ADN

El ácido desoxirribonucleico (ADN) es un polímero compuesto por dos cadenas de polinucleótidos que se enrollan entre sí para formar una doble hélice. El polímero lleva instrucciones genéticas para el desarrollo, funcionamiento, crecimiento y reproducción de todos los organismos conocidos y muchos virus. El ADN y el ácido ribonucleico (ARN) son ácidos nucleicos. Junto con las proteínas, los lípidos y los carbohidratos complejos (polisacáridos), los ácidos nucleicos son uno de los cuatro tipos principales de macromoléculas que son esenciales para todas las formas de vida conocidas.

Las dos cadenas de ADN se conocen como polinucleótidos, ya que están compuestas de unidades monoméricas más simples llamadas nucleótidos. Cada nucleótido está compuesto por una de cuatro nucleobases que contienen nitrógeno (citosina [C], guanina [G], adenina [A] o timina [T]), un azúcar llamado desoxirribosa y un grupo fosfato. Los nucleótidos se unen entre sí en una cadena mediante enlaces covalentes (conocidos como enlace fosfodiéster) entre el azúcar de un nucleótido y el fosfato del siguiente, lo que da como resultado un esqueleto de azúcar-fosfato alterno. Las bases nitrogenadas de las dos cadenas de polinucleótidos separadas se unen, de acuerdo con las reglas de emparejamiento de bases (A con T y C con G), con enlaces de hidrógeno para formar ADN de doble cadena. Las bases nitrogenadas complementarias se dividen en dos grupos, pirimidinas y purinas. En el ADN, las pirimidinas son la timina y la citosina; las purinas son adenina y guanina.

Ambas cadenas de ADN de doble cadena almacenan la misma información biológica. Esta información se replica cuando las dos hebras se separan. Una gran parte del ADN (más del 98% en humanos) no codifica, lo que significa que estas secciones no sirven como patrones para las secuencias de proteínas. Las dos hebras de ADN corren en direcciones opuestas entre sí y, por lo tanto, son antiparalelas. Unido a cada azúcar hay uno de los cuatro tipos de nucleobases (o bases). Es la secuencia de estas cuatro nucleobases a lo largo de la columna vertebral la que codifica la información genética. Las cadenas de ARN se crean utilizando cadenas de ADN como plantilla en un proceso llamado transcripción, donde las bases de ADN se intercambian por sus bases correspondientes, excepto en el caso de la timina (T), en la que el ARN sustituye al uracilo (U). Según el código genético, estas hebras de ARN especifican la secuencia de aminoácidos dentro de las proteínas en un proceso llamado traducción.

Dentro de las células eucariotas, el ADN está organizado en estructuras largas llamadas cromosomas. Antes de la división celular típica, estos cromosomas se duplican en el proceso de replicación del ADN, proporcionando un conjunto completo de cromosomas para cada célula hija. Los organismos eucariotas (animales, plantas, hongos y protistas) almacenan la mayor parte de su ADN dentro del núcleo celular como ADN nuclear, y algo en las mitocondrias como ADN mitocondrial o en los cloroplastos como ADN de cloroplastos. Por el contrario, los procariotas (bacterias y arqueas) almacenan su ADN solo en el citoplasma, en cromosomas circulares. Dentro de los cromosomas eucarióticos, las proteínas de la cromatina, como las histonas, compactan y organizan el ADN. Estas estructuras de compactación guían las interacciones entre el ADN y otras proteínas, ayudando a controlar qué partes del ADN se transcriben.

Propiedades

El ADN es un polímero largo hecho de unidades repetitivas llamadas nucleótidos, cada uno de los cuales suele simbolizarse con una sola letra: A, T , C o G. La estructura del ADN es dinámica a lo largo de su longitud, siendo capaz de enrollarse en bucles apretados y otras formas. En todas las especies se compone de dos cadenas helicoidales, unidas entre sí por puentes de hidrógeno. Ambas cadenas están enrolladas alrededor del mismo eje y tienen el mismo paso de 34 ångströms (3,4 nm). El par de cadenas tiene un radio de 10 Å (1,0 nm). Según otro estudio, cuando se midió en una solución diferente, la cadena de ADN medía 22–26 Å (2,2–2,6 nm) de ancho y una unidad de nucleótido medía 3,3 Å (0,33 nm) de largo. Aunque cada nucleótido individual es muy pequeño, un polímero de ADN puede ser muy largo y puede contener cientos de millones de nucleótidos, como en el cromosoma 1. El cromosoma 1 es el cromosoma humano más grande con aproximadamente 220 millones de pares de bases y sería 85 mm de largo si está enderezado.

El ADN no suele existir como una sola hebra, sino como un par de hebras que se mantienen juntas. Estos dos hilos largos se enrollan uno alrededor del otro, en forma de doble hélice. El nucleótido contiene un segmento del esqueleto de la molécula (que mantiene unida la cadena) y una nucleobase (que interactúa con la otra hebra de ADN en la hélice). Una nucleobase unida a un azúcar se denomina nucleósido, y una base unida a un azúcar ya uno o más grupos fosfato se denomina nucleótido. Un biopolímero que comprende múltiples nucleótidos enlazados (como en el ADN) se denomina polinucleótido.

La columna vertebral de la hebra de ADN está formada por grupos alternantes de fosfato y azúcar. El azúcar en el ADN es 2-desoxirribosa, que es un azúcar de pentosa (cinco carbonos). Los azúcares están unidos por grupos fosfato que forman enlaces fosfodiéster entre los átomos de carbono tercero y quinto de los anillos de azúcar adyacentes. Estos se conocen como carbonos del extremo 3′ (tres extremos principales) y del extremo 5′ (cinco extremos principales), y el símbolo principal se usa para distinguir estos átomos de carbono de los de la base a la que la desoxirribosa forma un enlace glucosídico.. Por lo tanto, cualquier hebra de ADN normalmente tiene un extremo en el que hay un grupo fosfato unido al carbono 5' de una ribosa (el fosforilo 5') y otro extremo en el que hay un grupo hidroxilo libre unido al carbono 3' de una ribosa. ribosa (el hidroxilo 3′). La orientación de los carbonos 3' y 5' a lo largo del esqueleto de azúcar-fosfato confiere direccionalidad (a veces llamada polaridad) a cada hebra de ADN. En una doble hélice de ácido nucleico, la dirección de los nucleótidos en una hebra es opuesta a su dirección en la otra hebra: las hebras son antiparalelas. Se dice que los extremos asimétricos de las hebras de ADN tienen una direccionalidad de cinco extremos principales (5 ') y tres extremos principales (3'), con el extremo 5 'que tiene un grupo fosfato terminal y el extremo 3' un grupo hidroxilo terminal. Una de las principales diferencias entre el ADN y el ARN es el azúcar, ya que la 2-desoxirribosa del ADN se reemplaza por la pentosa azúcar ribosa relacionada en el ARN.

La doble hélice del ADN se estabiliza principalmente por dos fuerzas: los enlaces de hidrógeno entre los nucleótidos y las interacciones de apilamiento de bases entre las nucleobases aromáticas. Las cuatro bases que se encuentran en el ADN son adenina (A), citosina (C), guanina (G) y timina (T). Estas cuatro bases se unen al azúcar-fosfato para formar el nucleótido completo, como se muestra para el monofosfato de adenosina. La adenina se empareja con la timina y la guanina se empareja con la citosina, formando pares de bases A-T y G-C.

Clasificación de nucleobases

Las nucleobases se clasifican en dos tipos: las purinas, A y G, que se fusionan de cinco y seis compuestos heterocíclicos de miembros, y las pirimidinas, los anillos de seis miembros C y T. Una quinta nucleobase de pirimidina, el uracilo (U), normalmente ocupa el lugar de la timina en el ARN y se diferencia de la timina por carecer de un grupo metilo en su anillo. Además del ARN y el ADN, se han creado muchos análogos de ácidos nucleicos artificiales para estudiar las propiedades de los ácidos nucleicos o para su uso en biotecnología.

Bases no canónicas

Las bases modificadas ocurren en el ADN. La primera de ellas reconocida fue la 5-metilcitosina, que se encontró en el genoma de Mycobacterium tuberculosis en 1925. La razón de la presencia de estas bases no canónicas en los virus bacterianos (bacteriófagos) es evitar las enzimas de restricción. presentes en bacterias. Este sistema enzimático actúa, al menos en parte, como un sistema inmunitario molecular que protege a las bacterias de la infección por virus. Las modificaciones de las bases citosina y adenina, las bases de ADN más comunes y modificadas, juegan un papel vital en el control epigenético de la expresión génica en plantas y animales.

Lista de bases no canónicas encontradas en el ADN

Se sabe que existen varias bases no canónicas en el ADN. La mayoría de estos son modificaciones de las bases canónicas más uracilo.

• Modificado Adenosine
  • N6-carbamoyl-methyladenine
  • N6-methyadenine
• Modificado Guanine
  • 7-Deazaguanine
  • 7-Methylguanine
• Modificado Cytosine
  • N4-Methylcytosine
  • 5-Carboxilcitosina
  • 5-Formylcytosine
  • 5-Glycosylhydroxymethylcytosine
  • 5-Hydroxicytosine
  • 5-Metilcitosina
• Modificado Thymidine
  • α-Glutamythymidine
  • α-Putrescinylthymine
• Uracil y modificaciones
  • Base J
  • Uracil
  • 5-Dihidroxypentauracil
  • 5-Hydroxymethyldeoxyuracil
• Otros
  • Deoxyarchaeosine
  • 2,6-Diaminopurina (2-Aminoadenina)

Ranuras

Hebras helicoidales gemelas forman la columna vertebral del ADN. Se puede encontrar otra doble hélice trazando los espacios, o ranuras, entre las hebras. Estos huecos son adyacentes a los pares de bases y pueden proporcionar un sitio de unión. Como los hilos no están situados simétricamente entre sí, las ranuras tienen un tamaño desigual. El surco principal tiene 22 ångströms (2,2 nm) de ancho, mientras que el surco menor tiene 12 Å (1,2 nm) de ancho. Debido a la mayor anchura del surco mayor, los bordes de las bases son más accesibles en el surco mayor que en el surco menor. Como resultado, las proteínas, como los factores de transcripción que pueden unirse a secuencias específicas en el ADN de doble cadena, generalmente hacen contacto con los lados de las bases expuestas en el surco principal. Esta situación varía en conformaciones inusuales del ADN dentro de la célula (ver más abajo), pero los surcos mayores y menores siempre se nombran para reflejar las diferencias de ancho que se verían si el ADN se torciera de nuevo en el forma B ordinaria.

Emparejamiento de bases

En una doble hélice de ADN, cada tipo de nucleobase de una hebra se une con un solo tipo de nucleobase de la otra hebra. Esto se llama apareamiento de bases complementarias. Las purinas forman enlaces de hidrógeno con las pirimidinas, con la adenina uniéndose solo a la timina en dos enlaces de hidrógeno y la citosina uniéndose solo a la guanina en tres enlaces de hidrógeno. Esta disposición de dos nucleótidos que se unen a través de la doble hélice (del anillo de seis carbonos al anillo de seis carbonos) se denomina par de bases de Watson-Crick. El ADN con alto contenido de GC es más estable que el ADN con bajo contenido de GC. Un par de bases de Hoogsteen (un enlace de hidrógeno del anillo de 6 carbonos con el anillo de 5 carbonos) es una rara variación del apareamiento de bases. Como los enlaces de hidrógeno no son covalentes, se pueden romper y volver a unir con relativa facilidad. Las dos hebras de ADN en una doble hélice pueden separarse como una cremallera, ya sea por una fuerza mecánica o por una temperatura elevada. Como resultado de esta complementariedad de pares de bases, toda la información en la secuencia de doble cadena de una hélice de ADN se duplica en cada cadena, lo cual es vital en la replicación del ADN. Esta interacción reversible y específica entre pares de bases complementarias es fundamental para todas las funciones del ADN en los organismos.

ADNss frente a ADNds

Como se señaló anteriormente, la mayoría de las moléculas de ADN son en realidad dos cadenas de polímeros unidas en forma helicoidal por enlaces no covalentes; esta estructura de doble cadena (dsDNA) se mantiene en gran medida por las interacciones de apilamiento de bases intracadena, que son más fuertes para las pilas G,C. Las dos hebras pueden separarse (un proceso conocido como fusión) para formar dos moléculas de ADN de una sola hebra (ssDNA). La fusión se produce a altas temperaturas, bajo nivel de sal y alto pH (el pH bajo también derrite el ADN, pero dado que el ADN es inestable debido a la depuración ácida, rara vez se usa un pH bajo).

La estabilidad de la forma dsDNA depende no solo del contenido de GC (% G,C pares de bases) sino también en la secuencia (ya que el apilamiento es específico de la secuencia) y también en la longitud (las moléculas más largas son más estables). La estabilidad se puede medir de varias formas; una forma común es la temperatura de fusión (también llamada valor T_m), que es la temperatura a la que el 50 % de las moléculas de doble cadena se convierten en moléculas de una sola cadena.; la temperatura de fusión depende de la fuerza iónica y la concentración de ADN. Como resultado, es tanto el porcentaje de pares de bases GC como la longitud total de una doble hélice de ADN lo que determina la fuerza de la asociación entre las dos hebras de ADN. Las hélices largas de ADN con un alto contenido de GC tienen hebras que interactúan más fuertemente, mientras que las hélices cortas con un contenido alto de AT tienen cadenas que interactúan más débilmente. hebras En biología, las partes de la doble hélice del ADN que necesitan separarse fácilmente, como la caja TATAAT Pribnow en algunos promotores, tienden a tener un alto AT contenido, lo que hace que los hilos sean más fáciles de separar.

En el laboratorio, la fuerza de esta interacción se puede medir encontrando la temperatura de fusión T_m necesaria para romper la mitad de los enlaces de hidrógeno. Cuando todos los pares de bases en una doble hélice de ADN se funden, las hebras se separan y existen en solución como dos moléculas completamente independientes. Estas moléculas de ADN monocatenario no tienen una única forma común, pero algunas conformaciones son más estables que otras.

Sentido y antisentido

Una secuencia de ADN se denomina "sentido" secuencia si es la misma que la de una copia de ARN mensajero que se traduce en proteína. La secuencia en la hebra opuesta se llama "antisentido" secuencia. Tanto las secuencias con sentido como las antisentido pueden existir en diferentes partes de la misma cadena de ADN (es decir, ambas cadenas pueden contener tanto secuencias con sentido como antisentido). Tanto en procariotas como en eucariotas, se producen secuencias de ARN antisentido, pero las funciones de estos ARN no están del todo claras. Una propuesta es que los ARN antisentido están involucrados en la regulación de la expresión génica a través del apareamiento de bases ARN-ARN.

Algunas secuencias de ADN en procariotas y eucariotas, y más en plásmidos y virus, desdibujan la distinción entre hebras con sentido y antisentido al tener genes superpuestos. En estos casos, algunas secuencias de ADN cumplen una doble función, codificando una proteína cuando se lee a lo largo de una cadena y una segunda proteína cuando se lee en la dirección opuesta a lo largo de la otra cadena. En las bacterias, esta superposición puede estar involucrada en la regulación de la transcripción de genes, mientras que en los virus, los genes superpuestos aumentan la cantidad de información que se puede codificar dentro del pequeño genoma viral.

Superenrollamiento

El ADN se puede torcer como una cuerda en un proceso llamado superenrollamiento de ADN. Con ADN en su "relajado" Por lo general, una hebra gira alrededor del eje de la doble hélice una vez cada 10,4 pares de bases, pero si el ADN se retuerce, las hebras se vuelven más apretadas o más flojas. Si el ADN se retuerce en la dirección de la hélice, se trata de un superenrollamiento positivo y las bases se mantienen unidas con más fuerza. Si se tuercen en la dirección opuesta, se trata de un superenrollamiento negativo y las bases se separan más fácilmente. En la naturaleza, la mayor parte del ADN tiene un ligero superenrollamiento negativo que es introducido por enzimas llamadas topoisomerasas. Estas enzimas también son necesarias para aliviar las tensiones de torsión introducidas en las hebras de ADN durante procesos como la transcripción y la replicación del ADN.

Estructuras de ADN alternativas

El ADN existe en muchas conformaciones posibles que incluyen formas de ADN A, ADN B y ADN Z, aunque solo se han observado directamente ADN B y ADN Z en organismos funcionales. La conformación que adopta el ADN depende del nivel de hidratación, la secuencia del ADN, la cantidad y dirección del superenrollamiento, las modificaciones químicas de las bases, el tipo y concentración de iones metálicos y la presencia de poliaminas en solución.

Los primeros informes publicados de patrones de difracción de rayos X de ADN-A (y también de ADN-B) utilizaron análisis basados en funciones de Patterson que proporcionaron solo una cantidad limitada de información estructural para las fibras orientadas de ADN. Un análisis alternativo fue propuesto por Wilkins et al. en 1953 para los patrones de dispersión de rayos X de B-DNA in vivo de fibras de ADN altamente hidratadas en términos de cuadrados de Funciones de Bessel. En la misma revista, James Watson y Francis Crick presentaron su análisis de modelado molecular de los patrones de difracción de rayos X del ADN para sugerir que la estructura era una doble hélice.

Aunque la forma B-DNA es más común en las condiciones que se encuentran en las células, no es una conformación bien definida sino una familia de conformaciones de ADN relacionadas que ocurren en los altos niveles de hidratación presentes en células. Sus correspondientes patrones de difracción y dispersión de rayos X son característicos de paracristales moleculares con un grado significativo de desorden.

En comparación con B-DNA, la forma A-DNA es una espiral derecha más ancha, con un surco menor ancho y poco profundo y un surco mayor más estrecho y profundo. La forma A se produce en condiciones no fisiológicas en muestras de ADN parcialmente deshidratadas, mientras que en la célula se puede producir en pares híbridos de hebras de ADN y ARN, y en complejos enzima-ADN. Los segmentos de ADN en los que las bases han sido modificadas químicamente por metilación pueden experimentar un mayor cambio de conformación y adoptar la forma Z. Aquí, las hebras giran alrededor del eje helicoidal en una espiral hacia la izquierda, lo opuesto a la forma B más común. Estas estructuras inusuales pueden ser reconocidas por proteínas de unión Z-DNA específicas y pueden estar involucradas en la regulación de la transcripción.

Química alternativa del ADN

Durante muchos años, los exobiólogos han propuesto la existencia de una biosfera en la sombra, una biosfera microbiana postulada de la Tierra que utiliza procesos bioquímicos y moleculares radicalmente diferentes a los que se conocen en la actualidad. Una de las propuestas fue la existencia de formas de vida que utilizan arsénico en lugar de fósforo en el ADN. Se anunció un informe en 2010 de la posibilidad de que la bacteria GFAJ-1 se encontrara en ella, aunque la investigación fue cuestionada y la evidencia sugiere que la bacteria previene activamente la incorporación de arsénico en la columna vertebral del ADN y otras biomoléculas.

Estructuras cuádruplex

En los extremos de los cromosomas lineales hay regiones especializadas de ADN llamadas telómeros. La función principal de estas regiones es permitir que la célula replique los extremos de los cromosomas utilizando la enzima telomerasa, ya que las enzimas que normalmente replican el ADN no pueden copiar los extremos 3 'de los cromosomas. Estas cubiertas cromosómicas especializadas también ayudan a proteger los extremos del ADN y evitan que los sistemas de reparación del ADN en la célula los traten como daños a corregir. En las células humanas, los telómeros suelen ser fragmentos de ADN monocatenario que contienen varios miles de repeticiones de una secuencia TTAGGG simple.

Estas secuencias ricas en guanina pueden estabilizar los extremos de los cromosomas al formar estructuras de conjuntos apilados de unidades de cuatro bases, en lugar de los pares de bases habituales que se encuentran en otras moléculas de ADN. Aquí, cuatro bases de guanina, conocidas como tétrada de guanina, forman una placa plana. Estas unidades planas de cuatro bases luego se apilan una encima de la otra para formar una estructura G-quadruplex estable. Estas estructuras se estabilizan mediante enlaces de hidrógeno entre los bordes de las bases y la quelación de un ion metálico en el centro de cada unidad de cuatro bases. También se pueden formar otras estructuras, con el conjunto central de cuatro bases provenientes de una sola hebra doblada alrededor de las bases, o de varias hebras paralelas diferentes, cada una de las cuales contribuye con una base a la estructura central.

Además de estas estructuras apiladas, los telómeros también forman grandes estructuras de bucle llamadas bucles de telómero o bucles en T. Aquí, el ADN monocatenario se enrolla en un largo círculo estabilizado por proteínas de unión a telómeros. Al final del bucle en T, el ADN del telómero de cadena sencilla se mantiene en una región de ADN de doble cadena por la cadena del telómero que interrumpe el ADN de doble hélice y el emparejamiento de bases con una de las dos cadenas. Esta estructura de triple hebra se denomina bucle de desplazamiento o bucle D.

ADN ramificado

En el ADN, el deshilachado se produce cuando existen regiones no complementarias al final de una cadena doble de ADN que, por lo demás, es complementaria. Sin embargo, el ADN ramificado puede ocurrir si se introduce una tercera hebra de ADN y contiene regiones adyacentes capaces de hibridarse con las regiones deshilachadas de la doble hebra preexistente. Aunque el ejemplo más simple de ADN ramificado involucra solo tres cadenas de ADN, también son posibles los complejos que involucran cadenas adicionales y múltiples ramificaciones. El ADN ramificado se puede usar en nanotecnología para construir formas geométricas; consulte la sección sobre usos en tecnología a continuación.

Bases artificiales

Se han sintetizado varias nucleobases artificiales y se han incorporado con éxito en el análogo de ADN de ocho bases llamado ADN Hachimoji. Denominadas S, B, P y Z, estas bases artificiales son capaces de unirse entre sí de forma predecible (S-B y P-Z), mantener la estructura de doble hélice del ADN y transcribirse a ARN. Su existencia podría verse como una indicación de que no hay nada especial en las cuatro nucleobases naturales que evolucionaron en la Tierra. Por otro lado, el ADN está estrechamente relacionado con el ARN, que no solo actúa como una transcripción del ADN, sino que también realiza muchas tareas en las células como máquinas moleculares. Para ello tiene que plegarse en una estructura. Se ha demostrado que para permitir la creación de todas las estructuras posibles se requieren al menos cuatro bases para el ARN correspondiente, mientras que también es posible un número mayor, pero esto iría en contra del principio natural del mínimo esfuerzo.

Acidez

Los grupos fosfato del ADN le confieren propiedades ácidas similares al ácido fosfórico y puede considerarse como un ácido fuerte. Estará completamente ionizado a un pH celular normal, liberando protones que dejan cargas negativas en los grupos fosfato. Estas cargas negativas protegen al ADN de la descomposición por hidrólisis al repeler los nucleófilos que podrían hidrolizarlo.

Aspecto macroscópico

El ADN puro extraído de las células forma grumos blancos y fibrosos.

Modificaciones químicas y empaquetamiento alterado del ADN

Modificaciones de bases y empaquetamiento de ADN

La expresión de los genes está influenciada por cómo se empaqueta el ADN en los cromosomas, en una estructura llamada cromatina. Las modificaciones de la base pueden estar involucradas en el empaquetamiento, con regiones que tienen una expresión génica baja o nula que generalmente contienen altos niveles de metilación de bases de citosina. El empaquetamiento del ADN y su influencia en la expresión génica también puede ocurrir por modificaciones covalentes del núcleo de la proteína histona alrededor del cual el ADN se envuelve en la estructura de cromatina o bien por remodelación llevada a cabo por complejos de remodelación de cromatina (ver Remodelación de cromatina). Además, existe una diafonía entre la metilación del ADN y la modificación de histonas, por lo que pueden afectar de manera coordinada a la cromatina y la expresión génica.

Por ejemplo, la metilación de la citosina produce 5-metilcitosina, que es importante para la inactivación del cromosoma X. El nivel promedio de metilación varía entre organismos: el gusano Caenorhabditis elegans carece de metilación de citosina, mientras que los vertebrados tienen niveles más altos, con hasta un 1 % de su ADN que contiene 5-metilcitosina. A pesar de la importancia de la 5-metilcitosina, puede desaminarse para dejar una base de timina, por lo que las citosinas metiladas son particularmente propensas a las mutaciones. Otras modificaciones de bases incluyen la metilación de adenina en bacterias, la presencia de 5-hidroximetilcitosina en el cerebro y la glicosilación de uracilo para producir la "base J" en cinetoplástidos.

Daño

El ADN puede ser dañado por muchos tipos de mutágenos, que cambian la secuencia del ADN. Los mutágenos incluyen agentes oxidantes, agentes alquilantes y también radiación electromagnética de alta energía como la luz ultravioleta y los rayos X. El tipo de daño producido en el ADN depende del tipo de mutágeno. Por ejemplo, la luz ultravioleta puede dañar el ADN al producir dímeros de timina, que son enlaces cruzados entre bases de pirimidina. Por otro lado, los oxidantes como los radicales libres o el peróxido de hidrógeno producen múltiples formas de daño, incluyendo modificaciones de bases, particularmente de guanosina, y roturas de doble cadena. Una célula humana típica contiene unas 150.000 bases que han sufrido daño oxidativo. De estas lesiones oxidativas, las más peligrosas son las roturas de doble cadena, ya que son difíciles de reparar y pueden producir mutaciones puntuales, inserciones, deleciones de la secuencia de ADN y translocaciones cromosómicas. Estas mutaciones pueden causar cáncer. Debido a los límites inherentes a los mecanismos de reparación del ADN, si los humanos vivieran lo suficiente, eventualmente todos desarrollarían cáncer. Los daños en el ADN que ocurren naturalmente, debido a los procesos celulares normales que producen especies reactivas de oxígeno, las actividades hidrolíticas del agua celular, etc., también ocurren con frecuencia. Aunque la mayoría de estos daños se reparan, en cualquier célula puede quedar algún daño en el ADN a pesar de la acción de los procesos de reparación. Estos daños restantes en el ADN se acumulan con la edad en los tejidos posmitóticos de los mamíferos. Esta acumulación parece ser una importante causa subyacente del envejecimiento.

Muchos mutágenos encajan en el espacio entre dos pares de bases adyacentes, esto se denomina intercalación. La mayoría de los intercaladores son moléculas aromáticas y planas; los ejemplos incluyen bromuro de etidio, acridinas, daunomicina y doxorrubicina. Para que un intercalador encaje entre pares de bases, las bases deben separarse, distorsionando las hebras de ADN al desenrollarse la doble hélice. Esto inhibe tanto la transcripción como la replicación del ADN, causando toxicidad y mutaciones. Como resultado, los intercaladores de ADN pueden ser cancerígenos y, en el caso de la talidomida, un teratógeno. Otros, como el epóxido de benzo[a]pireno diol y la aflatoxina, forman aductos de ADN que inducen errores en la replicación. Sin embargo, debido a su capacidad para inhibir la transcripción y replicación del ADN, otras toxinas similares también se utilizan en la quimioterapia para inhibir las células cancerosas que crecen rápidamente.

Funciones biológicas

El ADN generalmente se presenta como cromosomas lineales en eucariotas y cromosomas circulares en procariotas. El conjunto de cromosomas de una célula constituye su genoma; el genoma humano tiene aproximadamente 3 mil millones de pares de bases de ADN dispuestos en 46 cromosomas. La información transportada por el ADN se mantiene en la secuencia de piezas de ADN llamadas genes. La transmisión de información genética en los genes se logra a través del apareamiento de bases complementarias. Por ejemplo, en la transcripción, cuando una célula utiliza la información de un gen, la secuencia de ADN se copia en una secuencia de ARN complementaria a través de la atracción entre el ADN y los nucleótidos de ARN correctos. Por lo general, esta copia de ARN se usa para hacer una secuencia de proteína correspondiente en un proceso llamado traducción, que depende de la misma interacción entre los nucleótidos de ARN. De manera alternativa, una célula puede copiar su información genética en un proceso llamado replicación del ADN. Los detalles de estas funciones están cubiertos en otros artículos; aquí el foco está en las interacciones entre el ADN y otras moléculas que median la función del genoma.

Genes y genomas

El ADN genómico se empaqueta de manera firme y ordenada en el proceso llamado condensación de ADN, para adaptarse a los pequeños volúmenes disponibles de la célula. En eucariotas, el ADN se encuentra en el núcleo celular, con pequeñas cantidades en las mitocondrias y los cloroplastos. En los procariotas, el ADN se mantiene dentro de un cuerpo de forma irregular en el citoplasma llamado nucleoide. La información genética en un genoma se encuentra dentro de los genes, y el conjunto completo de esta información en un organismo se denomina genotipo. Un gen es una unidad de herencia y es una región de ADN que influye en una característica particular de un organismo. Los genes contienen un marco de lectura abierto que se puede transcribir y secuencias reguladoras, como promotores y potenciadores, que controlan la transcripción del marco de lectura abierto.

En muchas especies, solo una pequeña fracción de la secuencia total del genoma codifica proteínas. Por ejemplo, solo alrededor del 1,5 % del genoma humano consiste en exones que codifican proteínas, y más del 50 % del ADN humano consiste en secuencias repetitivas no codificantes. Las razones de la presencia de tanto ADN no codificante en los genomas eucarióticos y las extraordinarias diferencias en el tamaño del genoma, o valor C, entre especies, representan un enigma de larga data conocido como el "C -valor enigma". Sin embargo, algunas secuencias de ADN que no codifican proteínas aún pueden codificar moléculas de ARN no codificantes funcionales, que están involucradas en la regulación de la expresión génica.

Algunas secuencias de ADN no codificantes desempeñan funciones estructurales en los cromosomas. Los telómeros y centrómeros suelen contener pocos genes, pero son importantes para la función y la estabilidad de los cromosomas. Una forma abundante de ADN no codificante en humanos son los pseudogenes, que son copias de genes que han sido desactivados por mutación. Estas secuencias suelen ser solo fósiles moleculares, aunque ocasionalmente pueden servir como material genético en bruto para la creación de nuevos genes a través del proceso de duplicación y divergencia de genes.

Transcripción y traducción

Un gen es una secuencia de ADN que contiene información genética y puede influir en el fenotipo de un organismo. Dentro de un gen, la secuencia de bases a lo largo de una cadena de ADN define una secuencia de ARN mensajero, que luego define una o más secuencias de proteínas. La relación entre las secuencias de nucleótidos de los genes y las secuencias de aminoácidos de las proteínas está determinada por las reglas de traducción, conocidas colectivamente como código genético. El código genético consta de 'palabras' de tres letras; llamados codones formados a partir de una secuencia de tres nucleótidos (por ejemplo, ACT, CAG, TTT).

En la transcripción, la ARN polimerasa copia los codones de un gen en el ARN mensajero. Esta copia de ARN luego es decodificada por un ribosoma que lee la secuencia de ARN mediante el emparejamiento de bases del ARN mensajero para transferir el ARN, que transporta aminoácidos. Como hay 4 bases en combinaciones de 3 letras, hay 64 codones posibles (4³ combinaciones). Estos codifican los veinte aminoácidos estándar, dando a la mayoría de los aminoácidos más de un codón posible. También hay tres 'stop' o 'tonterías' codones que significan el final de la región codificante; estos son los codones TAG, TAA y TGA (UAG, UAA y UGA en el ARNm).

Replicación

La división celular es esencial para que un organismo crezca, pero, cuando una célula se divide, debe replicar el ADN en su genoma para que las dos células hijas tengan la misma información genética que su padre. La estructura de doble cadena del ADN proporciona un mecanismo simple para la replicación del ADN. Aquí, las dos hebras se separan y luego la secuencia de ADN complementaria de cada hebra es recreada por una enzima llamada ADN polimerasa. Esta enzima produce la hebra complementaria al encontrar la base correcta a través del emparejamiento de bases complementarias y unirla a la hebra original. Como las ADN polimerasas solo pueden extender una cadena de ADN en una dirección de 5 'a 3', se utilizan diferentes mecanismos para copiar las cadenas antiparalelas de la doble hélice. De esta forma, la base de la hebra antigua dicta qué base aparece en la hebra nueva, y la célula termina con una copia perfecta de su ADN.

Ácidos nucleicos extracelulares

El ADN extracelular desnudo (eDNA), la mayor parte liberado por la muerte celular, es casi omnipresente en el medio ambiente. Su concentración en el suelo puede ser tan alta como 2 μg/L, y su concentración en ambientes acuáticos naturales puede ser tan alta como 88 μg/L. Se han propuesto varias funciones posibles para eDNA: puede estar involucrado en la transferencia horizontal de genes; puede proporcionar nutrientes; y puede actuar como amortiguador para reclutar o titular iones o antibióticos. El ADN extracelular actúa como un componente funcional de la matriz extracelular en las biopelículas de varias especies bacterianas. Puede actuar como un factor de reconocimiento para regular la unión y dispersión de tipos de células específicas en la biopelícula; puede contribuir a la formación de biopelículas; y puede contribuir a la fuerza física y la resistencia de la biopelícula al estrés biológico.

El ADN fetal libre de células se encuentra en la sangre de la madre y se puede secuenciar para determinar una gran cantidad de información sobre el feto en desarrollo.

Bajo el nombre de ADN ambiental, eDNA se ha utilizado cada vez más en las ciencias naturales como una herramienta de estudio para la ecología, el seguimiento de los movimientos y la presencia de especies en el agua, el aire o la tierra, y la evaluación de la biodiversidad de un área..

Trampas extracelulares de neutrófilos

Las trampas extracelulares de neutrófilos (NET) son redes de fibras extracelulares, compuestas principalmente de ADN, que permiten que los neutrófilos, un tipo de glóbulo blanco, eliminen los patógenos extracelulares y minimicen el daño a las células huésped.

Interacciones con proteínas

Todas las funciones del ADN dependen de las interacciones con las proteínas. Estas interacciones de proteínas pueden ser no específicas o la proteína puede unirse específicamente a una sola secuencia de ADN. Las enzimas también pueden unirse al ADN y, de éstas, las polimerasas que copian la secuencia de bases del ADN en la transcripción y la replicación del ADN son particularmente importantes.

Proteínas de unión al ADN

Las proteínas estructurales que se unen al ADN son ejemplos bien conocidos de interacciones ADN-proteína no específicas. Dentro de los cromosomas, el ADN se mantiene en complejos con proteínas estructurales. Estas proteínas organizan el ADN en una estructura compacta llamada cromatina. En eucariotas, esta estructura involucra la unión del ADN a un complejo de pequeñas proteínas básicas llamadas histonas, mientras que en procariotas están involucrados múltiples tipos de proteínas. Las histonas forman un complejo en forma de disco llamado nucleosoma, que contiene dos vueltas completas de ADN bicatenario envuelto alrededor de su superficie. Estas interacciones no específicas se forman a través de residuos básicos en las histonas, formando enlaces iónicos con el esqueleto ácido de azúcar-fosfato del ADN y, por lo tanto, son en gran medida independientes de la secuencia de bases. Las modificaciones químicas de estos residuos de aminoácidos básicos incluyen la metilación, la fosforilación y la acetilación. Estos cambios químicos alteran la fuerza de la interacción entre el ADN y las histonas, haciendo que el ADN sea más o menos accesible a los factores de transcripción y cambiando la tasa de transcripción. Otras proteínas de unión al ADN no específicas en la cromatina incluyen las proteínas del grupo de alta movilidad, que se unen al ADN doblado o distorsionado. Estas proteínas son importantes para doblar conjuntos de nucleosomas y organizarlos en estructuras más grandes que forman los cromosomas.

Un grupo distinto de proteínas de unión al ADN son las proteínas de unión al ADN que se unen específicamente al ADN monocatenario. En los seres humanos, la proteína de replicación A es el miembro mejor comprendido de esta familia y se usa en procesos en los que se separa la doble hélice, incluida la replicación, la recombinación y la reparación del ADN. Estas proteínas de unión parecen estabilizar el ADN monocatenario y protegerlo de la formación de bucles de tallo o de ser degradado por nucleasas.

En contraste, otras proteínas han evolucionado para unirse a secuencias de ADN particulares. Los más intensamente estudiados de estos son los diversos factores de transcripción, que son proteínas que regulan la transcripción. Cada factor de transcripción se une a un conjunto particular de secuencias de ADN y activa o inhibe la transcripción de genes que tienen estas secuencias cerca de sus promotores. Los factores de transcripción hacen esto de dos maneras. En primer lugar, pueden unirse a la ARN polimerasa responsable de la transcripción, ya sea directamente oa través de otras proteínas mediadoras; esto ubica la polimerasa en el promotor y le permite comenzar la transcripción. Alternativamente, los factores de transcripción pueden unirse a enzimas que modifican las histonas en el promotor. Esto cambia la accesibilidad de la plantilla de ADN a la polimerasa.

Como estos objetivos de ADN pueden ocurrir en todo el genoma de un organismo, los cambios en la actividad de un tipo de factor de transcripción pueden afectar a miles de genes. En consecuencia, estas proteínas son a menudo los objetivos de los procesos de transducción de señales que controlan las respuestas a los cambios ambientales o la diferenciación y el desarrollo celular. La especificidad de estos factores de transcripción' Las interacciones con el ADN provienen de las proteínas que hacen múltiples contactos con los bordes de las bases del ADN, lo que les permite "leer" la secuencia de ADN. La mayoría de estas interacciones de bases se realizan en el surco mayor, donde las bases son más accesibles.

Enzimas modificadoras del ADN

Nucleasas y ligasas

Las nucleasas son enzimas que cortan cadenas de ADN al catalizar la hidrólisis de los enlaces fosfodiéster. Las nucleasas que hidrolizan los nucleótidos de los extremos de las cadenas de ADN se denominan exonucleasas, mientras que las endonucleasas cortan dentro de las cadenas. Las nucleasas más utilizadas en biología molecular son las endonucleasas de restricción, que cortan el ADN en secuencias específicas. Por ejemplo, la enzima EcoRV que se muestra a la izquierda reconoce la secuencia de 6 bases 5′-GATATC-3′ y hace un corte en la línea horizontal. En la naturaleza, estas enzimas protegen a las bacterias contra la infección por fagos al digerir el ADN del fago cuando ingresa a la célula bacteriana, actuando como parte del sistema de modificación de restricción. En tecnología, estas nucleasas específicas de secuencia se utilizan en la clonación molecular y la toma de huellas dactilares de ADN.

Las enzimas denominadas ADN ligasas pueden volver a unir hebras de ADN cortadas o rotas. Las ligasas son particularmente importantes en la replicación del ADN de la hebra retrasada, ya que unen los segmentos cortos de ADN producidos en la horquilla de replicación en una copia completa de la plantilla de ADN. También se utilizan en la reparación del ADN y la recombinación genética.

Topoisomerasas y helicasas

Las topoisomerasas son enzimas con actividad nucleasa y ligasa. Estas proteínas cambian la cantidad de superenrollamiento en el ADN. Algunas de estas enzimas funcionan cortando la hélice del ADN y permitiendo que una sección gire, reduciendo así su nivel de superenrollamiento; la enzima luego sella la ruptura del ADN. Otros tipos de estas enzimas son capaces de cortar una hélice de ADN y luego pasar una segunda hebra de ADN a través de esta ruptura, antes de volver a unirse a la hélice. Las topoisomerasas son necesarias para muchos procesos relacionados con el ADN, como la replicación y la transcripción del ADN.

Las helicasas son proteínas que son un tipo de motor molecular. Utilizan la energía química de los nucleósidos trifosfatos, predominantemente trifosfato de adenosina (ATP), para romper los enlaces de hidrógeno entre las bases y desenrollar la doble hélice del ADN en hebras simples. Estas enzimas son esenciales para la mayoría de los procesos en los que las enzimas necesitan acceder a las bases del ADN.

Polimerasas

Las polimerasas son enzimas que sintetizan cadenas de polinucleótidos a partir de nucleósidos trifosfatos. La secuencia de sus productos se crea en base a las cadenas de polinucleótidos existentes, que se denominan plantillas. Estas enzimas funcionan agregando repetidamente un nucleótido al grupo hidroxilo 3' al final de la cadena de polinucleótidos en crecimiento. Como consecuencia, todas las polimerasas trabajan en una dirección de 5′ a 3′. En el sitio activo de estas enzimas, el nucleósido trifosfato entrante se empareja con la plantilla: esto permite que las polimerasas sinteticen con precisión la cadena complementaria de su plantilla. Las polimerasas se clasifican según el tipo de plantilla que utilizan.

En la replicación del ADN, las polimerasas de ADN dependientes de ADN hacen copias de las cadenas de polinucleótidos de ADN. Para preservar la información biológica, es esencial que la secuencia de bases en cada copia sea precisamente complementaria a la secuencia de bases en la hebra molde. Muchas ADN polimerasas tienen actividad correctora. Aquí, la polimerasa reconoce los errores ocasionales en la reacción de síntesis por la falta de emparejamiento de bases entre los nucleótidos que no coinciden. Si se detecta un desajuste, se activa una actividad de exonucleasa de 3 'a 5' y se elimina la base incorrecta. En la mayoría de los organismos, las ADN polimerasas funcionan en un gran complejo llamado replisoma que contiene múltiples subunidades accesorias, como la pinza de ADN o las helicasas.

Las polimerasas de ADN 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 involucrada en la infección de células por retrovirus, y la telomerasa, que es necesaria para la replicación de los telómeros. Por ejemplo, la transcriptasa inversa del VIH es una enzima para la replicación del virus del SIDA. La telomerasa es una polimerasa inusual porque contiene su propia plantilla de ARN como parte de su estructura. Sintetiza los telómeros en los extremos de los cromosomas. Los telómeros evitan la fusión de los extremos de los cromosomas vecinos y protegen los extremos de los cromosomas contra daños.

La transcripción la lleva a cabo una ARN polimerasa dependiente de ADN que copia la secuencia de una hebra de ADN en ARN. Para comenzar a transcribir un gen, la ARN polimerasa se une a una secuencia de ADN llamada promotor y separa las hebras de ADN. Luego copia la secuencia del gen en una transcripción de ARN mensajero hasta que llega a una región de ADN llamada terminador, donde se detiene y se separa del ADN. Al igual que con las polimerasas de ADN dependientes de ADN humano, la ARN polimerasa II, la enzima que transcribe la mayoría de los genes en el genoma humano, opera como parte de un gran complejo proteico con múltiples subunidades reguladoras y accesorias.

Recombinación genética

Una hélice de ADN no suele interactuar con otros segmentos de ADN y, en las células humanas, los diferentes cromosomas incluso ocupan áreas separadas en el núcleo denominadas "territorios cromosómicos". Esta separación física de diferentes cromosomas es importante para la capacidad del ADN de funcionar como un depósito estable de información, ya que una de las pocas veces que los cromosomas interactúan es en el cruce cromosómico que ocurre durante la reproducción sexual, cuando ocurre la recombinación genética. El cruce cromosómico es cuando dos hélices de ADN se rompen, intercambian una sección y luego se vuelven a unir.

La recombinación permite que los cromosomas intercambien información genética y produzca nuevas combinaciones de genes, lo que aumenta la eficiencia de la selección natural y puede ser importante en la rápida evolución de nuevas proteínas. La recombinación genética también puede estar involucrada en la reparación del ADN, particularmente en la respuesta de la célula a las roturas de doble cadena.

La forma más común de cruce cromosómico es la recombinación homóloga, donde los dos cromosomas involucrados 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, como RAD51. El primer paso en la recombinación es una ruptura de doble cadena causada por una endonucleasa o daño al ADN. Luego, una serie de pasos catalizados en parte por la recombinasa conduce a la unión de las dos hélices mediante al menos una unión de Holliday, en la que un segmento de una sola hebra en cada hélice se hibrida con la hebra complementaria en la otra hélice. La unión de Holliday es una estructura de unión tetraédrica que se puede mover a lo largo del par de cromosomas, intercambiando una hebra por otra. A continuación, la reacción de recombinación se detiene mediante la escisión de la unión y la nueva ligadura del ADN liberado. Solo hebras de polaridad similar intercambian ADN durante la recombinación. Hay dos tipos de división: división este-oeste y división norte-sur. La división norte-sur corta ambas cadenas de ADN, mientras que la división este-oeste tiene una cadena de ADN intacta. La formación de una unión de Holliday durante la recombinación hace posible la diversidad genética, el intercambio de genes en los cromosomas y la expresión de genomas virales de tipo salvaje.

Evolución

El ADN contiene la información genética que permite que todas las formas de vida funcionen, crezcan y se reproduzcan. Sin embargo, no está claro cuánto tiempo en los 4 mil millones de años de historia de la vida, el ADN ha realizado esta función, ya que se ha propuesto que las primeras formas de vida pueden haber utilizado el ARN como material genético. El ARN puede haber actuado como la parte central del metabolismo celular temprano, ya que puede transmitir información genética y llevar a cabo la catálisis como parte de las ribozimas. Este antiguo mundo de ARN donde el ácido nucleico se habría utilizado tanto para la catálisis como para la genética puede haber influido en la evolución del código genético actual basado en cuatro bases de nucleótidos. Esto ocurriría, dado que el número de bases diferentes en dicho organismo es un compromiso entre un pequeño número de bases que aumenta la precisión de la replicación y un gran número de bases que aumenta la eficacia catalítica de las ribozimas. Sin embargo, no hay evidencia directa de sistemas genéticos antiguos, ya que la recuperación de ADN de la mayoría de los fósiles es imposible porque el ADN sobrevive en el medio ambiente por menos de un millón de años y se degrada lentamente en fragmentos cortos en solución. Se han hecho afirmaciones de ADN más antiguo, sobre todo un informe del aislamiento de una bacteria viable de un cristal de sal de 250 millones de años, pero estas afirmaciones son controvertidas.

Es posible que los componentes básicos del ADN (adenina, guanina y moléculas orgánicas relacionadas) se hayan formado extraterrestres en el espacio exterior. Los complejos compuestos orgánicos de ADN y ARN de la vida, incluidos el uracilo, la citosina y la timina, también se han formado en el laboratorio en condiciones que imitan a las que se encuentran en el espacio exterior, utilizando productos químicos iniciales, como la pirimidina, que se encuentran en los meteoritos. La pirimidina, como los hidrocarburos aromáticos policíclicos (HAP), la sustancia química más rica en carbono que se encuentra en el universo, puede haberse formado en gigantes rojas o en nubes de gas y polvo cósmico interestelar.

En febrero de 2021, los científicos informaron, por primera vez, de la secuenciación de ADN de restos animales, un mamut en este caso con más de un millón de años, el ADN más antiguo secuenciado hasta la fecha.

Usos en tecnología

Ingeniería genética

Se han desarrollado métodos para purificar el ADN de los organismos, como la extracción con fenol-cloroformo, y para manipularlo en el laboratorio, como las digestiones de restricción y la reacción en cadena de la polimerasa. La biología y la bioquímica modernas hacen un uso intensivo de estas técnicas en la tecnología del ADN recombinante. El ADN recombinante es una secuencia de ADN artificial que se ha ensamblado a partir de otras secuencias de ADN. Pueden transformarse en organismos en forma de plásmidos o en el formato apropiado, mediante el uso de un vector viral. Los organismos genéticamente modificados producidos pueden usarse para producir productos tales como proteínas recombinantes, usarse en investigación médica o cultivarse en la agricultura.

Perfil de ADN

Los científicos forenses pueden usar el ADN de la sangre, el semen, la piel, la saliva o el cabello encontrados en la escena del crimen para identificar el ADN coincidente de un individuo, como el perpetrador. Este proceso se denomina formalmente perfilado de ADN, también llamado huella digital de ADN. En el perfilado de ADN, las longitudes de secciones variables de ADN repetitivo, como repeticiones cortas en tándem y minisatélites, se comparan entre personas. Este método suele ser una técnica extremadamente confiable para identificar un ADN coincidente. Sin embargo, la identificación puede ser complicada si la escena está contaminada con ADN de varias personas. El perfil de ADN fue desarrollado en 1984 por el genetista británico Sir Alec Jeffreys, y se utilizó por primera vez en la ciencia forense para condenar a Colin Pitchfork en el caso de los asesinatos de Enderby en 1988.

El desarrollo de la ciencia forense y la capacidad de obtener coincidencias genéticas en muestras diminutas de sangre, piel, saliva o cabello ha llevado a volver a examinar muchos casos. Ahora se pueden descubrir pruebas que eran científicamente imposibles en el momento del examen original. Combinado con la eliminación de la ley de doble incriminación en algunos lugares, esto puede permitir la reapertura de casos en los que los juicios anteriores no hayan producido pruebas suficientes para convencer a un jurado. A las personas acusadas de delitos graves se les puede solicitar que proporcionen una muestra de ADN para fines de comparación. La defensa más obvia para las coincidencias de ADN obtenidas de forma forense es afirmar que se ha producido una contaminación cruzada de las pruebas. Esto ha resultado en procedimientos de manejo estrictos y meticulosos con nuevos casos de delitos graves.

Los perfiles de ADN también se utilizan con éxito para identificar positivamente a las víctimas de incidentes con víctimas en masa, cuerpos o partes de cuerpos en accidentes graves y víctimas individuales en fosas comunes de guerra, a través de la comparación con miembros de la familia.

El perfil de ADN también se usa en las pruebas de paternidad de ADN para determinar si alguien es el padre o abuelo biológico de un niño con una probabilidad de paternidad típicamente del 99,99 % cuando el presunto padre está relacionado biológicamente con el niño. Los métodos normales de secuenciación del ADN ocurren después del nacimiento, pero existen nuevos métodos para evaluar la paternidad mientras la madre aún está embarazada.

Enzimas de ADN o ADN catalítico

Las desoxirribozimas, también denominadas ADNzimas o ADN catalítico, se descubrieron por primera vez en 1994. En su mayoría, son secuencias de ADN monocatenarias aisladas de un gran grupo de secuencias de ADN aleatorias mediante un enfoque combinatorio denominado selección in vitro o evolución sistemática de ligandos mediante enriquecimiento exponencial. (SELEX). Las ADNzimas catalizan una variedad de reacciones químicas, incluida la escisión de ARN-ADN, la ligadura de ARN-ADN, la fosforilación-desfosforilación de aminoácidos, la formación de enlaces carbono-carbono, etc. Las ADNzimas pueden aumentar la velocidad catalítica de las reacciones químicas hasta 100.000.000.000 veces sobre la reacción no catalizada. La clase de ADNzimas más estudiada son los tipos de escisión de ARN que se han utilizado para detectar diferentes iones metálicos y diseñar agentes terapéuticos. Se han informado varias ADNzimas específicas de metales, incluida la ADNzima GR-5 (específica del plomo), las ADNzimas CA1-3 (específicas del cobre), la ADNzima 39E (específica del uranilo) y la ADNzima NaA43 (específica del sodio). La ADNzima NaA43, que según se informa es más de 10 000 veces más selectiva para el sodio que para otros iones metálicos, se utilizó para fabricar un sensor de sodio en tiempo real en las células.

Bioinformática

La bioinformática implica el desarrollo de técnicas para almacenar, extraer datos, buscar y manipular datos biológicos, incluidos los datos de secuencias de ácidos nucleicos de ADN. Estos han llevado a avances ampliamente aplicados en informática, especialmente algoritmos de búsqueda de cadenas, aprendizaje automático y teoría de bases de datos. Se desarrollaron algoritmos de búsqueda o coincidencia de cadenas, que encuentran una ocurrencia de una secuencia de letras dentro de una secuencia más grande de letras, para buscar secuencias específicas de nucleótidos. La secuencia de ADN puede alinearse con otras secuencias de ADN para identificar secuencias homólogas y localizar las mutaciones específicas que las diferencian. Estas técnicas, especialmente la alineación de secuencias múltiples, se utilizan para estudiar las relaciones filogenéticas y la función de las proteínas. Conjuntos de datos que representan genomas completos' Las secuencias de ADN, como las producidas por el Proyecto Genoma Humano, son difíciles de usar sin las anotaciones que identifican las ubicaciones de los genes y los elementos reguladores en cada cromosoma. Las regiones de la secuencia de ADN que tienen los patrones característicos asociados con genes que codifican proteínas o ARN pueden identificarse mediante algoritmos de búsqueda de genes, lo que permite a los investigadores predecir la presencia de productos génicos particulares y sus posibles funciones en un organismo incluso antes de que hayan sido aislados. experimentalmente. También se pueden comparar genomas completos, lo que puede arrojar luz sobre la historia evolutiva de un organismo en particular y permitir el examen de eventos evolutivos complejos.

Nanotecnología del ADN

La nanotecnología del ADN utiliza las propiedades de reconocimiento molecular únicas del ADN y otros ácidos nucleicos para crear complejos de ADN ramificado autoensamblado con propiedades útiles. Por tanto, el ADN se utiliza como material estructural más que como portador de información biológica. Esto ha llevado a la creación de celosías periódicas bidimensionales (tanto basadas en mosaicos como usando el método DNA origami) y estructuras tridimensionales en forma de poliedros. También se han demostrado dispositivos nanomecánicos y autoensamblaje algorítmico, y estas estructuras de ADN se han utilizado para moldear la disposición de otras moléculas, como nanopartículas de oro y proteínas de estreptavidina. El ADN y otros ácidos nucleicos son la base de los aptámeros, ligandos de oligonucleótidos sintéticos para moléculas diana específicas utilizadas en una variedad de aplicaciones biomédicas y biotecnológicas.

Historia y antropología

Debido a que el ADN recopila mutaciones a lo largo del tiempo, que luego se heredan, contiene información histórica y, al comparar secuencias de ADN, los genetistas pueden inferir la historia evolutiva de los organismos, su filogenia. Este campo de la filogenética es una herramienta poderosa en la biología evolutiva. Si se comparan las secuencias de ADN dentro de una especie, los genetistas de poblaciones pueden aprender la historia de poblaciones particulares. Esto se puede utilizar en estudios que van desde la genética ecológica hasta la antropología.

Almacenamiento de información

El ADN como dispositivo de almacenamiento de información tiene un enorme potencial, ya que tiene una densidad de almacenamiento mucho mayor en comparación con los dispositivos electrónicos. Sin embargo, los altos costos, los tiempos lentos de lectura y escritura (latencia de memoria) y la confiabilidad insuficiente han impedido su uso práctico.

Historia

El ADN fue aislado por primera vez por el médico suizo Friedrich Miescher quien, en 1869, descubrió una sustancia microscópica en el pus de los vendajes quirúrgicos desechados. Como residía en los núcleos de las células, lo llamó 'nucleína'. En 1878, Albrecht Kossel aisló el componente no proteico de la 'nucleína', el ácido nucleico, y más tarde aisló sus cinco nucleobases primarias.

En 1909, Phoebus Levene identificó la unidad de nucleótidos de base, azúcar y fosfato del ARN (entonces llamado "ácido nucleico de levadura"). En 1929, Levene identificó el azúcar desoxirribosa en el "ácido nucleico del timo" (ADN). Levene sugirió que el ADN consistía en una cadena de cuatro unidades de nucleótidos unidas entre sí a través de los grupos fosfato ('hipótesis de los tetranucleótidos'). Levene pensó que la cadena era corta y que las bases se repetían en un orden fijo. En 1927, Nikolai Koltsov propuso que los rasgos hereditarios se heredarían a través de una 'molécula hereditaria gigante'. compuesto por "dos hilos de espejo que se replicarían de forma semiconservadora usando cada hilo como plantilla". En 1928, Frederick Griffith en su experimento descubrió que los rasgos del "suave" forma de neumococo podría transferirse a la "áspera" forma de la misma bacteria mezclando bacterias muertas "suaves" bacterias con el vivo "áspero" formulario. Este sistema proporcionó la primera sugerencia clara de que el ADN transporta información genética.

En 1933, mientras estudiaba los huevos vírgenes de erizo de mar, Jean Brachet sugirió que el ADN se encuentra en el núcleo celular y que el ARN está presente exclusivamente en el citoplasma. En ese momento, el "ácido nucleico de levadura" (ARN) se pensaba que sólo se encontraba en las plantas, mientras que el "ácido nucleico del timo" (ADN) sólo en animales. Se pensó que este último era un tetrámero, con la función de amortiguar el pH celular.

En 1937, William Astbury produjo los primeros patrones de difracción de rayos X que mostraban que el ADN tenía una estructura regular.

En 1943, Oswald Avery, junto con sus compañeros de trabajo Colin MacLeod y Maclyn McCarty, identificaron el ADN como el principio transformador, apoyando la sugerencia de Griffith (experimento Avery-MacLeod-McCarty). Erwin Chargaff desarrolló y publicó observaciones que ahora se conocen como las reglas de Chargaff, afirmando que en el ADN de cualquier especie de cualquier organismo, la cantidad de guanina debe ser igual a la de citosina y la cantidad de adenina debe ser igual a la de timina. A fines de 1951, Francis Crick comenzó a trabajar con James Watson en el Laboratorio Cavendish de la Universidad de Cambridge. El papel del ADN en la herencia se confirmó en 1952 cuando Alfred Hershey y Martha Chase en el experimento de Hershey-Chase demostraron que el ADN es el material genético de la enterobacteria fago T2.

En mayo de 1952, Raymond Gosling, un estudiante de posgrado que trabajaba bajo la supervisión de Rosalind Franklin, tomó una imagen de difracción de rayos X, etiquetada como "Foto 51", con altos niveles de hidratación del ADN. Esta foto fue entregada a Watson y Crick por Maurice Wilkins y fue fundamental para obtener la estructura correcta del ADN. Franklin les dijo a Crick y Watson que la columna vertebral tenía que estar en el exterior. Antes de eso, Linus Pauling, Watson y Crick tenían modelos erróneos con las cadenas adentro y las bases apuntando hacia afuera. La identificación de Franklin del grupo espacial de los cristales de ADN le reveló a Crick que las dos hebras de ADN eran antiparalelas. En febrero de 1953, Linus Pauling y Robert Corey propusieron un modelo para los ácidos nucleicos que contenían tres cadenas entrelazadas, con los fosfatos cerca del eje y las bases en el exterior. Watson y Crick completaron su modelo, que ahora se acepta como el primer modelo correcto de la doble hélice del ADN. El 28 de febrero de 1953, Crick interrumpió a los patrocinadores. a la hora del almuerzo en el pub The Eagle en Cambridge para anunciar que él y Watson habían "descubierto el secreto de la vida".

El número del 25 de abril de 1953 de la revista Nature publicó una serie de cinco artículos que proporcionaban la estructura de doble hélice del ADN de Watson y Crick y pruebas que la apoyaban. La estructura se informó en una carta titulada "ESTRUCTURA MOLECULAR DE ÁCIDOS NUCLEICOS Una estructura para el ácido nucleico desoxirribosa", en el que decían: "No se nos ha escapado que el emparejamiento específico que hemos postulado sugiere inmediatamente un posible mecanismo de copia del material genético". Esta carta fue seguida por una carta de Franklin y Gosling, que fue la primera publicación de sus propios datos de difracción de rayos X y de su método de análisis original. Luego siguió una carta de Wilkins y dos de sus colegas, que contenía un análisis de patrones de rayos X de B-DNA in vivo, y que apoyaba la presencia in vivo del Estructura de Watson y Crick.

En 1962, después de la muerte de Franklin, Watson, Crick y Wilkins recibieron conjuntamente el Premio Nobel de Fisiología o Medicina. Los premios Nobel se otorgan solo a los destinatarios vivos. Continúa el debate sobre quién debería recibir crédito por el descubrimiento.

En una influyente presentación en 1957, Crick expuso el dogma central de la biología molecular, que predijo la relación entre el ADN, el ARN y las proteínas, y articuló la "hipótesis del adaptador". Confirmación final del mecanismo de replicación que implicaba la estructura de doble hélice seguida en 1958 a través del experimento de Meselson-Stahl. El trabajo adicional de Crick y sus compañeros de trabajo mostró que el código genético se basaba en tripletes de bases no superpuestas, llamados codones, lo que permitió a Har Gobind Khorana, Robert W. Holley y Marshall Warren Nirenberg descifrar el código genético. Estos hallazgos representan el nacimiento de la biología molecular.