho tiempo cuando la Tierra era un lugar con una atmósfera toxica, con rayos de enormes tormentas que surcaban un cielo cargado de azufre, metano y dióxido de carbono y en el suelo había lagos de moléculas de distintos tipos, una de las reacción química produjo moléculas con la propiedad de auto replicarse.

Aquella molécula original era muy distinta al ADN actual, pero desde entonces se a copiado a si misma sin cesar, en el tiempo transcurrido el proceso de copiado a tenido lugar una enorme cantidad de veces, en algún momento el proceso de replicación cometía errores y la molécula resultante difería en unos pocos átomos de la molécula madre, así de un único tronco fueron surgiendo multitud de ramas vitales. Algunos de los errores de copiado eran la causa que la cadena de divisiones se interrumpiera y dicha rama desaparecía,  pero nuestra rama como la de muchos seres vivientes, la que llego a la actualidad, siguió el camino  con éxito copia tras copia.

Cada ves que se producía un error en el proceso de copiado del ADN,  el error se incorporaba a la molécula haciéndola mas compleja, con nuevas propiedades y de ella nacía una nueva rama, muchas ramas desaparecieron pero otras prosperaron generando a su ves nuevas ramificaciones vitales, una cadena de éxitos que ha llegado hasta cada uno de nosotros, si hubiera habido una sola interrupción en el proceso de copiado, solo una, nuestro linaje no habríamos tenido la posibilidad de existir, compartimos esta suerte con cada ser vivo actual.

Cada ser ocupa un extremo del árbol de la vida, si volviéramos atrás veríamos como se juntan las ramas, reduciendo su numero hasta llegar a una rama común, si nos internamos mas aun en el lejano tiempo veríamos como se unen las distintas ramas de las distintas especies de mamíferos, después las de los vertebrados y así sucesivamente, hasta que todas las criaturas actuales vuelven a unirse hasta llegar a la molécula original que consiguió la propiedad de replicarse.

En 1953 los investigadores James Watson y Francis Crick descubrieron la estructura del ADN, una vez identificada la estructura, comenzó a desarrollarse la tecnología para leer letra a letra la información contenida en ella, fue en los años 70 cuando se demostró que era posible leer el mensaje genético de algunos virus y tan solo 10 años después algunos investigadores comenzaron a trabajar en la lectura letra a letra del código genético humano, en el año 2000 se anunció públicamente que se había terminado el primer borrador conteniendo la secuencia competa del genoma humano y la localización de los genes en los cromosomas, pero realmente fue un borrador de referencia, sin reparar en los detalles.

Gracias a la lectura del genoma humano sabemos que esta formado por un total de 3200 millones de letras genéticas, estas letras son de cuatro clases y con ellas esta escrito el código, lo mismo que sucede con la lengua que hablamos las letras genéticas se pueden ordenar con sentido o sin el, si un conjunto de letras esta ordenado con sentido significa algo, las letras m,e,s y a forman la palabra mesa pero colocadas en otro orden pueden crear una secuencia incomprensible, con el código genético sucede lo mismo, una secuencia de letras ordenadas  con sentido contienen la formula de una proteína valiosa para nuestro organismo se forma así una palabra genética a la que conocemos como gen.

Genoma humano.

Si tomamos el ADN de una persona como referencia y lo comparamos con el de otras personas, de cualquier origen y raza, veremos que hasta el 12% puede cambiar porque muchos de los fragmentos de la larga cadena se comportan de forma aparentemente extraña, unos están colocados en un lugar que no les corresponde, otros desaparecen sin explicación y en especialmente, una gran cantidad se repiten muchas veces.

El porcentaje del genoma humano que lleva codificado proteínas supera un poco al 1 % y el resto ¿que es?, pues hay de todo, algo menos del 30 % tiene significado, aunque no contenga información para construir proteínas y mas del 50 % consiste en secuencias repetidas de varios tipos, pedazos grandes de ADN, secuencias mas cortas que aparecen en distintos sitios repeticiones de unas pocas letras o una sola , algunos llamaron a esta parte código con el epígrafe de ADN basura (que no sirve para nada), pero hay científicos que no opinan lo mismo.

Cuando se estudia el genoma humano, se identifica dentro de el regiones que todas las personas tenemos y se comprueba que estas son variables en el numero de copias, en las distintas personas, que son repeticiones de “ párrafos ” del  ADN que aparecen en algunas personas mas que en otras, son regiones de tamaño considerable.

Variación global en el numero de copias en el genoma humano.

El trabajo se realiza en una cantidad definida de personas y para obtener una mayor variabilidad posible, por ejemplo 270 personas y se utiliza una tecnología de chips de ADN, en los cuales se puede interrogar la totalidad del genoma, cuantas copias existen de cada una de estas regiones.

Un estudio de variación del genoma humano es el proyecto internacional HapMap, que es un catálogo de variaciones genéticas de la especie humana, basada en el análisis del ADN de 270 individuos de las poblaciones de Nigeria , de Pekín, de japoneses de Tokio y residentes de Utah, en los Estados Unidos, con ancestros del occidente y norte europeos.

Las diferencias del genoma consisten en variaciones de 1400 regiones que son variables, entre dos personas puede haber hay de promedio unas 100 regiones del genoma que son distintas en el numero de copias, que se corresponde a 20 millones de letras del alfabeto del genoma, que comparado con el numero total de letras del genoma que tiene  3200 millones, seria una pequeña parte; esta seria la diferencia entre dos personas, pero si tomamos la totalidad de estas regiones abarcaría unas 360 millones de letras, entre las 270 personas o sea un 12 % del genoma y eso es lo que diferencia a toda la población humana a nivel global.

Existen otros tipos de variaciones, están aquellas variantes que no significan nada, como el cambio de una letra por otra pero sin implicar un cambio funcional, pero si hay variación que producen un cambio funcional y se denominan mutaciones, que es poco frecuente, menos del 1 % del genoma humano y se sabe que provocan enfermedades, según el estudio del HapMap hay aproximadamente un millón de cambios de una sola letra, como si en un conjunto de libros cambiamos la a por la b, la diferencia en que pase algo o no, es si al cambiar la letra podemos seguir leyendo el texto o que ese cambio de letra en la palabra produce un variación en el sentido de la misma, es decir el sentido de la frase no se lee y la proteína no es funcional y esto potencialmente es un problema.

Dentro de lo que es todo el genoma, se tienen esas diferencias de una sola letra o las repeticiones de trozos completos que están ligados a enfermedades, el problema reside que una persona tenga mas copias o menos y ambos casos están relacionados con enfermedad, si hay mas números de copias, en el caso del Alzheimer que es familiar y de inicio precoz, hay varios genes que teniendo mutaciones pueden dar lugar a esto y se sabe que uno de estos genes, si hay mas de una copia, dos o mas, hay familias con esta enfermedad.

Existe tanto el exceso de información como el defecto, la desaparición de un trozo de información genética se denomina deleción, si hay una ganancia, por ejemplo en las personas con una infección del virus del SIDA, los que tienen mas copias se sabe que progresan mas lentamente y que tienen una mejor respuesta y como perdida, en enfermedades sistémicas, las personas, al tener menos números de copias de un gen en concreto que esta implicado en la respuesta inmune están predispuestos por ejemplo a tener una enfermedad renal relacionada, si hay ganancia o perdida puede haber enfermedad.

De las 270 personas se han identificados cambios que sean específicos de una población y incidan en ello, algunas de estas variantes de regiones del genoma, el incremento del números de copias se da única y exclusivamente en poblaciones africanas o única y exclusivamente en población asiática, los defectos de este tipo de variantes que son especificas de una población se supone que pueden estar relacionadas con enfermedades que se dan con una prevalencia distinta en distintas poblaciones humanas o por ejemplo a respuestas a tratamientos, se sabe que hay tratamientos de enfermedades que funcionan mejor para individuos de ednia africana, por ejemplo o de origen asiático y se supone que puede haber variantes de números de copias detrás de estas diferencias en respuesta al tratamiento.

La delimitacion de esas variaciones, en distintas personas depende de las tecnologías actuales, por ejemplo los chips de ADN, por ejemplo de empresas como Affymetrix y con estos chips se puede llegar a detectar variantes de un tamaño de 70 kilo bases o 70000 bases (o letras), existen variantes mas pequeñas que estas tecnologías no se pueden detectar.

Las duplicaciones o repeticiones del genoma se especula que se producen , porque hay distintos mecanismos a nivel biológico, uno de ellos es la existencia de unos grupos de letras que por lo que sea tienen una susceptibilidad mayor a romperse que otros grupos y el hecho de producirse este tipo de roturas en algunas regiones del genoma daría lugar a que errores en la maquinaria de reparación pudieran de alguna manera dar lugar a este tipo de duplicaciones y de deleciones, hay zonas mas débiles o zonas que están predispuestas a sufrir este tipo de  ganancias y de perdidas, se ha visto que hay una clara asociación entre la existencia de estas variantes de numero de copias y la presencia de otro elemento que se llama duplicaciones segmentarías que son repeticiones de por si, hay como variantes de números de copias en regiones que existían previamente previamente repeticiones.

En forma muy esquemática, si hay una frase que se repite cada tantos párrafos y que entonces cuando uno lee de forma ordenada al ver esa frase repetida saltaría a la siguiente pero que en el mecanismos de duplicación del ADN se  equivoca y a veces se salta de una a otra y puede de la misma manera que dejar de  leer un párrafo poner otro, hay párrafos muy largos que se repiten, regiones largas de tamaño de 2 mega bases, 2 millones de bases o letras, que seria como repetir varias paginas o volúmenes. Las consecuencias de esto, se vera en un futuro, al analizar las enfermedades derivadas se ve los cambios de letras solamente, se tendrá que analizar los cambios de números de copia con una enfermedad determinada, no existiendo una diferencia entre hombre y mujer.

Hay 3000 genes conocidos que están dentro de estas regiones, que se repiten y de estos un 16 % aproximadamente se sabe que están relacionados con enfermedades porque se han visto cambios de letras ahí, por lo cual es obviamente de esperar que las variaciones de este numero de copias de estos genes se relacione con la enfermedad, las personas tienen 25000 genes, un 10 o 12 % de estos genes se encuentran dentro de estas regiones.

 

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