Funcionamiento del
ADN, la historia de su descubrimiento e identificación.
Este documento estudia el tema del
ADN, que es la abreviatura del ácido desoxirribonucleico
(en inglés DNA Deoxyribonucleic Acid). Es el principal componente
del material genético de los organismos, componente químico primario de los
cromosomas y el material en el que los genes están codificados.
El estudio comienza analizando
el tema en una forma fácil de entender y va luego profundizando en la materia
como se indica en el siguiente índice.
Proceso de interferencia de ARN.
El
descubrimiento de la estructura 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.
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.
Ver este
experimento con mas detalle.
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,
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.
Eduardo Ghershman
Enlaces.
El
experimento de hershey-chase, el ADN es el material genético.
Características
del ADN y el código genético de los humanos.
