Ácido desoxirribonucleico«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.

Animación de parte de una estructura de ADN de doble hélice

El ácido desoxirribonucleico, abreviado como ADN, es un ácido nucleico que contiene

las instrucciones genéticasusadas en el desarrollo y funcionamiento de todos

los organismos vivos conocidos y algunos virus, y es responsable de su

transmisión hereditaria. La función principal de la molécula de ADN es el almacenamiento

a largo plazo deinformación. Muchas veces, el ADN es comparado con un plano o una

receta, o un código, ya que contiene las instrucciones necesarias para construir otros

componentes de las células, como las proteínas y las moléculas deARN. Los segmentos

de ADN que llevan esta información genética son llamados genes, pero las otras

secuencias de ADN tienen propósitos estructurales o toman parte en la regulación del uso

de esta información 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 unidades simples

conectadas entre sí, como si fuera un largo tren formado porvagones. En el ADN,

cada vagón es un nucleótido, y cada nucleótido, a su vez, está formado por un azúcar

(ladesoxirribosa), una base nitrogenada (que puede

ser adenina→A, timina→T, citosina→C o guanina→G) y un grupofosfato que actúa como

enganche de cada vagón con el siguiente. Lo que distingue a un vagón (nucleótido) de otro

es, entonces, la base nitrogenada, y por ello la secuencia del ADN se especifica

nombrando sólo la secuencia de sus bases. La disposición secuencial de estas cuatro

bases a lo largo de la cadena (el ordenamiento de los cuatro tipos de vagones a lo largo de

todo el tren) es la que codifica la información genética: por ejemplo, una secuencia de ADN

puede ser ATGCTAGATCGC... En los organismos vivos, el ADN se presenta como una

doble cadena de nucleótidos, en la que las dos hebras están unidas entre sí por unas

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 trenes de nucleótidos, más cortos y con unas

unidades diferentes, llamados ARN. Las moléculas de ARN se copian exactamente del

ADN mediante un proceso denominado transcripción. Una vez procesadas en elnúcleo

celular, las moléculas de ARN pueden salir al citoplasma para su utilización posterior. La

información contenida en el ARN se interpreta usando el código genético, que especifica la

secuencia de los aminoácidos de las proteínas, según una correspondencia de un triplete

de nucleótidos (codón) para cada aminoácido. Esto es, la información genética

(esencialmente: qué proteínas se van a producir en cada momento del ciclo de vida 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 código genético a modo de

diccionario. El diccionario "secuencia de nucleótido-secuencia de aminoácidos" permite el

ensamblado de largas cadenas de aminoácidos (las proteínas) en el citoplasma de la

célula. Por ejemplo, en el caso de la secuencia de ADN indicada antes

(ATGCTAGATCGC...), la ARN polimerasa utilizaría como molde 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 traduciría como la secuencia de aminoácidos metionina-leucina-

ácido aspártico-arginina-...

Las secuencias de ADN que constituyen la unidad fundamental, física y funcional de la

herencia se denominan genes. Cada gen contiene una parte que se transcribe a ARN y

otra que se encarga de definir cuándo y dónde deben expresarse. La información

contenida en los genes (genética) se emplea para generar ARN y proteínas, que son los

componentes básicos de las células, los "ladrillos" que se utilizan para la construcción de

los orgánulos u organelos celulares, entre otras funciones.

Dentro de las células, el ADN está organizado en estructuras llamadas cromosomas que,

durante el ciclo celular, se duplican antes de que la célula se divida. Los organismos

eucariotas (por ejemplo, animales, plantas, y hongos) almacenan la mayor parte de su

ADN dentro del núcleo celular y una mínima parte en elementos

celulares llamados mitocondrias, y en los plastos y los centros organizadores

de microtúbulos ocentríolos, en caso de tenerlos; los organismos

procariotas (bacterias y arqueas) lo almacenan en el citoplasma de la célula, y, por último,

losvirus ADN lo hacen en el interior de la cápside de naturaleza proteica. Existen multitud

de proteínas, como por ejemplo las histonas y los factores de transcripción, que se unen al

ADN dotándolo de una estructura tridimensional determinada y regulando su expresión.

Los factores de transcripción reconocen secuencias reguladoras del ADN y especifican la

pauta de transcripción de los genes. El material genético completo de una dotación

cromosómica se denomina genoma y, con pequeñas variaciones, es característico de

cada especie.

Índice

  [ocultar] 

1 Historia de la genética

2 Propiedades físicas y químicas

o 2.1 Componentes

o 2.2 Apareamiento de bases

2.2.1 Otros tipos de pares de bases

o 2.3 Estructura

2.3.1 Estructuras en doble hélice

2.3.2 Estructuras en cuádruplex

o 2.4 Hendiduras mayor y menor

o 2.5 Sentido y antisentido

o 2.6 Superenrollamiento

3 Modificaciones químicas

o 3.1 Modificaciones de bases del ADN

o 3.2 Daño del ADN

4 Funciones biológicas

o 4.1 Genes y genoma

4.1.1 El ADN codificante

4.1.2 El ADN no codificante

o 4.2 Transcripción y traducción

o 4.3 Replicación del ADN

4.3.1 Hipótesis sobre la duplicación del ADN

5 Interacciones ADN-proteína

o 5.1 Proteínas que unen ADN

5.1.1 Interacciones inespecíficas

5.1.2 Interacciones específicas

o 5.2 Enzimas que modifican el ADN

5.2.1 Nucleasas y ligasas

5.2.2 Topoisomerasas y helicasas

5.2.3 Polimerasas

6 Recombinación genética

7 Evolución del metabolismo de ADN

8 Técnicas comunes

o 8.1 Tecnología del ADN recombinante

o 8.2 Secuenciación

o 8.3 Reacción en cadena de la polimerasa (PCR)

o 8.4 Southern blot

o 8.5 Chips de ADN

9 Aplicaciones

o 9.1 Ingeniería genética

o 9.2 Medicina forense

o 9.3 Bioinformática

o 9.4 Nanotecnología de ADN

o 9.5 Historia, antropología y paleontología

10 Véase también

11 Referencias

o 11.1 Notas

o 11.2 Bibliografía

12 Enlaces externos

Historia de la genética[editar]

Artículo principal: Historia de la genética

Friedrich Miescher, biólogo y médico suizo (1844-1895).

El ADN lo aisló por primera vez, durante el invierno de 1869, el médico suizo Friedrich

Miescher mientras trabajaba en la Universidad de Tubinga. Miescher realizaba

experimentos acerca de la composición química del pus de

vendas quirúrgicas desechadas cuando notó un precipitado de una sustancia desconocida

que caracterizó químicamente más tarde.2 3 Lo llamó nucleína, debido a que lo había

extraído a partir de núcleos celulares.4 Se necesitaron casi 70 años de investigación para

poder identificar los componentes y la estructura de los ácidos nucleicos.

En 1919 Phoebus Levene identificó que un nucleótido está formado por una base

nitrogenada, un azúcar y un fosfato.5 Levene sugirió que el ADN generaba una estructura

con forma de solenoide (muelle) con unidades de nucleótidos unidos a través de los

grupos fosfato. En 1930 Levene y su maestro Albrecht Kossel probaron que la nucleína de

Miescher es un ácido desoxirribonucleico (ADN) formado por cuatro bases nitrogenadas

(citosina (C), timina (T), adenina (A) y guanina (G)), el azúcar desoxirribosa y un grupo

fosfato, y que, en suestructura básica, el nucleótido está compuesto por un azúcar unido a

la base y al fosfato.6 Sin embargo, Levene pensaba que la cadena era corta y que las

bases se repetían en un orden fijo. En 1937 William Astbury produjo el primer patrón

de 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 básica de

experimentos de la genética moderna realizados por Frederick Griffith, quien estaba

trabajando con cepas "lisas" (S) o "rugosas" (R) de la bacteria Pneumococcus (causante

de la neumonía), según la presencia (S) o no (R) de una cápsula azucarada, que es la que

confiere virulencia (véase también experimento de Griffith). La inyección de neumococos S

vivos en ratones produce la muerte de éstos, y Griffith observó que, si inyectaba ratones

con neumococos R vivos o con neumococos S muertos por calor, los ratones no morían.

Sin embargo, si inyectaba a la vez neumococos R vivos y neumococos S muertos, 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 un tipo bacteriano a otro por medio de

una transferencia de alguna sustancia activa, que denominó principio transformante. Esta

sustancia proporcionaba la capacidad a los neumococos R de producir una cápsula

azucarada y transformarse así en virulentas. En los siguientes 15 años, estos

experimentos iniciales se replicaron mezclando distintos tipos de cepas bacterianas

muertas por el calor con otras vivas, tanto en ratones (in vivo) como en tubos de ensayo

(in vitro).8 La búsqueda del «factor transformante» que era capaz de hacer virulentas a

cepas que inicialmente no lo eran continuó hasta 1944, año en el cual Oswald Avery, Colin

MacLeod y Maclyn McCarty realizaron un experimento hoy clásico. Estos investigadores

extrajeron la fracción activa (el factor transformante) y, mediante análisis químicos,

enzimáticos y serológicos, observaron que no contenía proteínas, ni lípidos no ligados, ni

polisacáridos activos, sino que estaba constituido principalmente por "una forma viscosa

de ácido desoxirribonucleico altamente polimerizado", es decir, ADN. El ADN extraído de

las cepas bacterianas S muertas por el calor lo mezclaron "in vitro" con cepas R vivas: el

resultado fue que se formaron colonias bacterianas S, por lo que se concluyó

inequívocamente que el factor o principio transformante era el ADN.9

A pesar de que la identificación del ADN como principio transformante aún tardó varios

años en ser universalmente aceptada, este descubrimiento fue decisivo en el conocimiento

de la base molecular de la herencia, y constituye el nacimiento de la genética molecular.

Finalmente, el papel exclusivo del ADN en la heredabilidad fue confirmado

en 1952 mediante los experimentos de Alfred Hershey y Martha Chase, en los cuales

comprobaron que el fago T2 transmitía su información genética en su ADN, pero no en su

proteína10 (véase también experimento de Hershey y Chase).

En cuanto a la caracterización química de la molécula, Chargaff realizó en 1940 algunos

experimentos que le sirvieron para establecer las proporciones de las bases nitrogenadas

en el ADN. Descubrió que las proporciones de purinas eran idénticas 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 el 70 por ciento del contenido total.6 Con toda esta información y

junto con los datos de difracción de rayos X proporcionados por Rosalind Franklin, James

Watson y Francis Crick propusieron en 1953 el modelo de la doble hélice de ADN para

representar la estructura tridimensional del polímero.11 En una serie de cinco artículos en el

mismo número de Nature se publicó la evidencia experimental que apoyaba el modelo de

Watson y Crick.12 De éstos, el artículo de 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 mismo número de Nature también aparecía un artículo sobre la

estructura del ADN de Maurice Wilkins y sus colaboradores.15

Watson, Crick y Wilkins recibieron conjuntamente, en 1962, después de la muerte de

Rosalind Franklin, el Premio Nobel en Fisiología o Medicina.16 Sin embargo, el debate

continúa sobre quién debería recibir crédito por el descubrimiento.17

Propiedades físicas y químicas[editar]

Estructura química del ADN: dos cadenas de nucleótidos conectadas mediante puentes de

hidrógeno, que aparecen como líneas punteadas.

El ADN es un largo polímero formado por unidades repetitivas, los nucleótidos.18 19 Una

doble cadena de ADN mide de 22 a 26 angstroms (2,2 a 2,6 nanómetros) de ancho, y una

unidad (un nucleótido) mide 3,3 Å (0,33 nm) de largo.20 Aunque cada unidad individual que

se repite es muy pequeña, los polímeros de ADN pueden ser moléculasenormes que

contienen millones de nucleótidos. Por ejemplo, el cromosoma humano más largo,

el cromosoma número 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 de caracol, denominada doble hélice.

El modelo de estructura en doble hélice fue propuesto en 1953 porJames

Watson y Francis Crick (el artículo «Molecular Structure of Nucleic Acids: A Structure for

Deoxyribose Nucleic Acid» fue publicado el 25 de abril de 1953 en Nature), después de

obtener una imagen de la estructura de doble hélice gracias a la refracción por rayos X

hecha por Rosalind Franklin.22 El éxito de este modelo radicaba en su consistencia con las

propiedades físicas y químicas del ADN. El estudio mostraba además que

la complementariedad de bases podía ser relevante en su replicación, y también la

importancia de la secuencia de bases como portadora de información genética.23 24 25 Cada

unidad que se repite, el nucleótido, contiene un segmento de la 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 un azúcar y a uno o más grupos fosfatos recibe

el nombre de nucleótido.

Cuando muchos nucleótidos se encuentran unidos, como ocurre en el ADN, el polímero

resultante se denominapolinucleótido.26

Componentes[editar]

Estructura de soporte: La estructura de soporte de una hebra de ADN está formada por

unidades alternas de grupos fosfato y azúcar (desoxirribosa).27 El azúcar 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.

Su fórmula química es H3PO4. Cada nucleótido puede contener uno

(monofosfato: AMP), dos (difosfato: ADP) o tres (trifosfato:ATP) grupos de ácido

fosfórico, aunque como monómeros constituyentes de los ácidos nucleicos sólo

aparecen en forma de nucleósidos monofosfato.

Desoxirribosa :

Es un monosacárido de 5 átomos de carbono (una pentosa) derivado de la ribosa,

que forma parte de la estructura de nucleótidos del ADN. Su fórmula es C5H10O4.

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, que

forman 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. En

una 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 denomina antiparalela; son cadenas paralelas, pero con direcciones opuestas.

De la misma manera, los extremos asimétricos de las hebras de ADN se

denominan extremo 5′ («cinco prima») y extremo 3′ («tres prima»),

respectivamente.

Bases nitrogenadas :

Las cuatro bases nitrogenadas mayoritarias que se encuentran en el ADN son

la adenina (A), la citosina (C), la guanina (G) y latimina (T). Cada una de estas

cuatro bases está unida al armazón de azúcar-fosfato a través del azúcar para

formar el nucleótido completo (base-azúcar-fosfato). Las bases son compuestos

heterocíclicos y aromáticos con dos o más átomos denitrógeno, y, dentro de las

bases mayoritarias, se clasifican en dos grupos: las bases

púricas o purinas (adenina y guanina), derivadas de la purina y formadas por dos

anillos unidos entre sí, y las bases pirimidínicas o bases

pirimídicas o pirimidinas(citosina y timina), derivadas de la pirimidina y con un solo

anillo.25 En los ácidos nucleicos existe una quinta base pirimidínica,

denominada uracilo (U), que normalmente ocupa el lugar de la timina en el ARN y

difiere de ésta en que carece de un grupo metilo en su anillo. El uracilo no se

encuentra habitualmente en el ADN, sólo aparece raramente como un producto

residual de la degradación de la citosina por procesos de desaminación oxidativa.

Timina: 2, 4-dioxo, 5-metilpirimidina.

Timina :

En el código genético se representa con la letra T. Es un derivado pirimidínico con

un grupo oxo en las posiciones 2 y 4, y un grupo metil en la posición 5. Forma

el nucleósido timidina (siempre desoxitimidina, ya que sólo aparece en el ADN) y

el nucleótido timidilato o timidina monofosfato (dTMP). En el ADN, la timina

siempre se empareja con la adenina de la cadena complementaria mediante

2 puentes de hidrógeno, T=A. Su fórmula química es C5H6N2O2 y su nomenclatura

2, 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 el nucleótido citidilato o

(desoxi)citidina monofosfato (dCMP en el ADN, CMP en el ARN). La citosina

siempre se empareja en el ADN con la guanina de la cadena complementaria

mediante un triple enlace, C≡G. Su fórmula química es C4H5N3O y su nomenclatura

2-oxo, 4 aminopirimidina. Su masa molecular es de 111,10 unidades de masa

atómica. La citosina se descubrió en 1894, al aislarla del tejido del timo de carnero.

Adenina: 6-aminopurina.

Adenina :

En el código genético se representa con la letra A. Es un derivado de la purina con

un grupo amino en la posición 6. Forma el nucleósido adenosina (desoxiadenosina

en el ADN) y el nucleótido adenilato o (desoxi)adenosina monofosfato (dAMP,

AMP). En el ADN siempre se empareja con la timina de la cadena complementaria

mediante 2 puentes de hidrógeno, A=T. Su fórmula química es C5H5N5 y su

nomenclatura 6-aminopurina. La adenina, junto con la timina, fue descubierta en

1885 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 un

grupo 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 empareja en el ADN con la citosina de la

cadena 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 nitrogenadas minoritarias), derivadas

de forma natural o sintética de alguna otra base

mayoritaria. Lo son por ejemplo la hipoxantina,

relativamente abundante en el 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.

Las bases nitrogenadas tienen una serie de

características que les confieren unas propiedades

determinadas. Una característica importante es su

carácter aromático, consecuencia de la presencia en el

anillo de dobles enlaces en posición conjugada. Ello les

confiere la capacidad de absorber luz en la

zona ultravioleta del espectro en torno a los 260 nm, lo

cual puede aprovecharse para determinar el coeficiente

de extinción del ADN y hallar la concentración existente

de los ácidos nucleicos. Otra de sus características es

que presentan tautomería o isomería de grupos

funcionales, debido a que un átomo de hidrógeno unido a

otro átomo puede migrar a una posición vecina; en las

bases nitrogenadas se dan dos tipos de tautomerías:

tautomería lactama-lactima, donde el hidrógeno migra del

nitrógeno al oxígeno del grupo oxo (forma lactama) y

viceversa (forma lactima), y tautomería imina-

amina primaria, donde el hidrógeno puede estar formando

el grupo amina (forma amina primaria) o migrar al

nitrógeno adyacente (forma imina). La adenina sólo

puede presentar tautomería amina-imina, la timina y el

uracilo muestran tautomería doble lactama-lactima, y la

guanina y citosina pueden presentar ambas. Por otro

lado, y aunque se trate de moléculas apolares, las bases

nitrogenadas presentan suficiente carácter polar como

para establecer puentes de hidrógeno, ya que tienen

átomos muy electronegativos (nitrógeno y oxígeno) que

presentan carga parcial negativa, y átomos de hidrógeno

con carga parcial positiva, de manera que se forman

dipolos que permiten que se formen estos enlaces

débiles.

Se estima que el genoma humano haploide tiene

alrededor de 3000 millones de pares 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 muy utilizadas, la kilobase (kb), que

equivale a 1000 pares de bases, y la megabase (Mb), que

equivale a un millón de pares de bases.

Apareamiento de bases[editar]

Véase también: Par de bases

Un par de bases C≡G con trespuentes de hidrógeno.

Un par A=T con dos puentes de hidrógeno. Los puentes de

hidrógeno se muestran como líneas discontinuas.

La dóble hélice de ADN se mantiene estable mediante la

formación de puentes de hidrógeno entre las bases

asociadas a cada una de las dos hebras. Para la

formación 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

cargado electronegativamente (C=O o N). Los puentes de

hidrógeno son uniones más débiles que los

típicos enlaces químicoscovalentes, como los que

conectan los átomos en cada hebra de ADN, pero más

fuertes que interacciones hidrófobas individuales,enlaces

de Van der Waals, etc. Como los puentes de hidrógeno

no son enlaces covalentes, pueden romperse y formarse

de nuevo de forma relativamente sencilla. Por esta razón,

las dos hebras de la doble hélice pueden separarse como

una cremallera, bien por fuerza mecánica o por

alta temperatura.28 La doble hélice se estabiliza además

por el efecto hidrofóbico y el 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 base en la otra hebra, lo que

se denominacomplementariedad de las bases. Así, las

purinas forman enlaces con las pirimidinas, de forma que

A se enlaza sólo con T, y C sólo con G. La organización

de dos nucleótidos apareados a lo largo de la doble hélice

se denomina apareamiento de bases. Este

emparejamiento corresponde a la observación ya

realizada por Erwin Chargaff (1905-2002),30 que mostró

que la cantidad de adenina era muy similar a la cantidad

de timina, y que la cantidad de citosina era igual a la

cantidad de guanina en el ADN. Como resultado de esta

complementariedad, toda la información contenida en la

secuencia de doble hebra de 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 y específica entre pares de bases

complementarias es crítica para todas las funciones del

ADN en los organismos vivos.18

Como se ha indicado anteriormente, los dos tipos de

pares de bases forman un número 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 por tanto más fuerte que el par de

bases AT. Como consecuencia, tanto el porcentaje de

pares de bases GC como la longitud total de la doble

hélice de ADN determinan la fuerza de la asociación entre

las dos hebras de ADN. Las dobles hélices largas de ADN

con alto contenido en GC tienen hebras que interaccionan

más 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 separarse fácilmente

tienden a tener un alto contenido en AT, como por

ejemplo la secuencia TATAAT de la caja de Pribnow de

algunos promotores.32 En el laboratorio, la fuerza de esta

interacción puede medirse buscando la temperatura

requerida para romper los puentes de hidrógeno,

la temperatura de fusión (también denominado valor Tm,

del inglés melting temperature). Cuando todas las pares

de bases en una doble hélice se funden, las hebras se

separan en solución en dos hebras completamente

independientes. Estas moléculas de ADN de hebra simple

no tienen una única forma común, sino que algunas

conformaciones son más estables que otras.33

Otros tipos de pares de bases[editar]

Par de bases A=T de tipo Watson-Crick. En azul el

donador de hidrógenos y en rojo el aceptor.

Par de bases A=T de tipo Watson-Crick reverso. En azul

el donador de hidrógenos y en rojo el aceptor. Nótese que

la pirimidina ha sufrido un giro de 180º sobre el eje del

carbono 6.

Existen diferentes tipos de pares de bases que se pueden

formar según el modo como se forman los puentes de

hidrógeno. Los que se observan en la doble hélice de

ADN son los llamados pares de bases Watson-Crick, pero

también existen otros posibles pares de bases, como los

denominados Hoogsteen y Wobble u oscilante, que

pueden aparecer en circunstancias particulares. Además,

para cada tipo existe a su vez el mismo par reverso, es

decir, el que se da si se gira la base pirimidínica 180º

sobre su eje.

Watson-Crick  (pares de bases de la doble hélice): los

grupos de la base púrica que intervienen en el enlace

de hidrógeno son los que corresponden a las

posiciones 1 y 6 (N aceptor y -NH2 donador si la

purina es una A) y los grupos de la base pirimidínica,

los que se encuentran en las posiciones 3 y 4 (-NH

donador y C=O aceptor si la pirimidina es una T). En

el par de bases Watson-Crick reverso participarían

los grupos de las posiciones 2 y 3 de la base

pirimidínica (ver imágenes).

Hoogsteen : en este caso cambian los grupos de la

base púrica, que ofrece una cara diferente

(posiciones 6 y 7) y que forman enlaces con los

grupos de las pirimidinas de las posiciones 3 y 4

(como en Watson-Crick). También puede 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 y citosina con un doble enlace

(G=T). La base púrica (G) forma enlace con los

grupos 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 funcionaría

con A=C, ya que quedarían enfrentados los 2

aceptores y los 2 donadores, y sólo se podría dar en

el caso inverso. Encontramos pares de bases de tipo

oscilante en el ARN, durante el apareamiento

de codón 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 bases nitrogenadas: 10 posibles pares

de bases purina-pirimidina (2 pares Watson-Crick y 2

Watson Crick reverso, 1 par Hoogsteen y 2 pares

Hoogsteen reverso, 1 par oscilante y 2 pares oscilante

reverso), 7 pares homo purina-purina (A=A, G=G), 4

pares A=G y 7 pares pirimidina-pirimidina. Esto sin contar

con los pares de bases que pueden formarse si también

tenemos en cuenta las otras formas tautoméricas

minoritarias de las bases nitrogenadas; éstos, además,

pueden ser responsables de mutaciones puntuales por

sustitución de tipo transición.

Estructura[editar]

El ADN es una molécula bicatenaria, es decir, está

formada por dos cadenas dispuestas de forma

antiparalela y con las bases nitrogenadas enfrentadas. En

su estructura tridimensional, se distinguen distintos

niveles:34 35

1. Estructura primaria:

Secuencia de nucleótidos encadenados. Es

en estas cadenas donde se encuentra la

información genética, y dado que el

esqueleto es el mismo para todos, la

diferencia de la información radica en la

distinta secuencia de bases nitrogenadas.

Esta secuencia presenta un código, que

determina una información u otra, según el

orden de las bases.

2. Estructura secundaria:

Es una estructura en doble hélice. Permite

explicar el almacenamiento de la información

genética y el mecanismo de duplicación del

ADN. Fue postulada por Watson y Crick,

basándose en la difracción de rayos X que

habían realizado Franklin y Wilkins, y en 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

guanina de una cadena se unen,

respectivamente, a la timina y la citosina de

la otra. Ambas cadenas son antiparalelas,

pues el extremo 3´ de una se enfrenta al

extremo 5´ de la homóloga.

Existen tres modelos de ADN. El ADN de tipo

B es el más abundante y 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, para formar

los cromosomas. Varía según se trate de

organismos procariotas o eucariotas:

2. En procariotas el ADN se pliega como

una súper-hélice, generalmente en forma

circular y asociada a una pequeña

cantidad de proteínas. Lo mismo ocurre

enorgánulos celulares como

las mitocondrias y en los cloroplastos.

3. En eucariotas, dado que la cantidad de

ADN de cada cromosoma es muy

grande, el empaquetamiento ha de ser

más complejo y compacto; para ello se

necesita la presencia de proteínas, como

las histonas y otras proteínas de

naturaleza no histónica (en

los espermatozoides estas proteínas son

las protaminas).34

4. Estructura cuaternaria:

La cromatina presente en el núcleo tiene un grosor de 300 Å, pues la fibra de

cromatina de 100 Å se enrolla formando una fibra de cromatina de 300 Å. El

enrollamiento de los nucleosomas recibe el nombre de solenoide. Dichos

solenoides se enrollan formando la cromatina del núcleo interfásico de la célula

eucariota. Cuando la célula entra en división, el ADN se compacta más,

formando así los cromosomas.

Estructuras en doble hélice[editar]

De izquierda a derecha, las estructuras de ADN A, B y

Z.

El ADN existe en muchas conformaciones.27 Sin

embargo, en organismos vivos sólo se han observado

las conformaciones ADN-A, ADN-B y ADN-Z. La

conformación que adopta el ADN depende de su

secuencia, la cantidad y dirección

de superenrollamiento que presenta, la presencia

de modificaciones químicas en las bases y las

condiciones de la solución, tales como la

concentración de iones de metales ypoliaminas.36 De

las tres conformaciones, la forma "B" es la más

común en las condiciones existentes en las

células.37 Las dos dobles 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", con una hendidura menor

superficial y más amplia, y una hendidura mayor más

estrecha y profunda. La forma "A" ocurre en

condiciones no fisiológicas en formas deshidratadas

de ADN, mientras que en la célula puede producirse

en apareamientos híbridos de hebras ADN-ARN,

además de en complejos enzima-ADN.38 39

Los segmentos de ADN en los que las bases han sido

modificadas por metilación pueden sufrir cambios

conformacionales mayores y adoptar la forma "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 Estas

estructuras poco frecuentes pueden ser reconocidas

por proteínas específicas que se unen a ADN-Z y

posiblemente estén implicadas en la regulación de

la transcripción.41

Estructuras en cuádruplex[editar]

Estructura de un ADN en cuádruplex formada por

repeticiones en los telómeros. La conformación de la

estructura de soporte del ADN difiere significativamente de

la típica estructura en hélice.42

En los extremos de los cromosomas lineales existen

regiones especializadas de ADN

denominadas telómeros. La función principal de estas

regiones es permitir a la célula replicar los extremos

cromosómicos utilizando la enzima telomerasa,

puesto que las enzimas que replican el resto del ADN

no pueden copiar los extremos 3' de los

cromosomas.43 Estas terminaciones cromosómicas

especializadas también protegen los extremos del

ADN, y evitan que los sistemas dereparación del

ADN en la célula los procesen como ADN dañado

que debe ser corregido.44 En las células humanas, los

telómeros son largas zonas de ADN de hebra sencilla

que contienen algunos miles de repeticiones de una

única secuencia TTAGGG.45

Estas secuencias ricas en guanina pueden estabilizar

los extremos cromosómicos mediante la formación de

estructuras de juegos apilados de unidades de cuatro

bases, en lugar de los pares de bases encontrados

normalmente en otras estructuras de ADN. En este

caso, cuatro bases guanina forman unidades con

superficie plana que se apilan una sobre otra, para

formar una estructura cuádruple-G estable.46 Estas

estructuras se estabilizan formando puentes de

hidrógeno entre los extremos de las bases y

la quelatación de un metal iónico en el centro de cada

unidad de cuatro bases.47 También se pueden formar

otras estructuras, con el juego central de cuatro

bases procedente, o bien de una hebra sencilla

plegada alrededor de las bases, o bien de varias

hebras paralelas diferentes, de forma que cada una

contribuye con una base a la estructura central.

Además de estas estructuras apiladas,

los telómeros también forman largas estructuras 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 un amplio

círculo estabilizado por proteínas que se unen a

telómeros.48 En el extremo del 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 aparea a 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[editar]

Animación de la estructura de una sección de ADN. Las

bases se encuentran horizontalmente entre las dos

hebras en espiral. Versión ampliada 49

Doble hélice: a) Dextrógira, b) Levógira.

La doble hélice es una espiral dextrógira, esto es,

cada una de las cadenas denucleótidos gira a

derechas; esto puede verificarse si nos fijamos,

yendo de abajo a arriba, en la dirección que siguen

los segmentos de las hebras que quedan en primer

plano. Si las dos hebras giran a derechas se dice que

la doble hélice es dextrógira, y si giran a

izquierdas, levógira (esta forma puede aparecer en

hélices alternativas debido a cambios

conformacionales en el ADN). Pero en la

conformación 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 a izquierdas), se forman

huecos o hendiduras entre una hebra y la otra,

dejando expuestos los laterales de las bases

nitrogenadas del interior (ver la animación). En la

conformación más común que adopta el ADN

aparecen, como consecuencia de los ángulos

formados entre los azúcares de ambas cadenas de

cada par de bases nitrogenadas, dos tipos de

hendiduras alrededor de la superficie de la doble

hélice: una de ellas, la hendidura o surco mayor, que

mide 22 Å (2,2 nm) de ancho, y la otra, la hendidura o

surco menor, que mide 12 Å (1,2 nm) de

ancho.51 Cada vuelta de hélice, que es cuando ésta

ha realizado un giro de 360º o lo 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 10,5pb.

Hendiduras mayor y menor de la doble hélice.

La anchura de la hendidura mayor implica que los

extremos de las bases son más accesibles en ésta,

de forma que la cantidad de grupos químicos

expuestos también 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 el reconocimiento de secuencias de ADN

por parte de diferentes proteínas sin la necesidad de

abrir la doble hélice. Así, proteínas como los factores

de transcripción que pueden unirse a secuencias

específicas, frecuentemente contactan con los

laterales de las bases expuestos en la hendidura

mayor.52 Por el contrario, los grupos químicos que

quedan expuestos en la hendidura menor son

similares, de forma que el reconocimiento de los

pares de bases es más difícil; por ello se dice que la

hendidura mayor contiene más información que la

hendidura menor.50

Sentido y antisentido[editar]

Artículo principal: Antisentido

Una secuencia de ADN se denomina "sentido" (en

inglés, sense) si su secuencia es la misma que la

secuencia de un ARN mensajero que se traduce en

una proteína. La secuencia de la hebra de ADN

complementaria se

denomina "antisentido" (antisense). En ambas hebras

de ADN de la doble hélice pueden existir tanto

secuencias sentido, que codifican ARNm,

como antisentido, que no lo codifican. Es decir, las

secuencias que codifican ARNm no están todas

presentes en una sola de las hebras, sino repartidas

entre las dos hebras. Tanto en procariotas como

en eucariotas se producen ARN con

secuencias antisentido, pero la función de esos ARN

no está completamente clara.53 Se ha propuesto que

los ARN antisentido están implicados en la regulación

de la expresión génica mediante apareamiento ARN-

ARN: los ARN antisentido se aparearían con los

ARNm complementarios, bloqueando de esta forma

su traducción.54

En unas pocas secuencias de ADN en procariotas y

eucariotas (este hecho es más frecuente

en plásmidos y virus), la distinción entre

hebras sentido y antisentido es más difusa, debido a

que presentan genes superpuestos.55 En estos casos,

algunas secuencias de ADN tienen una función doble,

codificando una proteína cuando se lee a lo largo de

una hebra, y una segunda proteína cuando se lee en

la dirección contraria a lo largo de la otra hebra.

En bacterias, esta superposición puede estar

involucrada en la regulación de la transcripción del

gen,56 mientras que en virus los genes superpuestos

aumentan la cantidad de información que puede

codificarse en sus diminutos genomas.57

Superenrollamiento[editar]

Estructura de moléculas de ADN lineales con los

extremos fijos y superenrolladas. Por claridad, se ha

omitido la estructura en hélice del ADN.

El ADN puede retorcerse como una cuerda en un

proceso que se denomina superenrollamiento del

ADN(«supercoiling», en inglés). Cuando el ADN está

en un estado "relajado", una hebra normalmente gira

alrededor del eje de la doble hélice una vez cada 10,4

pares de bases, pero si el ADN está retorcido las

hebras 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 es positivo, y las bases se

mantienen juntas de forma más estrecha. Si el ADN

se retuerce en la dirección opuesta, el

superenrollamiento se llama negativo, y las bases se

alejan. En la naturaleza, la mayor parte del ADN tiene

un ligero superenrollamiento negativo que es

producido

por enzimas denominadas topoisomerasas.59 Estas

enzimas también son necesarias para liberar las

fuerzas de torsión introducidas en las hebras de ADN

durante procesos como la transcripción y

lareplicación.60

Modificaciones químicas[editar]

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[editar]

Véase también: Metilación

La expresión de los genes está influenciada por la

forma en la que el ADN está empaquetado en

cromosomas, en una estructura

denominada cromatina. Las modificaciones de bases

pueden estar implicadas en el empaquetamiento del

ADN: las regiones que presentan una expresión

génica baja o nula normalmente contienen niveles

altos de metilación de las basescitosina. Por ejemplo,

la metilación de citosina produce 5-metil-citosina, que

es importante para la inactivación del cromosoma

X.61 El nivel medio de metilación varía entre

organismos: el gusano Caenorhabditis

elegans carece de metilación de citosina, mientras

que los vertebrados presentan un nivel alto - hasta

1% de su ADN contiene 5-metil-citosina.62 A pesar de

la importancia de la 5-metil-citosina, ésta puede

desaminarse para generar una base timina. Las

citosinas metiladas son por tanto particularmente

sensibles a mutaciones.63 Otras modificaciones de

bases incluyen la metilación de adenina en bacteriasy

la glicosilación de uracilo para producir la "base-J"

en kinetoplastos.64 65

Daño del ADN[editar]

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

de mutágenos, que cambian la secuencia del

ADN: agentes alquilantes, además deradiación

electromagnética de alta energía, como

luz ultravioleta y rayos X. El tipo de daño producido

en el ADN depende del tipo de mutágeno. Por

ejemplo, la luz UV puede dañar al ADN produciendo

dímeros de timina, que se forman por ligamiento

cruzado entre basespirimidínicas.67 Por otro lado,

oxidantes tales como radicales libres o el peróxido de

hidrógeno producen múltiples daños, incluyendo

modificaciones de bases, sobre todo guanina, y

roturas de doble hebra (double-strand breaks).68 En

una célula humana cualquiera, alrededor de 500

bases sufren daño oxidativo cada día.69 70 De estas

lesiones oxidativas, las más peligrosas son las

roturas de doble hebra, ya que son difíciles de reparar

y pueden producir mutaciones

puntuales, inserciones y deleciones de la secuencia

de ADN, así como translocaciones cromosómicas.71

Muchos mutágenos se posicionan entre dos pares de

bases adyacentes, por lo que se denominan agentes

intercalantes. La mayoría de los agentes intercalantes

son moléculas aromáticas y planas, como el bromuro

de etidio, la daunomicina, la doxorubicina y

la talidomida. Para que un agente intercalante pueda

integrarse entre dos pares de bases, éstas deben

separarse, distorsionando las hebras de ADN y

abriendo la doble hélice. Esto inhibe la transcripción 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 su capacidad para inhibir la replicación y la

transcripción del ADN, estas toxinas también se

utilizan en quimioterapia para inhibir el rápido

crecimiento de las células cancerosas.75

El daño en el ADN inicia una respuesta que activa

diferentes mecanismos de reparación que reconocen

lesiones específicas en el ADN, que son reparadas

en el momento para recuperar la secuencia original

del ADN. Asimismo, el daño en el ADN provoca una

parada en elciclo celular, que conlleva la alteración de

numerosos 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 ser reparado, los

mecanismos de control inducirán la activación de una

serie de rutas celulares que culminarán en la muerte

celular.

Funciones biológicas[editar]

Las funciones biológicas del ADN incluyen el

almacenamiento de información (genes y genoma), la

codificación de proteínas (transcripción y traducción)

y su autoduplicación (replicación del ADN) para

asegurar la transmisión de la información a las

células hijas durante la división celular.

Genes y genoma[editar]

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, la

cual se transmite de generación en generación. El

conjunto de información que cumple esta función en

un organismo dado se denomina genoma, y el ADN

que lo constituye, ADN genómico.

El ADN genómico (que se organiza en moléculas

de cromatina que a su vez se ensamblan

en cromosomas) se encuentra en el núcleo celular de

los eucariotas, además de pequeñas cantidades en

las mitocondrias y cloroplastos. En procariotas, el

ADN se encuentra en un cuerpo de forma irregular

denominado nucleoide.76

El ADN codificante[editar]

ARN polimerasa T7 (azul) produciendo un ARNm (verde) a

partir de un molde de ADN (naranja).77

Véase también: Gen

La información genética de un genoma está

contenida en los genes, y al conjunto de toda la

información que corresponde a un organismo se le

denomina su genotipo. Un gen es una unidad

de herencia y es una región de ADN que influye 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, tales

como promotores yenhancers, que controlan la

transcripción del marco de lectura abierto.

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 la hemoglobina o las innumerables enzimas del

organismo. La función principal de la herencia es la

especificación de las proteínas, siendo el ADN una

especie de plano oreceta para producirlas. La mayor

parte de las veces la modificación del ADN provocará

una disfunción proteica que dará lugar a la aparición

de alguna enfermedad. Pero en determinadas

ocasiones, las modificaciones podrán provocar

cambios beneficiosos que darán lugar a individuos

mejor adaptados a su entorno.

Las aproximadamente treinta mil proteínas diferentes

en el cuerpo humano están constituidas por

veinte aminoácidos diferentes, y una molécula de

ADN debe especificar la secuencia en que se unen

dichos aminoácidos.

En el proceso de elaborar una proteína, el ADN de un

gen se lee y se transcribe a ARN. Este ARN sirve

como mensajero entre el ADN y la maquinaria que

elaborará las proteínas y por eso recibe el nombre

de ARN mensajero o ARNm. El ARN mensajero sirve

de molde a la maquinaria que elabora las proteínas,

para que 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 de información era: ADN

→ ARN → proteína. No obstante, en la actualidad ha

quedado demostrado que este "dogma" debe ser

ampliado, pues se han encontrado otros flujos de

información: en algunos organismos (virus de ARN) la

información fluye de ARN a ADN; este proceso se

conoce como "transcripción inversa o reversa",

también llamada "retrotranscripción". Además, se

sabe que existen secuencias de ADN que se

transcriben a ARN y son funcionales como tales, sin

llegar a traducirse nunca a proteína: son los ARN no

codificantes, como es el caso de los ARN

interferentes.34 35

El ADN no codificante[editar]

El ADN del genoma de un organismo puede dividirse

conceptualmente en dos: el que codifica las proteínas

(los genes) y el que no codifica. En muchas especies,

sólo una pequeña fracción del genoma codifica

proteínas. Por ejemplo, sólo alrededor del 1,5% del

genoma humano consiste en exones que codifican

proteínas (20.000 a 25.000 genes), mientras que más

del 90% consiste en ADN no codificante.78

El ADN no codificante (también denominado ADN

basura o junk DNA) corresponde a secuencias del

genoma que no generan una proteína (procedentes

de transposiciones, duplicaciones, translocaciones y

recombinaciones de virus, etc.), incluyendo

los intrones. Hasta hace poco tiempo se pensaba que

el ADN no codificante no tenía utilidad alguna, pero

estudios recientes indican que eso es inexacto. Entre

otras funciones, se postula que el llamado "ADN

basura" regula la expresión diferencial de los

genes.79 Por ejemplo, algunas secuencias tienen

afinidad 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 y

replicación. Estas secuencias se llaman

frecuentemente "secuencias reguladoras", y los

investigadores suponen que sólo se ha identificado

una pequeña fracción de las que realmente existen.

La presencia de tanto ADN no codificante en

genomas eucarióticos y las diferencias en tamaño del

genoma entre especies representan un misterio que

es conocido como el "enigma del valor de C".80 Los

elementos repetitivos también son elementos

funcionales. Si no se considerasen así, se excluiría

más del 50% de los nucleótidos totales, ya que

constituyen elementos de repetición. Recientemente,

un grupo de investigadores de la Universidad de

Yale ha descubierto una secuencia de ADN no

codificante que sería la responsable de que los seres

humanos hayan desarrollado la capacidad de agarrar

y/o manipular objetos o herramientas.81

Por otro lado, algunas secuencias de ADN

desempeñan un papel estructural en los

cromosomas: los telómeros y centrómeros contienen

pocos o ningún gen codificante de proteínas, pero

son importantes para estabilizar la estructura de los

cromosomas. Algunos genes no codifican proteínas,

pero sí se transcriben en ARN: ARN ribosómico, ARN

de transferencia y ARN de interferencia (ARNi, que

son ARN que bloquean la expresión de genes

específicos). La estructura de intrones y exones de

algunos genes (como los

de inmunoglobulinas y protocadherinas) son

importantes por permitir los cortes y empalmes

alternativos del pre-ARN mensajero que hacen

posible la síntesis de diferentes proteínas a partir de

un mismo gen (sin esta capacidad no existiría el

sistema inmune, por ejemplo). Algunas secuencias de

ADN no codificante representan pseudogenes que

tienen valor evolutivo, ya que permiten la creación de

nuevos genes con nuevas funciones.35 Otros ADN no

codificantes proceden de la duplicación de pequeñas

regiones del ADN; esto tiene mucha utilidad, ya que

el rastreo de estas secuencias repetitivas permite

estudios de filogenia.

Transcripción y traducción[editar]

Artículos principales: Transcripción

(genética) y Traducción (genética).

En un gen, la secuencia de nucleótidos a lo largo de

una hebra de ADN se transcribe a un ARN

mensajero (ARNm) y esta secuencia a su vez

se traduce a una proteína que un organismo es capaz

de sintetizar o "expresar" en uno o varios momentos

de su vida, usando la información de dicha secuencia.

La relación entre la secuencia de nucleótidos y la

secuencia de aminoácidos de la proteína viene

determinada por el código genético, que se utiliza

durante el proceso de traducción o síntesis de

proteínas. La unidad codificadora del código genético

es un grupo de tres nucleótidos (triplete),

representado por las tres letras iniciales de las bases

nitrogenadas (por ej., ACT, CAG, TTT). Los tripletes

del ADN se transcriben en sus bases

complementarias en el ARN mensajero, y en este

caso los tripletes se denominancodones (para el

ejemplo anterior, UGA, GUC, AAA). En el ribosoma

cada codón del ARN mensajero interacciona con una

molécula de ARN de transferencia (ARNt o tRNA) que

contenga el triplete complementario, denominado

anticodón. Cada ARNt porta el aminoácido

correspondiente al codón de acuerdo con el código

genético, de modo que el ribosoma va uniendo los

aminoácidos para formar una nueva proteína de

acuerdo con 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 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 secuencia codificante; estos codones de

terminación o codones de parada son UAA, UGA y

UAG (en inglés, nonsense codons ostop codons).34

Replicación del ADN[editar]

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 réplicas idénticas de una molécula

de ADN. La replicación es fundamental para la

transferencia de la información genética de una

generación a la siguiente y, por ende, es la base de

la herencia. El mecanismo consiste esencialmente en

la separación de las dos hebras de la doble hélice, las

cuales sirven de molde para la posterior síntesis de

cadenas complementarias a cada una de ellas, que

llevará por nombre ARNm. El resultado final son dos

moléculas idénticas a la original. Este tipo de

replicación se denomina semiconservativa debido a

que cada una de las dos moléculas resultantes de la

duplicación presenta una cadena procedente de la

molécula "madre" y otra recién sintetizada.

Hipótesis sobre la duplicación del ADN[editar]

En un principio, se propusieron tres hipótesis:

Semiconservativa: Según el experimento de

Meselson-Stahl, cada hebra sirve de molde para

que se forme una hebra nueva, mediante la

complentariedad de bases, quedando al final dos

dobles hélices formadas por una hebra antigua

(molde) y una nueva hebra (copia).

Conservativa: Tras la duplicación quedarían las

dos hebras antiguas juntas y, por otro lado, las

dos hebras nuevas formando una doble hélice.

Dispersiva: Según esta hipótesis, las hebras

resultantes estarían formadas por fragmentos en

doble hélice ADN antiguo y ADN recién

sintetizado.

Interacciones ADN-proteína[editar]

Todas las funciones del ADN dependen de sus

interacciones con proteínas. Estas interacciones

pueden ser inespecíficas, o bien la proteína puede

unirse de forma específica a una única secuencia de

ADN. También pueden unirse enzimas, entre las

cuales son particularmente importantes las

polimerasas, que copian las secuencia de bases del

ADN durante la transcripción y la replicación.

Proteínas que unen ADN[editar]

Interacciones inespecíficas[editar]

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 los

fosfatos del ADN (abajo a la derecha, en rojo).

Las proteínas estructurales que se unen al ADN son

ejemplos bien conocidos de interacciones

inespecíficas ADN-proteínas. En los cromosomas, el

ADN se encuentra formando complejos con proteínas

estructurales. Estas proteínas organizan el ADN en

una estructura compacta denominada cromatina.

En eucariotas esta estructura implica la unión del

ADN a un complejo formado por pequeñas proteínas

básicas denominadas histonas, mientras que

en procariotas están involucradas una gran variedad

de proteínas.82 83 Las histonas forman un complejo de

forma cilíndrica denominado nucleosoma, en torno al

cual se enrollan casi dos vueltas de ADN de doble

hélice. Estas interacciones inespecíficas quedan

determinadas por la existencia de residuos básicos

en las histonas, que forman enlaces iónicos con el

esqueleto de azúcar-fosfato del ADN y, por tanto, son

en gran parte independientes de la secuencia de

bases.84 Estos aminoácidos básicos experimentan

modificaciones químicas

de metilación, fosforilación yacetilación,85 que alteran

la fuerza de la interacción entre el ADN y las histonas,

haciendo al ADN más o menos accesible a

losfactores de transcripción y por tanto modificando la

tasa de transcripción.86

Otras proteínas que se unen a ADN de manera

inespecífica en la cromatina incluyen las proteínas

del grupo de alta movilidad(HMG, High Mobility

Group) que se unen a ADN plegado o

distorsionado.87 Estas proteínas son importantes

durante el plegamiento de los nucleosomas,

organizándolos en estructuras más complejas para

constituir los cromosomas88 durante el proceso

decondensación cromosómica. Se ha propuesto que

en este proceso también intervendrían otras

proteínas, formando una especie de "andamio" sobre

el cual se organiza la cromatina; los principales

componentes de esta estructura serían la

enzima topoisomerasaII α (topoIIalpha) y

la condensina 13S.89 Sin embargo, el papel

estructural de la topoIIalpha en la organización de los

cromosomas aún es discutido, ya que otros grupos

argumentan que esta enzima se intercambia

rápidamente tanto en los brazos cromosómicos como

en los cinetocoros durante la mitosis.90

Interacciones específicas[editar]

Un grupo bien definido de proteínas que unen ADN

es el conformado por las proteínas que se unen

específicamente a ADN monocatenario o ADN de

hebra sencilla (ssDNA). En humanos, la proteína A

de replicación es la mejor conocida de su familia y

actúa en procesos en los que la doble hélice se

separa, como la replicación del ADN,

larecombinación o la reparación del ADN.91 Estas

proteínas parecen estabilizar el ADN monocatenario,

protegiéndolo para evitar que forme estructuras de

tallo-lazo (stem-loop) o que sea degradado

por nucleasas.

El factor de transcripción represor del fago

lambda unido a su ADN diana mediante un motivo

hélice-giro-hélice (helix-turn-helix).92

Sin embargo, otras proteínas han evolucionado para

unirse específicamente a secuencias particulares de

ADN. La especificidad de la interacción de las

proteínas con el ADN procede de los múltiples

contactos con las bases de ADN, lo que les permite

"leer" la secuencia del ADN. La mayoría de esas

interacciones con las bases ocurre en la hendidura

mayor, donde las bases son más accesibles.93

Las proteínas específicas estudiadas con mayor

detalle son las encargadas de regular la transcripción,

denominadas por ello factores de transcripción.

Cada factor de transcripción se une a una secuencia

concreta de ADN y activa o inhibe la transcripción de

los genes que presentan estas secuencias próximas

a sus promotores. Los factores de transcripción

pueden efectuar esto de dos formas:

En primer lugar, pueden unirse a la polimerasa de

ARN responsable de la transcripción, 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 unirse a enzimas que modifican las

histonas del promotor, lo que altera la

accesibilidad del molde de ADN a la ARN

polimerasa.95

Como los ADN diana pueden encontrarse por todo

el genoma del organismo, los cambios en la actividad

de un tipo de factor de transcripción pueden afectar a

miles de genes.96 En consecuencia, estas proteínas

son frecuentemente las dianas de los procesos

de transducción de señales que controlan las

respuestas a cambios ambientales o diferenciación y

desarrollo celular.

La enzima de restricción EcoRV (verde) formando un

complejo con su ADN diana.97

Enzimas que modifican el ADN[editar]

Nucleasas y ligasas[editar]

Las nucleasas son enzimas que cortan las hebras de

ADN mediante la catálisis de la hidrólisis de

los enlaces fosfodiéster. Las nucleasas que

hidrolizan nucleótidos a partir de los extremos de las

hebras de ADN se denominanexonucleasas, mientras

que las endonucleasas cortan en el interior de las

hebras. Las nucleasas que se utilizan con mayor

frecuencia en biología molecular son las enzimas de

restricción, endonucleasas que cortan el ADN por

determinadas secuencias específicas. 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 los

extremos romos. Otras enzimas de restricción

generan sin embargo extremos cohesivos, ya que

cortan de forma diferente las dos hebras de ADN. En

la naturaleza, estas enzimas protegen a

las bacterias contra las infecciones de 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, estas nucleasas

específicas de la secuencias de ADN se utilizan

en ingeniería genética para clonar fragmentos de

ADN y en la técnica de huella genética.

Las enzimas denominadas ADN ligasas pueden

reunir hebras de ADN cortadas o rotas.99 Las ligasas

son particularmente importantes en la replicación de

la hebra que 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 del molde de ADN. También se

utilizan en la reparación del ADN y en procesos

de recombinación genética.99

Topoisomerasas y helicasas[editar]

Las topoisomerasas son enzimas que poseen a la

vez actividad nucleasa y ligasa. Estas proteínas

varían la cantidad de ADN superenrollado. Algunas

de estas enzimas funcionan cortando la hélice de

ADN y permitiendo que una sección rote, de manera

que reducen el grado de superenrollamiento. Una vez

hecho esto, la enzima vuelve a unir los fragmentos de

ADN.59 Otros tipos de enzimas son capaces de cortar

una hélice de ADN y luego pasar la segunda hebra de

ADN a través de la rotura, antes de reunir las

hélices.100 Las topoisomerasas son necesarias para

muchos procesos en los que interviene el ADN, como

la replicación del ADN y la transcripción.60

Las helicasas son unas proteínas que pertenecen al

grupo de los motores moleculares. Utilizan energía

química almacenada en los nucleósidos trifosfatos,

fundamentalmenteATP, para romper puentes de

hidrógeno entre bases y separar la doble hélice de

ADN en hebras simples.101 Estas enzimas son

esenciales para la mayoría de los procesos en los

que las enzimas necesitan acceder a las bases del

ADN.

Polimerasas[editar]

Las polimerasas son enzimas que sintetizan cadenas

de nucleótidos a partir de nucleósidos trifosfatos. La

secuencia de sus productos son copias de cadenas

de polinucleótidos existentes, que se

denominan moldes. Estas enzimas funcionan

añadiendo nucleótidos al grupo hidroxilo en 3' del

nucleótido previo en una hebra de ADN. En

consecuencia, todas las polimerasas funcionan en

dirección 5′ --> 3′.102 En los sitios activos de estas

enzimas, el nucleósido trifosfato que se incorpora

aparea su base con la correspondiente en el molde:

esto permite que la polimerasa 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 de ADN realiza una copia de ADN

a partir de una secuencia de ADN. La precisión

es vital en este proceso, por lo que muchas de

estas polimerasas tienen una actividad de

verificación de la lectura (proofreading). Mediante

esta actividad, la polimerasa reconoce errores

ocasionales en la reacción de síntesis, debido a

la falta de apareamiente entre el nucleótido

erróneo y el molde, lo que genera un

desacoplamiento (mismatch). Si se detecta un

desacoplamiento, se activa una

actividad exonucleasa en dirección 3′ --> 5′ y la

base incorrecta se elimina.103 En la mayoría de

los organismos las ADN polimerasas funcionan

en un gran complejo denominado replisoma, que

contiene múltiples unidades accesorias,

como helicasas.104

Las ADN polimerasas dependientes de

ARN son una clase especializada de polimerasas

que copian la secuencia de una hebra de ARN en

ADN. Incluyen la transcriptasa inversa, que es

una enzima viral implicada en la infección de

células por retrovirus, y la telomerasa, que es

necesaria para la replicación 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.

Para empezar a transcribir un gen, la ARN

polimerasa se une a una secuencia del ADN

denominada promotor, y separa las hebras del

ADN. Entonces copia la secuencia del gen en un

transcrito de ARN mensajero hasta que alcanza

una región de ADN denomimada terminador,

donde se detiene y se separa del ADN. Como

ocurre con las ADN polimerasas dependientes de

ADN en humanos, la ARN polimerasa II (la

enzima que transcribe la mayoría de los genes

del genoma humano) funciona como un gran

complejo multiproteico que contiene múltiples

subunidades reguladoras y accesorias.106

Recombinación genética[editar]

Estructura de un intermedio en unión de Holliday en

la recombinación genética. Las cuatro hebras de ADN

separadas están coloreadas en rojo, azul, verde y

amarillo.107

Artículo principal: Recombinación genética

La recombinación implica la rotura y reunión de dos

cromosomas homólogos (M y F) para producir dos

cromosomas nuevos reorganizados (C1 y C2).

Una hélice de ADN normalmente no interacciona con

otros segmentos de ADN, y en las células humanas

los diferentes cromosomas incluso ocupan áreas

separadas en el núcleo celular denominadas

“territorios cromosómicos”.108 La separación física de

los diferentes cromosomas es importante para que el

ADN mantenga su capacidad de funcionar como un

almacén estable de información. Uno de los pocos

momentos en los que los cromosomas interaccionan

es durante el sobrecruzamiento

cromosómico (chromosomal crossover), durante el

cual se recombinan. El sobrecruzamiento

cromosómico ocurre cuando dos hélices de ADN se

rompen, se intercambian y se unen de nuevo.

La recombinación permite a los cromosomas

intercambiar información genética y produce nuevas

combinaciones de genes, lo que aumenta la eficiencia

de la selección natural y puede ser importante en la

evolución rápida de nuevas proteínas.109 Durante la

profase I de lameiosis, una vez que los cromosomas

homólogos están perfectamente apareados formando

estructuras llamadas bivalentes, se produce el

fenómeno de sobrecruzamiento o

entrecruzamiento (crossing-over), en el cual las

cromátidas homólogas no hermanas (procedentes del

padre y de la madre) intercambian material genético.

La recombinación genética resultante hace aumentar

en gran medida la variación genética entre la

descendencia de progenitores que se reproducen por

vía sexual. La recombinación genética también puede

estar implicada en la reparación del ADN, en

particular en la respuesta celular a las roturas de

doble hebra (double-strand breaks).110

La forma más frecuente de sobrecruzamiento

cromosómico es la recombinación homóloga, en la

que los dos cromosomas implicados comparten

secuencias muy similares. La recombinación no-

homóloga puede ser dañina para las células, ya que

puede producir translocaciones cromosómicas y

anomalías genéticas. La reacción de recombinación

está catalizada por enzimas conocidas

como recombinasas, tales como RAD51.111 El primer

paso en el proceso de recombinación es una rotura

de doble hebra, causada bien por una

endonucleasa o por daño en el

ADN.112 Posteriormente, una serie de pasos

catalizados en parte por la recombinasa, conducen a

la unión de las dos hélices formando al menos

una unión de Holliday, en la que un segmento de una

hebra simple es anillado con la hebra complementaria

en la otra hélice. La unión de Holliday es una

estructura de unión tetrahédrica que puede moverse

a lo largo del par de cromosomas, intercambiando

una hebra por otra. La reacción de recombinación se

detiene por el corte de la unión y la reunión de los

segmentos de ADN liberados.113

Evolución del metabolismo de ADN[editar]

Véase también: Hipótesis del mundo de ARN

El ADN contiene la información genética que permite

a la mayoría de los organismos vivientes funcionar,

crecer y reproducirse. Sin embargo, no está claro

durante cuánto tiempo ha ejercido esta función en los

~3000 millones de años de la historia de la vida, ya

que se ha propuesto que las formas de vida más

tempranas podrían haber utilizadoARN como material

genético.114 115 El ARN podría haber funcionado como

la parte central de un metabolismo primigenio, ya que

puede transmitir información genética y

simultáneamente actuar como catalizador formando

parte de las ribozimas.116 Este antiguo Mundo de

ARN donde los ácidos nucleicos funcionarían como

catalizadores y como almacenes de información

genética podría haber influido en

la evolución del código genético actual, basado en

cuatro nucleótidos. Esto se debería a que el número

de bases únicas en un organismo es un compromiso

entre un número pequeño de bases (lo que

aumentaría la precisión de la replicación) y un

número grande de bases (que a su vez aumentaría la

eficiencia catalítica de las ribozimas).117

Desafortunadamente, no se cuenta con evidencia

directa de los sistemas genéticos ancestrales porque

la recuperación del ADN a partir de la mayor parte de

los fósiles es imposible. Esto se debe a que el ADN

es capaz de sobrevivir en el medio ambiente durante

menos de un millón de años, y luego empieza a

degradarse lentamente en fragmentos de menor

tamaño en solución.118 Algunas investigaciones

pretenden que se ha obtenido ADN más antiguo, por

ejemplo un informe sobre el aislamiento de una

bacteria viable a partir de un cristal salino de 250

millones de años de antigüedad,119 pero estos datos

son controvertidos.120 121

Sin embargo, pueden utilizarse herramientas de

evolución molecular para inferir los genomas de

organismos ancestrales a partir de organismos

contemporáneos.122 123 En muchos casos, estas

inferencias son suficientemente fiables, de manera

que una biomolécula codificada en un genoma

ancestral puede resucitarse en el laboratorio para ser

estudiada hoy.124 125 Una vez que la biomolécula

ancestral se ha resucitado, sus propiedades pueden

ofrecer inferencias sobre ambientes y estilos de vida

primigenios. Este proceso se relaciona con el campo

emergente de la paleogenética experimental.126

A pesar de todo, el proceso de trabajo hacia

atrás desde el presente tiene limitaciones inherentes,

razón por la cual otros investigadores tratan de

elucidar el mecanismo evolutivo trabajando desde el

origen de la Tierra en adelante. Dada suficiente

información sobre la química en el cosmos, la manera

en la que las sustancias cósmicas podrían haberse

depositado en la Tierra, y las transformaciones que

podrían haber tenido lugar en la superficie terrestre

primigenia, tal vez podríamos ser capaces de

aprender sobre los orígenes para desarrollar modelos

de evolución ulterior de la información

genética127 (véase también el artículo sobre el origen

de la vida).

Técnicas comunes[editar]

El conocimiento de la estructura del ADN ha permitido

el desarrollo de multitud de herramientas tecnológicas

que explotan sus propiedades fisicoquímicas para

analizar su implicación en problemas concretos: por

ejemplo, desde análisis filogeńeticos para detectar

similitudes entre diferentes taxones, a la

caracterización de la variabilidad individual de un

paciente en su respuesta a un determinado fármaco,

pasando por un enfoque global, a nivel genómico, de

cualquier característica específica en un grupo de

individuos de interés. 128

Podemos clasificar las metodologías de análisis del

ADN en aquellas que buscan su multiplicación, ya in

vivo, como la reacción en cadena de la

polimerasa (PCR), ya in vitro, como la clonación, y

aquellas que explotan las propiedades específicas de

elementos concretos, o de genomas adecuadamente

clonados. Es el caso de la secuenciación de ADN y

de la hibridación con sondas específicas ("southern

blot" y chips de ADN).

Tecnología del ADN recombinante[editar]

Artículo principal: ADN recombinante

La tecnología del ADN recombinante, piedra angular

de la ingeniería genética, permite propagar grandes

cantidades de un fragmento de ADN de interés, el

cual se dice que ha sido clonado. Para ello, debe

introducirse dicho fragmento en otro elemento de

ADN, generalmente un plásmido, que posee en su

secuencia los elementos necesarios para que la

maquinaria celular de un hospedador,

normalmente Escherichia coli, lo replique. De este

modo, una vez transformada la cepa bacteriana, el

fragmento de ADN clonado se reproduce cada vez

que aquella se divide.129

Para clonar la secuencia de ADN de interés, se

emplean enzimas como herramientas de corte y

empalme del fragmento y del vector (el plásmido).

Dichas enzimas corresponden a dos grupos: en

primer lugar, las enzimas de restricción, que poseen

la capacidad de reconocer y cortar secuencias

específicas; en segundo lugar, la ADN ligasa, que

establece un enlace covalente entre extremos de

ADN compatibles128 (ver sección Nucleasas y

ligasas).

Secuenciación[editar]

Artículo principal: Secuenciación de ADN

La secuenciación del ADN consiste en dilucidar el

orden de los nucleótidos de un polímero de ADN de

cualquier longitud, si bien suele dirigirse hacia la

determinación degenomas completos, debido a que

las técnicas actuales permiten realizar esta

secuenciación a gran velocidad, lo cual ha sido de

gran importancia para proyectos de secuenciación a

gran escala como el Proyecto Genoma Humano.

Otros proyectos relacionados, en ocasiones fruto de

la colaboración de científicos a escala mundial, han

establecido la secuencia completa del ADN de

muchos genomas de animales, plantas y microorgani

smos.

El método de secuenciación de Sanger ha sido el

más empleado durante el siglo XX. Se basa en la

síntesis de ADN en presencia

de didesoxinucleósidos, compuestos que, a diferencia

de los desoxinucleósidos normales (dNTPs), carecen

de un grupo hidroxilo en su extremo 3'. Aunque los

didesoxinucleótidos trifosfatados (ddNTPs) pueden

incorporarse a la cadena en síntesis, la carencia de

un extremo 3'-OH imposibilita la generación de un

nuevo enlace fosfodiéster con el nucleósido siguiente;

por tanto, provocan la terminación de la síntesis. Por

esta razón, el método de secuenciación también se

denomina «de terminación de cadena». La reacción

se realiza usualmente preparando un tubo con el

ADN molde, la polimerasa, un cebador, dNTPs

convencionales y una pequeña cantidad de ddNTPs

marcados fluorescentemente en su base nitrogenada.

De este modo, el ddTTP puede ir marcado en azul, el

ddATP en rojo, etc. Durante la polimerización, se van

truncando las cadenas crecientes, al azar, en

distintas posiciones. Por tanto, se produce una serie

de productos de distinto tamaño, coincidiendo la

posición de la terminación debido a la incorporación

del ddNTP correspondiente. Una vez terminada la

reacción, es posible correr la mezcla en

una electroforesis capilar (que resuelve todos los

fragmentos según su longitud) en la cual se lee la

fluorescencia para cada posición del polímero. En

nuestro ejemplo, la lectura azul-rojo-azul-azul se

traduciría como TATT.130 131

Reacción en cadena de la polimerasa (PCR)[editar]

Artículo principal: Reacción en cadena de la polimerasa

La reacción en cadena de la polimerasa,

habitualmente conocida como PCR por sus siglas en

inglés, es una técnica de biología molecular descrita

en 1986 por Kary Mullis,132cuyo objetivo es obtener un

gran número de copias de un fragmento

de ADN dado, partiendo de una escasa cantidad de

aquél. Para ello, se emplea una ADN

polimerasatermoestable que, en presencia de una

mezcla de los cuatro desoxinucleótidos, un tampón

de la fuerza iónica adecuada y los cationes precisos

para la actividad de la enzima, dos oligonucleótidos

(denominados cebadores) complementarios a parte

de la secuencia (situados a distancia suficiente y en

sentido antiparalelo) y bajo unas condiciones de

temperatura adecuadas, moduladas por un aparato

denominado termociclador,

genera exponencialmente nuevos fragmentos de

ADN semejantes al original y acotados por los dos

cebadores.129

La PCR puede efectuarse como una técnica de punto

final, esto es, como una herramienta de generación

del ADN deseado, o como un método continuo, en el

que se evalúe dicha polimerización a tiempo real.

Esta última variante es común en la PCR

cuantitativa.128

Southern blot[editar]

Artículo principal: Southern blot

El método de «hibridación Southern» o «Southern

blot» (el nombre original en el idioma inglés) permite

la detección de una secuencia de ADN en una

muestra compleja o no del ácido nucleico. Para ello,

combina una separación

mediante masa y carga (efectuada mediante

una electroforesis en gel) con una hibridación con una

sonda de ácido nucleico marcada de algún modo (ya

sea con radiactividad o con un compuesto químico)

que, tras varias reacciones, dé lugar a la aparición de

una señal de color o fluorescencia. Dicha hibridación

se realiza tras la transferencia del ADN separado

mediante la electroforesis a una membrana de filtro.

Una técnica semejante, pero en la cual no se produce

la mencionada separación electroforética se

denomina dot blot.

El método recibe su nombre en honor a su inventor,

el biólogo inglés Edwin Southern.133 Por analogía al

método Southern, se han desarrollado técnicas

semejantes que permiten la detección de secuencias

dadas de ARN (método Northern, que emplea sondas

de ARN o ADN marcadas)134 o de proteínas

específicas (técnica Western, basada en el uso

de anticuerpos).135

Chips de ADN[editar]

Artículo principal: Chip de ADN

Microarray con 37.500 oligonucleótidos específicos.

Arriba a la izquierda se puede apreciar una región

ampliada del chip.

Los chips de ADN son colecciones

de oligonucleótidos de ADN complementario

dispuestos en hileras fijadas sobre un soporte,

frecuentemente de cristal. Se utilizan para el estudio

de mutaciones de genes conocidos o para monitorizar

la expresión génica de una preparación de ARN.

Aplicaciones[editar]

Ingeniería genética[editar]

Véanse también:  Ingeniería genética y Biología

molecular.

La investigación sobre el ADN tiene un impacto

significativo, especialmente en el ámbito de

la medicina, pero también en agricultura y ganadería

(donde los objetivos son los mismos que con las

técnicas tradicionales que el hombre lleva utilizando

desde hace milenios - la domesticación, la selección y

los cruces dirigidos - para obtener variedades de

animales y plantas más productivos). La moderna

biología y bioquímica hacen uso intensivo de

la tecnología del ADN recombinante, introduciendo

genes de interés en organismos, con el objetivo de

expresar una proteína recombinante concreta, que

puede ser:

aislada para su uso posterior: por ejemplo, se

pueden transformar microorganismos para

convertirlos en auténticas fábricas que producen

grandes cantidades de sustancias útiles,

como insulina o vacunas, que posteriormente se

aíslan y se utilizan terapéuticamente.136 137 138

necesaria para reemplazar la expresión de un

gen endógeno dañado que ha dado lugar a una

patología, lo que permitiría el restablecimiento de

la actividad de la proteína perdida y

eventualmente la recuperación del estado

fisiológico normal, no patológico. Este es el

objetivo de la terapia génica, uno de los campos

en los que se está trabajando activamente en

medicina, analizando ventajas e inconvenientes

de diferentes sistemas de administración del gen

(virales y no virales) y los mecanismos de

selección del punto de integración de los

elementos genéticos (distintos para los virus y los

transposones) en el genoma diana.139 En este

caso, antes de plantearse la posibilidad de

realizar una terapia génica en una determinada

patología, es fundamental comprender el impacto

del gen de interés en el desarrollo de dicha

patología, para lo cual es necesario el desarrollo

de un modelo animal, eliminando o modificando

dicho gen en un animal de laboratorio, mediante

la técnica ‘’knockout’’.140 Sólo en el caso de que

los resultados en el modelo animal sean

satisfactorios se procedería a analizar la

posibilidad de restablecer el gen dañado

mediante terapia génica.

utilizada para enriquecer un alimento: por

ejemplo, la composición de la leche (una

importante fuente de proteínas para el consumo

humano y animal) puede modificarse mediante

transgénesis, añadiendo genes exógenos y

desactivando genes endógenos para mejorar su

valor nutricional, reducir infecciones en las

glándulas mamarias, proporcionar a los

consumidores proteínas antipatógenas y preparar

proteínas recombinantes para su uso

farmacéutico.141 142

útil para mejorar la resistencia del organismo

transformado: por ejemplo en plantas se pueden

introducir genes que confieren resistencia a

patógenos (virus, insectos, hongos…), así como

a agentes estresantes abióticos (salinidad,

sequedad, metales pesados…).143 144 145

Medicina forense[editar]

Véase también: Huella genética

Los médicos forenses pueden utilizar el ADN

presente en la sangre, el semen, la piel, la saliva o

el pelo en la escena de un crimen para identificar al

responsable. Esta técnica se denomina huella

genética, o también "perfil de ADN". Al realizar la

huella genética, se compara la longitud de secciones

altamente variables de ADN repetitivo, como

losmicrosatélites, entre personas diferentes. Este

método es frecuentemente muy fiable para identificar

a un criminal.146 Sin embargo, la identificación puede

complicarse si la escena está contaminada con ADN

de personas diferentes.147 La técnica de la huella

genética fue desarrollada en 1984 por el genetista

británico Sir Alec Jeffreys,148 y fue utilizada por

primera vez en medicina forense para condenar

a Colin Pitchfork por los asesinatos de Narborough en

1983 y de Enderby en 1986.149 Se puede requerir a

las personas acusadas de ciertos tipos de crímenes

que proporcionen una muestra de ADN para

introducirlos en una base de datos. Esto ha facilitado

la labor de los investigadores en la resolución de

casos antiguos, donde sólo se obtuvo una muestra de

ADN de la escena del crimen, en algunos casos

permitiendo exonerar a un convicto. La huella

genética también puede utilizarse para identificar

víctimas de accidentes en masa,150 o para realizar

pruebas de consanguinidad.151

Bioinformática[editar]

Véase también: Bioinformática

La bioinformática implica la manipulación, búsqueda

y extracción de información de los datos de la

secuencia del ADN. El desarrollo de las técnicas para

almacenar y buscar secuencias de ADN ha generado

avances en el desarrollo de software de los

ordenadores, para muchas aplicaciones,

especialmente algoritmos de búsqueda de

frases,aprendizaje automático y teorías de bases de

datos.152 La búsqueda de frases o algoritmos de

coincidencias, que buscan la ocurrencia de una

secuencia de letras dentro de una secuencia de letras

mayor, se desarrolló para buscar secuencias

específicas de nucleótidos.153 En otras aplicaciones

como editores de textos, incluso algoritmos simples

pueden funcionar, pero las secuencias de ADN

pueden generar que estos algoritmos presenten un

comportamiento de casi-el-peor-caso, debido al bajo

número de caracteres. El problema relacionado

del alineamiento de secuencias persigue identificar

secuencias homólogas y

localizar mutaciones específicas que las diferencian.

Estas técnicas, fundamentalmente el alineamiento

múltiple de secuencias, se utilizan al estudiar las

relaciones filogenéticas y la función de las

proteínas.154 Las colecciones de datos que

representan secuencias de ADN del tamaño de un

genoma, tales como las producidas por el Proyecto

Genoma Humano, son difíciles de usar sin

anotaciones, que marcan la localización de los genes

y los elementos reguladores en cada cromosoma. Las

regiones de ADN que tienen patrones asociados con

genes que codifican proteínas – o ARN – pueden

identificarse por algoritmos de localización de genes,

lo que permite a los investigadores predecir la

presencia de productos génicos específicos en un

organismo incluso antes de que haya sido aislado

experimentalmente.155

Nanotecnología de ADN[editar]

La estructura de ADN de la izquierda (mostrada de

forma esquemática) se auto-ensambla en la estructura

visualizada pormicroscopía de fuerza atómica a la

derecha. La nanotecnología de ADN es el campo que

busca diseñar estructuras a nanoescala utilizando las

propiedades de reconocimiento molecular de las

moléculas de ADN. Imagen de Strong,

2004. Plantilla:Doi-inline

Véase también: Nanotecnología

La nanotecnología de ADN utiliza las propiedades

únicas de reconocimiento molecular del ADN y otros

ácidos nucleicos para crear complejos ramificados

auto-ensamblados con propiedades útiles. En este

caso, el ADN se utiliza como un material estructural,

más que como un portador de información

biológica.156 Esto ha conducido a la creación de

láminas periódicas de dos dimensiones (ambas

basadas en azulejos, así como usando el método

de ADN origami157 ), además de estructuras en tres

dimensiones con forma depoliedros.

Historia, antropología y paleontología[editar]

Véanse también: Filogenia y Genealogía molecular.

A lo largo del tiempo, el ADN almacena mutaciones

que se heredan y, por tanto, contiene información

histórica, de manera que comparando secuencias de

ADN, los genetistas pueden inferir la historia evolutiva

de los organismos, su filogenia.158 La investigación

filogenética es una herramienta fundamental

en biología evolutiva. Si se comparan las secuencias

de ADN dentro de una especie, los genetistas de

poblacionespueden conocer la historia de

poblaciones particulares. Esto se puede utilizar en

una amplia variedad de estudios,

desde ecología hasta antropología, como ilustra el

análisis de ADN llevado a cabo para identificar las

Diez Tribus Perdidas de Israel.159 160 Por otro lado, el

ADN también se utiliza para estudiar relaciones

familiares recientes.

Igualmente en paleontología (en la paleogenética) el

ADN en algunos casos también se puede utilizar para

estudiar a especies extintas (ADN fósil).

Véase también[editar]

ARN

Cromatina

Cromosoma

Genoma

Genoma humano

Glosario de términos relacionados con el genoma

Genes MEIS

Cerberus

Desoxirribonucleótido

Genes HOX  y genes PARAHOX

Genética

Medicina genómica

Prueba de ADN

Elementos funcionales del ADN

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Modelo en 3 dimensiones de la estructura del

ADN. Interactivo. Requiere Java.

Experimento para extraer ADN

«Descifrar la vida»: Gráfico interactivo

La Replicación de ADN: características, proteínas

que participan y proceso

Animación en 3D de la Replicación de ADN

Proceso de extracción de ADN

Uso del ADN en medicina forense

Creación del primer genoma artificial

Construye una molécula de ADN

El método de secuenciación de Sanger

El misterioso elfo de Leewenhoek: el recorrido

desde el microscopio hasta el ADN en el Museu

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