CAPÍTULO 17: Ácidos nucleicos

Sinopsis

LOS ÁCIDOS NUCLEICOS DNA Y RNA SON POLINUCLEÓTIDOS QUE CODIFICAN LA INFORMACIÓN GENÉTICA UTILIZADA PARA CONSTRUIR Y MANTENER A LOS organismos vivos. El DNA bicatenario es, en efecto, el plano usado para dirigir los procesos celulares. Las células convierten las instrucciones operativas del DNA en la secuencia de nucleótidos de las moléculas de RNA monocatenario. Las moléculas de RNA tienen múltiples funciones que incluyen síntesis de polipéptidos, regulación de la expresión genética (control de si se sintetiza un polipéptido específico y cuándo sucede) y protección contra los ácidos nucleicos introducidos en las infecciones virales. Las investigaciones sobre la estructura y función de los ácidos nucleicos, iniciadas hace más de 60 años, han proporcionado una comprensión antes inimaginable de los procesos biológicos y una herramienta poderosa que se utiliza en campos tan diversos como el diagnóstico de enfermedades, tratamiento e investigación forense.

Durante incontables siglos, los seres humanos han observado los patrones de herencia sin entender los mecanismos que transmiten de los padres a la progenie los rasgos físicos y los procesos del desarrollo. Muchas culturas han utilizado estas observaciones para mejorar sus condiciones económicas, como en la crianza de los animales domésticos o en los cultivos. La investigación científica de la herencia, que en la actualidad se denomina genética, inició hasta el siglo xix. Al comienzo del siglo xx, los científicos empezaron a admitir de forma generalizada que los rasgos físicos se heredan en unidades discretas (que después se denominaron genes) y que los cromosomas del interior del núcleo son los depositarios de la información genética. Al final, se elucidó la composición química de los cromosomas y (tras muchas décadas de investigación) se identificó el ácido desoxirribonucleico (DNA) como el portador de la información genética. En los decenios que siguieron al descubrimiento de la estructura del DNA por James Watson y Francis Crick en 1953 (fig. 17.1), emergió una nueva ciencia. (Véase el ensayo en línea Biochemistry in Perspective: “A Short History of DNA Research: The Early Years for a brief overview of the work of other scientists that led to the discovery of DNA structure”, realizado por Watson y Crick.) La biología molecular se dedica a la investigación de la estructura de los genes y al procesamiento de la información genética. Utilizando las tecnologías desarrolladas por biólogos moleculares y bioquímicos, los investigadores de las ciencias de la vida han estudiado los procesos por los cuales los seres vivos organizan y procesan la información genética. Este trabajo ha revelado los siguientes principios.

1. El DNA dirige el funcionamiento de las células y se transmite a la progenie. Consiste en dos cadenas polinucleotídicas que forman una doble hélice (fig. 17.2). La información contenida en el DNA está codificada en la forma de la secuencia de bases púricas y pirimídicas (fig. 14.22). Un gen es una secuencia de DNA que contiene la información (en una secuencia de bases) necesaria para codificar un producto génico (un polipéptido o varios tipos de moléculas de RNA) y secuencias reguladoras que controlan la generación del producto. A la secuencia completa de bases de DNA de un organismo se le conoce como genoma. La síntesis de DNA, conocida como replicación, implica el emparejamiento complementario de bases de purina y pirimidina entre la antigua cadena original y la nueva cadena que se sintetiza. El funcionamiento fisiológico y genético del DNA requiere la síntesis de copias libres de errores. En consecuencia, la mayoría de los organismos emplean varios mecanismos de reparación del DNA.

2. El mecanismo por el cual se descodifica la información genética y se utiliza para dirigir los procesos celulares comienza con la síntesis de otra clase de ácido nucleico, el ácido ribonucleico (RNA). La síntesis de RNA, llamada transcripción (fig. 17.3a), implica el emparejamiento complementario de las bases de los ribonucleótidos con las bases de una molécula de DNA. Cada molécula de RNA recién sintetizada es un transcrito. El término transcriptoma designa el conjunto completo de moléculas de RNA que se transcribe a partir del genoma de una célula.

3. Varios tipos de RNA participan de manera directa en la síntesis de las enzimas y se requieren otras proteínas para la producción regulada de todas las demás biomoléculas necesarias en la función del organismo. La secuencia de bases de cada RNA mensajero (mRNA) especifica la secuencia primaria de un polipéptido particular. Las moléculas de RNA ribosómico (rRNA) son componentes de los ribosomas. Cada molécula de RNA de transferencia (tRNA) está unida en modo covalente a un aminoácido específico y lo entrega al ribosoma para su incorporación en una cadena polipeptídica. La síntesis proteínica, llamada traducción (fig. 17.3b), ocurre dentro de los ribosomas, las máquinas moleculares de ribonucleoproteínas que traducen las secuencias de bases de los mRNA en las secuencias de aminoácidos de los polipéptidos. El conjunto completo de proteínas sintetizadas por una célula recibe el nombre de proteoma.

4. La expresión génica es el conjunto de mecanismos por los cuales las células controlan en términos temporales la síntesis de productos génicos en respuesta a señales ambientales o del desarrollo. Un vasto grupo de proteínas, llamadas factores de transcripción, y de moléculas de RNA, llamadas moléculas de RNA no codificador (ncRNA), regulan la expresión génica cuando se unen a secuencias de DNA específicas. El término metaboloma se refiere a la suma total de todas las moléculas de metabolitos de bajo peso molecular producidas por una célula como resultado de su patrón de expresión génica.

El flujo de información genética puede resumirse en la siguiente secuencia, llamada dogma central:

Este diagrama ilustra que la información genética codificada en las secuencias de bases de DNA fluye del DNA, una molécula que se replica durante la división celular (como lo indica la flecha circular), al RNA, que especifica la estructura primaria de las proteínas. Como se concibió en un principio, el dogma central afirmaba que la información genética fluía en una sola dirección: del DNA al RNA y a las proteínas. Sin embargo, hace algunos años se descubrió una importante excepción al dogma central. Algunos de los virus que poseen genomas de RNA también tienen una actividad enzimática que se denomina transcriptasa inversa. Una vez que uno de estos virus ha infectado una célula hospedadora, la transcriptasa inversa copia el RNA viral para formar una copia de DNA. El DNA viral se inserta entonces en un cromosoma del hospedador. Uno de estos virus es el VIH, descrito en el ensayo de Bioquímica en perspectiva “Infección por VIH”.

Este capítulo se centra en la estructura de los ácidos nucleicos. Comienza con una descripción de la estructura del DNA y las investigaciones que condujeron a su descubrimiento. Luego se presenta una revisión del conocimiento actual de la estructura del genoma y de los cromosomas, así como la estructura y las funciones de las diversas formas de RNA. El capítulo termina con una descripción de los virus, complejos macromoleculares formados por ácido nucleico y proteínas que son parásitos celulares. En el capítulo 18 se describen varios aspectos de la síntesis y función de los ácidos nucleicos (es decir, replicación y transcripción del DNA). La síntesis de proteínas (traducción) se describe en el capítulo 19.

El DNA está formado por dos cadenas polinucleotídicas enrolladas una alrededor de la otra para formar una doble hélice dextrógira (fig. 17.2). La estructura del DNA es tan característica que con frecuencia a esta molécula se le denomina la doble hélice. Como se ha descrito (en las secciones 1.3 y 14.3), cada monómero nucleotídico del DNA está formado por una base nitrogenada (púrica o pirimídica), un azúcar desoxiribosa y fosfato. Los mononucleótidos están unidos mediante enlaces 3′,5′-fosfodiéster. Estos enlaces unen el grupo hidroxilo 5′ de la desoxirribosa de un nucleótido con el grupo hidroxilo 3′ del azúcar de otro nucleótido mediante un grupo fosfato (fig. 17.4). La orientación antiparalela de las dos cadenas polinucleotídicas permite que se formen enlaces de hidrógeno entre las bases nitrogenadas que están orientadas hacia el interior de la hélice (fig. 17.5). Existen dos clases de pares de bases (bp) en el DNA: (1) la adenina (una purina) se empareja con la timina (una pirimidina) (par AT) y (2) la purina guanina se empareja con la pirimidina citosina (par GC). Debido a que cada par de bases es perpendicular al eje largo de la hélice, la estructura global del DNA se parece a una escalera en espiral. Ya se midieron las dimensiones promedio del DNA B cristalino.

1. Una vuelta de la doble hélice abarca 3.32 nm y está formada por cerca de 10.3 pares de bases. (Los cambios de pH y de concentración salina afectan ligeramente estos valores.)

2. El diámetro de la doble hélice es de 2.37 nm. Observe que el espacio interior de la doble hélice sólo es adecuado para el emparejamiento de una purina y una pirimidina. El emparejamiento de dos pirimidinas crearía un hueco, y dos purinas no encajarían en el espacio interior de la doble hélice. Las dimensiones relativas de ambos tipos de pares de bases se ilustran en la figura 17.6.

Debido a que se adapta a su función de almacenamiento genético en los procesos vitales, el DNA es una molécula relativamente estable. Varios tipos de interacciones no covalentes contribuyen con la estabilidad de su estructura helicoidal:

1. Interacciones hidrófobas. La nube de electrones del anillo de la base π entre las bases púricas y pirimídicas apiladas es relativamente apolar. El agrupamiento de los componentes de las bases de los nucleótidos dentro de la doble hélice es un factor estabilizador en la macromolécula tridimensional porque disminuye sus interacciones con el agua, aumentando de esta forma la entropía global.

2. Enlaces de hidrógeno. Los pares de bases tan próximos forman un conjunto preferido de enlaces de hidrógeno, tres entre los pares GC y dos entre los pares AT. El efecto de “cremallera” acumulativo de estos enlaces de hidrógeno mantiene las cadenas en la orientación complementaria correcta.

3. Apilamiento de bases. Una vez que las cadenas antiparalelas de polinucleótidos se unieron mediante el emparejamiento de bases, el apilamiento de las bases heterocíclicas casi planas estabiliza la molécula por el efecto acumulativo de las débiles fuerzas de van der Waals generadas por los cambios en la nube π conforme las bases se apilan.

4. Hidratación. Como en el caso de las proteínas, el agua estabiliza la estructura tridimensional de los ácidos nucleicos. Las moléculas de DNA se unen a una cantidad significativa de moléculas de H₂O. El contenido de agua del DNA B, la conformación que se ilustra en la figura 17.2, es de ~30% en peso. Las moléculas de H₂O se unen a los grupos fosfato, a átomos de oxígeno de los carbonos 3′ y 5′ de la ribosa y a átomos electronegativos presentes en las bases nucleotídicas. Cuando se mide en condiciones de laboratorio, cada nucleótido de DNA B se enlaza a unas 18 o 19 moléculas de agua. Cada fosfato puede unirse a un máximo de seis moléculas de agua.

5. Interacciones electrostáticas. La superficie externa del DNA, que se denomina esqueleto azúcar-fosfato, posee grupos fosfato con carga negativa. La repulsión entre los grupos fosfato adyacentes, una fuerza potencialmente desestabilizadora, se disminuye por los efectos protectores del agua sobre cationes divalentes como el Mg²⁺ y moléculas policatiónicas como las poliaminas y las histonas.

Estructura del DNA: naturaleza de las mutaciones

Aunque la estructura del DNA lo hace ideal para almacenar información, no es una molécula estática. El DNA es vulnerable a varios tipos de fuerzas perturbadoras que pueden causar mutaciones, cambios permanentes en la secuencia de la base estructural. Las mutaciones varían desde pequeñas alteraciones (p. ej., cambios en una sola base) hasta alteraciones cromosómicas a gran escala. Aunque la mayoría de las mutaciones es nociva o neutral (sin efecto discernible en la adecuación de un organismo), en raras ocasiones una mutación puede mejorar la adaptación de un organismo a su ambiente. En otras palabras, la mutación es la materia prima de la evolución. También debe señalarse que las tasas de mutación en la mayoría de los organismos (frecuencia de mutación por división celular o generación) casi siempre son bajas debido a dos factores: la exactitud del proceso de replicación del DNA y la eficiencia de la reparación del DNA.

TIPOS DE MUTACIÓN Las mutaciones más frecuentes incluyen cambios en una sola base, inserciones, deleciones, duplicaciones, reacomodos del genoma. Como su nombre implica, el cambio en una sola base es la modificación en la identidad de una sola base en una cadena de DNA. También se conocen como mutaciones puntuales, pueden ocasionar cambios en una sola base nitrogenada, y si el daño no se repara, pueden causar mutaciones por transición o transversión. En las mutaciones por transición (fig. 17.7), causadas por reacciones de desaminación o tautomerización, una pirimidina se sustituye por otra pirimidina o una purina se sustituye por otra purina. Las mutaciones por transversión, generadas por agentes alquilantes o radiación ionizante, se producen cuando una pirimidina se sustituye con una purina o viceversa. Las mutaciones puntuales que ocurren en una población en cualquier medida se conocen como polimorfismos de nucleótido individual (SNP, single nucleotide polymorphisms). Dichas mutaciones también pueden producirse por inserciones o deleciones de un solo par de bases. Las mutaciones puntuales en las secuencias de DNA que codifican productos génicos (p. ej., polipéptidos), se clasifican como silentes, finalizadora o mutación de aminoácido, según su impacto en la estructura o función del producto génico. En las mutaciones silentes, un cambio de base no tiene un efecto discernible (p. ej., codifican el mismo aminoácido o uno distinto en un polipéptido que no produce una diferencia funcional), mientras que en una mutación de aminoácido existe un efecto observable (p. ej., codificación de un aminoácido distinto que produce un cambio en la estructura y función del polipéptido). En una mutación finalizadora, una mutación puntual convierte el código para un aminoácido en una señal de paro prematuro. El polipéptido de la secuencia transcrita que contiene la mutación finalizadora queda incompleto y probablemente no funcional.

Las inserciones y deleciones, denominadas indels, son mutaciones que ocurren cuando se introducen o eliminan desde una hasta miles de bases de una secuencia de DNA. Si las bases se insertan o eliminan en una secuencia que codifica un polipéptido no son divisibles entre tres (la longitud de la secuencia codificador de cada aminoácido), puede haber una mutación por desplazamiento del marco de lectura que ocasiona un polipéptido truncado o alterado. Las indels son resultado del cruzamiento desigual de los cromosomas homólogos mal alineados durante la meiosis o del emparejamiento deslizado anormal de la cadena, un error que se produce durante la replicación del DNA en el que hay desplazamiento y emparejamiento alterados de las cadenas de DNA.

Los reordenamientos del genoma como las inversiones, translocaciones y duplicaciones, pueden alterar la estructura o regulación génica. Pueden ser resultado de roturas en el DNA bicatenario causadas por diversas circunstancias, incluidos errores en la meiosis y exposición a mutágenos o radiación. Una inversión se produce cuando un fragmento de DNA eliminado se reinserta en su posición original, pero con la orientación contraria. La translocación es una anomalía cromosómica observada en los organismos eucariotas en la que un fragmento de DNA de un cromosoma se inserta en una posición distinta en el mismo cromosoma o en uno distinto (no homóloga). La duplicación génica es la creación de genes o partes de genes duplicados. Puede ser resultado del cruzamiento desigual durante la meiosis o de la retrotransposición, un proceso en el que elementos genéticos llamados retrotransposones se insertan en la secuencia de DNA. En casos raros, la duplicación génica es un rasgo importante en la evolución porque los duplicados pueden adquirir funciones distintas como resultado de la mutación a lo largo de periodos prolongados.

CAUSAS DE DAÑO AL DNA El daño al DNA puede ser resultado de fuerzas perturbadoras endógenas o exógenas. Las causas endógenas de las mutaciones incluyen fenómenos espontáneos como las variaciones tautoméricas, despurinación, desaminación y daño oxidativo causado por ROS. Los factores exógenos, como la radiación y la exposición a xenobióticos, también son mutágenos.

Las variaciones tautoméricas (fig. 14.23) son cambios espontáneos en la estructura de la base del nucleótido que causan cambios en la configuración amino a imino y ceto a enol. Por lo general, las variaciones tautoméricas tienen poco efecto en la estructura tridimensional general del DNA. Sin embargo, si se forman los tautómeros durante la replicación del DNA, pueden producirse emparejamientos de base erróneos. Por ejemplo, la forma imino de la adenina no se aparea con la timina, sino con la citosina (fig. 17.7). Si no se corrige de inmediato este emparejamiento, se produce una mutación por transición debido a que durante el proceso de replicación se ha incorporado una citosina en una posición que le corresponde a la timina.

Varias reacciones hidrolíticas espontáneas también dañan al DNA. Por ejemplo, se ha calculado que todos los días se pierden varios miles de bases púricas del DNA de cada célula humana. En las reacciones de despurinación se rompe el enlace N-glucosilo entre una base púrica y la desoxirribosa. La protonación del N-3 y del N-7 de la guanina estimula la hidrólisis. Se produce una mutación puntual si los mecanismos de reparación no replican el nucleótido de purina. De forma semejante, las bases pueden desaminarse de forma espontánea. Por ejemplo, el producto desaminado de la citosina se convierte en uracilo mediante un cambio tautomérico. Finalmente, lo que debería ser un par de bases CG se convierte en un par de bases AT. (El uracilo tiene una estructura semejante a la de la timina.)

Algunos tipos de radiaciones ionizantes (p. ej., los rayos UV, los X y los γ) pueden alterar la estructura del DNA. Los niveles bajos de radiación pueden producir mutaciones; los niveles elevados pueden ser letales. El daño inducido por radiación generado por un mecanismo de radical libre (ya sea abstracción de átomos de hidrógeno o la creación de •OH y otros ROS) incluye roturas en la cadena, formación de enlaces entre DNA y proteína (p. ej., por enlaces timina-tirosina), aberturas de anillo y modificaciones de base. El radical hidroxilo, que se forma por la radiólisis del agua, así como el estrés oxidativo dan lugar a roturas de las cadenas y a numerosas modificaciones de las bases (p. ej., timina glicol, 5-hidroximetiluracilo y 8-hidroxiguanina).

La concentración de 8-hidroxidesoxiguanosina (8-OHdG) en la orina se usa para medir la producción corporal de ROS. Por ejemplo, el tabaquismo causa un incremento en la excreción de 8-OHdG hasta de 50%.

Los productos inducidos más a menudo por radiación UV, generados por absorción de energía en enlaces dobles, son los dímeros de timina (fig. 17.8). La distorsión de la hélice causada por la formación del dímero detiene los mecanismos de replicación del DNA.

Son muchos los xenobióticos que pueden dañar al DNA. Las más importantes de estas moléculas son análogos de bases, agentes alquilantes, agentes no alquilantes y compuestos intercalantes. La estructura de los análogos de bases son similares a las bases nucleotídicas normales en que pueden incorporarse al DNA. Por ejemplo, el 5-bromouracilo (5-BU) es un análogo de la base timina. Como el tautómero enol de 5-BU forma un par de bases con guanina, un par AT puede convertirse en un par GC en la siguiente ronda de replicación.

Los agentes alquilantes son electrófilos que atacan moléculas que tienen un par de electrones no compartidos, lo que agrega grupos alquilo. La adenina y la guanina son muy susceptibles a la alquilación, aunque la timina y la citosina pueden también ser afectadas. Las bases alquiladas con frecuencia se emparejan de forma incorrecta (p. ej., la metilguanina se empareja con la timina en lugar de con la citosina) lo que conduce a posibles mutaciones por transición en las siguientes rondas de replicación. En el caso de la metilguanina, el par GC se transforma en el par AT. Las mutaciones por transversión también pueden tener lugar cuando el grupo alquilante es voluminoso. El hidrocarburo aromático policíclico benzo[a]pireno, que se encuentra en el humo del cigarrillo, causa mutaciones por transversión porque se convierte en un derivado epóxido muy reactivo mediante varias reacciones de biotransformación, incluidas algunas catalizadas por el citocromo P₄₅₀. (Un epóxido es un éter cíclico con tres átomos en anillo.) El benzo[a]pireno epóxido forma luego un aducto de guanina, lo que distorsiona la estructura del DNA y esto genera transversiones de G a T, además de alterar la replicación del DNA. Las alquilaciones también pueden promover la formación de un tautómero, que puede dar lugar a mutaciones de transición. Entre los agentes alquilantes se encuentran el dimetilsulfato y la dimetilnitrosamina.

Diversos agentes no alquilantes pueden modificar la estructura del DNA. El ácido nitroso (HNO₂), que procede de las nitrosaminas y del nitrito sódico (NaNO₂), desamina las bases. (Tanto las nitrosaminas como el NaNO₂ se encuentran en carnes procesadas y en cualquier embutido preservado con sal de encurtir hecho con nitrito.) El HNO₂ desamina por oxidación a la adenina, guanina y citosina hasta hipoxantina, xantina y uracilo, respectivamente. Ciertas moléculas aromáticas policíclicas planas se denominan agentes intercalantes porque pueden distorsionar el DNA al insertarse (intercalarse) entre los pares de bases apiladas de la doble hélice. La distorsión consecuente en la estructura local del DNA puede alterar la replicación de éste. Según la magnitud de la exposición, los agentes intercalares causan daño que va desde deleciones o inserciones hasta la muerte celular. La doxorrubicina y el bromuro de etidio son ejemplos de agentes intercalantes. El fármaco quimioterapéutico doxorrubicina inhibe la replicación del DNA de las células cancerosas que se replican con rapidez. El bromuro de etidio es una molécula fluorescente que se usa como marca de ácido nucleico en diversas técnicas de laboratorio de biología molecular.

Las mutaciones causadas por errores en los mecanismos de replicación del DNA y por transposición (el movimiento de las secuencias de DNA dentro de un genoma) se describen en el capítulo 18.

Estructura del DNA: material genético

En las primeras décadas del siglo xx, los biólogos creían que de los dos componentes de los cromosomas (DNA y proteínas), la molécula que permitía la transmisión de los rasgos heredables de una generación a otra era, casi seguro, la proteína. Sin embargo, el trabajo de varios científicos al final condujo a otra conclusión.

Mientras que los genetistas se centraban en la investigación de los mecanismos de la herencia y los químicos elucidaban las estructuras de los componentes de los ácidos nucleicos, los microbiólogos ponían a punto métodos para estudiar los cultivos bacterianos. En 1928, mientras investigaba una epidemia letal de neumonía en Gran Bretaña, Fred Griffith realizó una serie notable de experimentos con dos cepas de neumococos (fig. 17.9). Una cepa bacteriana, que se denominaba la forma lisa (o de tipo S) porque estaba recubierta con una cápsula de polisacáridos, es patógena. La forma rugosa (o de tipo R) carece de la cápsula y no es patógena. Griffith observó que los ratones inoculados con una mezcla de las bacterias R vivas y las S destruidas por el calor, morían. Quedó asombrado cuando aisló las bacterias S vivas de los ratones muertos. Aunque esta transformación de las bacterias R en bacterias S se confirmó en otros laboratorios, el descubrimiento de Griffith se recibió con un escepticismo considerable. (El concepto de transmisión de la información genética entre las células bacterianas no se aceptó hasta la década de 1950.)

En 1944, Oswald Avery y sus colegas Colin MacLeod y Maclyn McCarty comunicaron su cuidadoso aislamiento y la identificación del DNA como el agente transformador de los experimentos de Griffith. No todo el mundo aceptó esta conclusión debido a que su muestra de DNA tenía trazas de impurezas proteínicas. Avery y McCarty demostraron después que la digestión del DNA por parte de la desoxirribonucleasa (DNasa) inactivaba al agente transformador. (Al final, se determinó que el DNA que transforma los neumococos R en la forma S codifica una enzima necesaria para sintetizar la cápsula gelatinosa de polisacárido. Esta cápsula protege a las bacterias del sistema inmunitario del animal y aumenta la adherencia y colonización de los tejidos del hospedador.)

Otro experimento que confirmó que el DNA es el material genético lo realizaron Alfred Hershey y Martha Chase en 1952 (fig. 17.10). Utilizando el bacteriófago T2, estos investigadores demostraron las funciones independientes del ácido nucleico y de las proteínas del virus. (Los bacteriófagos, que también se denominan fagos, son un tipo de virus que infectan a las bacterias.) Cuando el fago T2 infecta una célula de Escherichia coli, obliga a la bacteria a sintetizar varios cientos de virus nuevos. A los 30 min de la infección la célula muere al romperse, liberando la progenie viral. En la primera fase de su experimento, Hershey y Chase incubaron bacterias infectadas con el fago T2 en un medio de cultivo que contenía ³⁵S (para marcar la proteína) y ³²P (para marcar el DNA). En la segunda fase, se recogía el virus marcado radiactivamente y se le permitía que infectara bacterias sin marcar. Justo después, el cultivo de bacterias infectadas se sometía a fuerzas de cizallamiento en una trituradora. Este tratamiento eliminaba al fago de sus sitios de unión en la superficie externa de la pared de la célula bacteriana. Tras la separación de las partículas virales vacías mediante centrifugación, se analizaba la radiactividad de las bacterias. Se encontró que las células contenían ³²P (confirmando así la función del DNA en la “transformación” de las bacterias en productoras de virus), mientras que la mayoría del ³⁵S permanecía en el sobrenadante. Además, las muestras de las bacterias infectadas marcadas producían algo de progenie viral marcada con ³²P.

A principios de la década de 1950, estaba claro que el DNA era el material genético. Debido a que los investigadores también reconocían que la información genética era esencial para todos los procesos vitales, determinar la estructura del DNA se convirtió en una prioridad obvia. Linus Pauling (del California Institute of Technology), Maurice Wilkins y Rosalind Franklin (del King’s College, de Londres), y Watson y Crick (Cambridge University) se pusieron todos a trabajar con este objetivo. La estructura propuesta por Watson y Crick en el número del 25 de abril de 1953 de la revista Nature se basaba en su modelo a escala.

Considerando la forma en la que la comunidad científica respondió a otros conceptos que señalaban al DNA como el material genético, la aceptación de la estructura de Watson y Crick fue particularmente rápida. En 1962, se concedió el Premio Nobel de Química a Watson, Crick y Wilkins.

La información que se utilizó para construir este modelo fue la siguiente:

1. Las estructuras químicas y las dimensiones moleculares de la desoxirribosa, de las bases nitrogenadas y del fosfato.

2. Las proporciones 1:1 de adenina:timina y guanina:citosina del DNA aislado de una gran variedad de especies que había investigado Erwin Chargaff entre 1948 y 1952. (Estas proporciones 1:1 se suelen denominar reglas de Chargaff.)

3. Los magníficos estudios de difracción de rayos X realizados por Rosalind Franklin (fig. 17.11) que indicaron que el DNA era una molécula simétrica y probablemente una hélice.

4. El diámetro y el paso de la hélice calculados por Wilkins y su colega Alex Stokes a partir de otros estudios de difracción de rayos X.

5. La demostración más reciente hecha por Linus Pauling de que podían encontrarse proteínas, otra clase de moléculas complejas, en una conformación helicoidal.

Estructura del DNA: variaciones sobre un tema

La estructura descubierta por Watson y Crick, que se denomina DNA B, representa la sal sódica del DNA en condiciones de humedad elevada. El DNA puede asumir diferentes conformaciones debido a que la desoxirribosa es flexible y a que los enlaces glucosídicos C¹-N giran. (Recuerde que los anillos de furanosa tienen una conformación plegada.)

Cuando el DNA se deshidrata parcialmente —esto es, cuando el número de moléculas de agua unidas a cada nucleótido disminuye a unas 13 o 14—, la molécula asume la forma A (fig. 17.12 y cuadro 17.1). En el DNA A, los pares de bases no se encuentran formando ángulos rectos con el eje de la hélice, sino que se inclinan 20° alejándose de la horizontal. Además, la distancia entre los pares de bases adyacentes se reduce ligeramente, por lo que se encuentran 11 bp por vuelta de la hélice, en lugar de los 10.5 bp que se observan en la forma B. Cada vuelta de la doble hélice se produce en 2.46 nm, en lugar de en 3.32 nm, y el diámetro de la molécula se expande a cerca de 2.55 nm, a diferencia de los 2.37 nm que se observan en el DNA B. La forma A del DNA se observa cuando éste se extrae con solventes como el etanol. La importancia del DNA A en las condiciones celulares radica en que la estructura de los dúplex de RNA y los dúplex de RNA/DNA que se forman durante la transcripción se asemejan a la estructura del DNA A.

La forma Z del DNA (que se llama así por su conformación en “zigzag”) se diferencia en gran medida de la forma B. El DNA Z (D = 1.84 nm), que es considerablemente más angosto que el DNA B (D = 2.37 nm), está enrollado en una espiral levógira que tiene 12 bp por vuelta. Cada vuelta del DNA Z se produce en 4.56 nm, en comparación con los 3.32 nm del DNA B. Los segmentos de DNA con bases púricas y pirimídicas alternas (en especial CGCGCG) son los que con mayor probabilidad adoptan la configuración Z. En el DNA Z, las bases se apilan con un patrón dimérico levógiro y escalonado, lo cual le proporciona al DNA la apariencia de zigzag y su superficie plana sin surcos. Las regiones del DNA con abundantes repeticiones de las bases CG a menudo son reguladoras, y se unen a proteínas específicas que inician o que bloquean la transcripción. Aunque no es clara la importancia fisiológica del DNA Z, se sabe que determinados procesos relevantes como la metilación y el superenrollamiento negativo estabilizan la forma Z. Además, se ha observado que se forman segmentos cortos como consecuencia de la tensión de torsión durante la transcripción.

Se ha observado que determinados segmentos del DNA tienen estructuras de orden superior, entre las que se encuentran las estructuras cruciformes, que como su nombre lo indica se asemejan a una cruz. Es probable que se formen cuando una secuencia de DNA contiene un palíndromo, una secuencia que proporciona la misma información cuando se lee hacia adelante o hacia atrás (p. ej., “DÁBALE ARROZ A LA ZORRA EL ABAD”). En comparación con los palíndromos del lenguaje, las “letras” se leen en un sentido en una de las cadenas complementarias del DNA y en el sentido opuesto en la otra cadena. La mitad del palíndromo en cada cadena es complementaria con la otra mitad. Las secuencias de DNA que forman palíndromos, que pueden constar de algunas o de miles de bases, se denominan repeticiones invertidas. La formación de las disposiciones cruciformes comienza con una pequeña burbuja, o estructura protocruciforme, y continúa a medida que se generan emparejamientos intracatenarios de bases.

El empaquetamiento de las grandes moléculas de DNA para colocarlas dentro de las células requiere un superenrollamiento. Para que éste se produzca, una sola cadena del dúplex de DNA debe mellarse y luego sobregirarse o relajarse antes de que el hueco se vuelva a tapar. (Una “mella” es un corte en una sola cadena del DNA de doble hélice.) Los cambios pequeños de la forma del DNA dependen de la secuencia. Por ejemplo, cuatro pares AT secuenciales producen una curvatura en la molécula. Sin embargo, el doblamiento o el enrollamiento significativos alrededor de proteínas asociadas requieren un superenrollamiento.

Superenrollamiento del DNA

El superenrollamiento del DNA facilita diversos procesos biológicos. Entre los ejemplos se encuentran el empaquetamiento compacto, la replicación y la transcripción del DNA (cap. 18). Debido a que el superenrollamiento del DNA es un proceso dinámico tridimensional, la información que proporcionan las ilustraciones bidimensionales es limitada. Por lo tanto, considérese el siguiente experimento para entender el superenrollamiento. Se deposita una larga molécula lineal de DNA sobre una superficie plana. Tras juntarse los extremos, éstos se sellan para formar un círculo desplegado (fig. 17.13a). Debido a que esta molécula está sellada sin regiones laxas o sobregiradas, se dice que la hélice está relajada y permanece plana sobre una superficie. Si la molécula circular de DNA relajada se sujeta y se enrolla unas pocas veces, adopta la forma que se muestra en la figura 17.13b. Cuando esta molécula torcida se regresa a la superficie rasa y se dispone en un plano, rota de manera espontánea para eliminar el giro.

Cuando una molécula de DNA lineal está desenrollada (es decir, la hélice de DNA con giro a la derecha se tuerce hacia la izquierda) y luego se sella, la molécula circular se tuerce a la derecha para liberar la tensión, y el resultado es el superenrollamiento negativo. El DNA con superenrollamiento negativo (la mayoría de las moléculas de DNA naturales) puede adquirir dos formas convertibles entre sí: una superhélice toroide o una superhélice plectonémica (entrelazada) (fig. 17.14). Una molécula de DNA superenrollada en sentido negativo almacena energía potencial en forma de torque (fuerza que causa rotación). A su vez, la energía almacenada facilita la separación de las cadenas durante procesos como la replicación y la transcripción del DNA (fig. 17.15). Una molécula de DNA demasiado enrollada (es decir, torcida hacia la derecha antes de sellarse para formar un círculo) se tuerce a la izquierda para aliviar la tensión y adquiere superenrollamiento positivo. Los superenrollamientos que se forman durante la separación de las cadenas en la replicación del DNA interfieren con la actividad de la maquinaria de replicación. Se eliminan mediante enzimas llamadas topoisomerasas (p. ej., DNA girasa en E. coli), hacen cortes reversibles que permiten que los segmentos de DNA superenrollados se relajen.

El DNA puede compararse con un cordón telefónico enrollado (fig. 17.16). Con el uso intensivo de un cordón telefónico espiral que conecta el teléfono con el auricular, se tuerce y se producen superenrollamientos. El cordón enrollado sólo puede mantenerse plano si se rota para deshacer los enrollamientos. Se puede desenrollar y superenrollar si dos personas sujetan cada extremo de un cordón telefónico conectado. Un extremo se mantiene fijo, mientras el segundo se gira. Si la torsión ocurre en la misma dirección que la espiral del cordón (es decir, una espiral derecha se tuerce a la derecha), la espiral se exagera (superenrollamiento positivo). La torsión en la dirección contraria (es decir, una espiral derecha se tuerce a la izquierda) produce desenrollamiento (superenrollamiento negativo).

Cromosomas y cromatina

El DNA está empaquetado en estructuras que se denominan cromosomas. Al principio el término cromosoma sólo se refería a las estructuras densas que se teñían de tono oscuro, observables en el interior de las células eucariotas durante la meiosis o la mitosis. Sin embargo, este término se utiliza también en la actualidad para describir a las moléculas de DNA de las células procariotas. La estructura física y la organización genética de los cromosomas procariotas y eucariotas son muy diferentes.

PROCARIOTAS En los procariotas, como E. coli, un cromosoma es una molécula de DNA circular que está enlazada y enrollada de forma que puede comprimirse en un espacio relativamente pequeño (1 × 2 μm). No obstante, debe accederse de forma fácil a la información de esta molécula muy condensada. El cromosoma de E. coli (que tiene una circunferencia de 1.6 μm) consta de un DNA superenrollado que forma un complejo con un núcleo proteínico (fig. 17.17).

En esta estructura, que se denomina nucleoide, el cromosoma está unido al núcleo proteínico en al menos 40 sitios. Esta característica estructural produce una serie de lazos que limitan el desenrollamiento del DNA superenrollado si se introduce una rotura en la cadena. La compresión se refuerza aún más mediante el empaquetamiento con proteínas estructurales que se unen al DNA bacteriano y facilitan el doblamiento y el superenrollamiento. En las archaea, el DNA se empaqueta con histonas cuya estructura es similar a la propia de las histonas eucariotas.

Además, las poliaminas (moléculas policatiónicas como la espermidina y la espermina) ayudan también a conseguir la estructura tan comprimida del cromosoma.

Cuando las poliaminas con carga positiva se unen al esqueleto del DNA cargado negativamente evitan la repulsión de cargas entre las espirales adyacentes de DNA.

EUCARIOTAS En comparación con las procariotas, las eucariotas poseen genomas que son extraordinariamente grandes. Dependiendo de las especies, los cromosomas de las eucariotas varían en longitud y en número. Por ejemplo, el ser humano tiene 23 pares de cromosomas con un total de cerca de 3 000 millones de bp. La mosca de la fruta Drosophila melanogaster tiene cuatro pares de cromosomas con 180 millones de bp, y el maíz (Zea mays) tiene 10 pares de cromosomas con un total de 2.4 millones de bp.

Cada cromosoma eucariota consiste en una sola molécula de DNA lineal unida en un complejo con proteínas histonas, lo que se conoce como cromatina. También se unen a la cromatina varios tipos de proteínas que no son histonas. Los ejemplos incluyen la replicación de DNA y las enzimas reparadoras, así como una gran cantidad de factores de transcripción.

Las histonas son un grupo de pequeñas proteínas básicas que se encuentran en todos los organismos eucariotas, se unen con el DNA y forman nucleosomas, las unidades estructurales de los cromosomas eucariotas. Las histonas, que son de cinco clases principales (H1, H2A, H2B, H3 y H4), tienen estructuras primarias semejantes entre las especies eucariotas. En las micrografías electrónicas, la cromatina tiene aspecto de cuentas. Cada una de estas “cuentas” es un nucleosoma, que está formado por un segmento de DNA superenrollado que forma un rizado toroidal alrededor de un núcleo de ocho histonas (dos copias de cada una de las histonas H2A, H2B, H3 y H4).

Cada una de las histonas centrales altamente conservadas (fig. 17.19a) contiene una característica estructural en común llamada pliegue de histona: tres hélices α separadas por dos segmentos cortos no estructurados. Las colas terminales N de las histonas centrales constan de unos 25 a 40 residuos de aminoácidos que sobresalen de los nucleosomas. Varios tipos de modificaciones covalentes de los residuos de la cola (p. ej., acetilación y metilación) cambian las propiedades estructurales y funcionales de las histonas, que a su vez modifican la accesibilidad del DNA a factores de transcripción. Tales cambios reciben el nombre de modificaciones epigenéticas. El núcleo de histona se forma cuando dos conjuntos de H2A y H2B constituyen dos heterodímeros de cabeza a cola y las histonas H3 y las H4 forman dos juegos de heterodímeros de cabeza a cola. A continuación los heterodímeros H3•H4 se unen para formar un tetrámero H3₂•H4₂ (fig. 17.19b). El ensamblaje del nucleosoma comienza cuando el tetrámero H3₂•H4₂ se une al DNA. Cuando los dos dímeros H2A•H2B se unen al tetrámero, el ensamblaje del nucleosoma está completo (fig. 17.19c). Una molécula de histona H1 se une al nucleosoma en el punto en que el DNA entra y sale, y actúa como una pinza que impide el desenrollamiento del nucleosoma (fig. 17.20). Existen cerca de 145 bp (1.8 giros de hélice) en contacto con cada octámero de histona. Un tramo adicional de 60 bp de DNA de enlace conecta nucleosomas adyacentes.

Como preparativo para la división celular, la cromatina se compacta (unas 10 000 veces) para formar cromosomas. Los nucleosomas se enrollan en una estructura de orden superior que se denomina fibra de 30 nm (fig. 17.21). La fibra de 30 nm se enrolla aún más para formar filamentos de 200 nm. La estructura tridimensional de los filamentos de 200 nm contiene una multitud de lazos superenrollados unidos a un complejo proteínico central que se denomina andamiaje nuclear (fig. 17.22). Durante la interfase del ciclo celular, la cromatina se encuentra en dos formas. La heterocromatina está tan condensada que es inactiva en términos de transcripción. Una pequeña porción de la heterocromatina de cada célula se halla en todas las células de un organismo individual. Otras porciones de heterocromatina, conocidas como heterocromatina facultativa, difieren en un patrón específico de cada tejido. La eucromatina, una forma menos condensada de cromatina, tiene niveles variables de actividad transcripcional. La eucromatina que puede experimentar transcripción es la menos condensada. La inactiva es un tanto más condensada, pero no tanto como la heterocromatina. No se ha dilucidado el mecanismo por el cual la cromatina se condensa de forma reversible, pero se piensa que las modificaciones covalentes de las histonas tienen una participación significativa.

DNA DE LOS ORGANELOS Las mitocondrias y los cloroplastos son organelos semiautónomos, es decir, poseen DNA y su propia versión de la maquinaria de síntesis de proteínas.

Estos organelos, ambos descendientes de procariotas de vida libre que se reproducen por fisión binaria, requieren una contribución sustancial de proteínas y otras moléculas codificadas por el genoma nuclear. Por ejemplo, el DNA mitocondrial (mtDNA) codifica dos rRNA, 22 tRNA y varias proteínas, la mayoría de las cuales se utilizan en el transporte de electrones. El resto de las proteínas mitocondriales se sintetizan en el citoplasma y se transportan al interior de las mitocondrias. De forma semejante, el genoma de los cloroplastos codifica varias clases de RNA y determinadas proteínas, muchas de las cuales están asociadas directamente con la fotosíntesis. Las actividades de los genomas nucleares y de los organelos están muy coordinadas. Por consiguiente, con frecuencia son difíciles de discernir sus contribuciones individuales con la función del organelo. Debido al origen de las mitocondrias y los cloroplastos, no es sorprendente que sean susceptibles a la acción de los antibióticos (p. ej., moléculas como cloranfenicol y eritromicina que inhiben la función del genoma bacteriano), si su concentración es lo bastante alta.

Estructura del genoma

El genoma es el sistema operativo de un organismo, el conjunto completo de instrucciones heredadas necesarias para mantener todos los procesos de la vida. Cada genoma contiene los genes, las unidades de la herencia que determinan la estructura primaria de los productos génicos (polipéptidos y moléculas de RNA). Los genomas se diferencian en cuanto a su tamaño, su forma y la complejidad de su secuencia. El tamaño genómico —el número de nucleótidos emparejados, que se relaciona de manera aproximada con la complejidad del organismo— varía en un intervalo enorme desde menos de 10⁶ bp en algunas especies de Mycoplasma (la bacteria más pequeña que se conoce) hasta más de 10¹⁰ bp en determinadas plantas. La mayoría de los genomas procariotas es más pequeña que los eucariotas. A diferencia de los genomas procariotas, que suelen constar de moléculas únicas de DNA circular, los genomas eucariotas están divididos en dos o más moléculas de DNA lineal. Sin embargo, la diferencia más significativa entre los genomas procariotas y los eucariotas es la capacidad de codificación mucho mayor del DNA de los últimos. De manera sorprendente, la mayoría de las secuencias eucariotas no codifica productos génicos. Por esta razón, cada tipo de genoma se considera por separado. En la figura 17.23 se comparan segmentos cortos de los genomas de varios eucariotas con el de E. coli.

GENOMAS PROCARIOTAS Las investigaciones de los cromosomas procariotas, en especial aquellos de varias cepas de E. coli, han descubierto lo siguiente:

1. Tamaño del genoma. Como se ha descrito, la mayoría de los genomas procariotas es relativamente pequeña, con un número de genes mucho menor que el de los eucariotas. El cromosoma K12 de E. coli contiene cerca de 4.6 megabases, las cuales forman 4 377 genes que codifican proteínas y 109 ncRNA [1 megabase (Mb) = 1 × 10⁶ bases].

2. Capacidad codificador. Los genes de los procariotas son compactos y continuos; es decir, contienen poco, si es que tienen algo, DNA no codificador entre las secuencias génicas o dentro de ellas. Esto contrasta con el DNA eucariota, en el que un porcentaje significativo del DNA puede encontrarse en una forma no codificador.

3. Expresión génica. La regulación de muchos genes con funciones relacionadas se potencia al organizarlos en operones. Un operón es un conjunto de genes ligados que están regulados como una unidad. Alrededor de una cuarta parte de los genes de E. coli están organizados en operones.

Recuerde que las procariotas también suelen poseer pequeñas piezas adicionales de DNA llamadas plásmidos, que son en general circulares, aunque no siempre. Por lo general, los plásmidos tienen genes que no se encuentran en el cromosoma principal y pocas veces son esenciales para el crecimiento y supervivencia de la bacteria. Sin embargo, es probable que codifiquen biomoléculas que proporcionan a la célula una ventaja en el crecimiento o supervivencia: resistencia antibiótica, capacidades metabólicas únicas (p. ej., fijación de nitrógeno; degradación de fuentes energéticas únicas como compuestos aromáticos) o virulencia (p. ej., toxinas u otros factores que minan los mecanismos de defensa del hospedador).

GENOMAS EUCARIOTAS La organización de la información genética en los cromosomas eucariotas es mucho más compleja que la que se observa en los procariotas. Los genomas nucleares eucariotas poseen las características singulares siguientes:

1. Tamaño del genoma. Los genomas eucariotas tienden a ser mucho más grandes que los de los procariotas. Sin embargo, en los eucariotas superiores, el tamaño del genoma no es necesariamente una medida de la complejidad del organismo. Por ejemplo, el genoma haploide del ser humano tiene 3 200 Mb. Los genomas de los guisantes y de la salamandra tienen 4 800 Mb y 40 000 Mb, en tal orden.

2. Capacidad codificador. Aunque existe una enorme capacidad codificador, la mayoría de las secuencias de DNA de los eucariotas no parecen tener funciones de codificación. Aunque existen miles de genes ncRNA, se desconocen las funciones de la mayoría de las secuencias no codificadores; es probable que algunas tengan funciones reguladoras o estructurales. Se ha calculado que no más del 1.5% del genoma humano codifica proteínas.

3. Continuidad codificador. La mayoría de los genes eucariotas son discontinuos. Las secuencias no codificadores (llamadas intrones o secuencias intermedias) se intercalan entre las secuencias llamadas exones (secuencias expresadas), que codifican parte de un producto génico (p. ej., un polipéptido o un ncRNA completo). Las secuencias intrónicas, que pueden ser mucho más largas que los exones en un gen codificador de proteína, se eliminan de los transcritos de RNA primarios por un mecanismo de corte y empalme (sección 18.2) para producir moléculas funcionales de RNA.

La existencia de exones y de intrones permite a las células eucariotas producir más de un polipéptido a partir de cada gen. Utilizando un proceso denominado corte y empalme alternativo, es posible unir varias combinaciones de exones para formar diversos mRNA. Por ejemplo, las reestructuraciones aleatorias de secuencias génicas que codifican los receptores de antígenos de las inmunoglobulinas tienen un cometido fundamental en la generación de los millones de linfocitos y anticuerpos producidos por el sistema inmunitario de los mamíferos. Uno de los resultados más sorprendentes de la investigación del genoma y de los proyectos genómicos (esfuerzos científicos multinacionales que determinan las secuencias genómicas completas de organismos seleccionados) es el descubrimiento de que los genes constituyen una proporción pequeña de los genomas eucariotas. Las secuencias intergénicas, es decir las que no codifican productos génicos, a menudo se les llamaba “DNA basura” porque se pensó que no tenían funciones útiles. Aunque siguen sin determinarse las actividades de la mayoría de las secuencias intergénicas, las secuencias mismas se han analizado y clasificado. La siguiente revisión se concentra en secuencias de DNA de los tipos que existen en el genoma humano.

De las ∼3 200 Mb del genoma humano, cerca de 38% son genes y secuencias relacionadas. La porción de estas secuencias que codifica productos génicos (polipéptidos y moléculas de RNA funcionales) es de 4%. Los humanos tienen cerca de 23 000 genes codificadores de proteínas y varios miles de genes ncRNA. Las funciones de casi un cuarto de los genes codificadores de proteínas conocidos (fig. 17.24) se relacionan con la síntesis y la reparación de DNA y con la expresión génica. Las proteínas de transducción de señales son codificadas por alrededor del 21% de los genes y cerca del 17% codifica funciones bioquímicas generales de las células (p. ej., enzimas metabólicas). Los genes restantes, ∼38%, codifican una serie de proteínas implicadas en procesos de transporte (p. ej., conductos iónicos), el plegamiento de proteínas (chaperones moleculares y subunidades proteasómicas), proteínas estructurales (p. ej., actina, miosina, tubulina y sus proteínas accesorias) y proteínas inmunitarias (p. ej., anticuerpos). Las secuencias génicas relacionadas incluyen seudogenes (copias génicas no funcionales), fragmentos de genes y UTR (secuencias no traducidas a ambos lados de una secuencia codificador).

Poco más del 60% del genoma humano consta de secuencias intergénicas. Si bien se desconocen sus funciones, se han identificado e investigado varias clases de secuencias repetitivas. Existen dos clases generales: las repeticiones en tándem y las repeticiones entremezcladas en todo el genoma. A continuación se describen con brevedad cada una de ellas.

Las repeticiones en tándem son secuencias de DNA en las que muchas copias están dispuestas cerca unas de otras. Estas secuencias se denominaron originalmente DNA satélite debido a que forman una banda separada o “satélite” cuando se fracciona en trozos el DNA genómico y se centrifuga para separar los fragmentos mediante centrifugación por gradiente de densidad. Las longitudes de las secuencias repetidas varían desde menos de 10 bp hasta más de 2 000 bp. Las extensiones totales de las repeticiones en tándem suelen variar entre 10⁵ y 10⁷ bp. Determinados tipos de repeticiones en tándem desempeñan funciones estructurales en los centrómeros (las estructuras que contienen cinetocoros, las cuales unen los cromosomas al huso mitótico durante la mitosis y la meiosis) y los telómeros (las estructuras de los extremos de los cromosomas que amortiguan la pérdida de secuencias codificadores esenciales tras una ronda de replicación del DNA). Dos clases relativamente pequeñas de secuencias repetitivas se denominan minisatélites y microsatélites. Los minisatélites tienen secuencias repetidas en tándem de 10 a 100 bp, con longitudes totales de entre 10² y 10⁵ bp. Los telómeros contienen agregados de minisatélites. En los microsatélites, también llamados repeticiones de secuencia única (SSR), existe una secuencia central de 1 a 4 bp que se repite en tándem de 10 a 100 veces. Se desconoce la mayor parte de las funciones de estas secuencias repetitivas. Debido a su número elevado en los genomas y porque son pleomórficos (es decir, varían en cada organismo individual), los minisatélites y microsatélites se usan como marcadores en el diagnóstico de enfermedades genéticas; en estudios de genealogías y poblaciones; y en investigaciones forenses (ensayo Bioquímica en perspectiva: Investigaciones forenses, pág. 580).

Como su nombre lo implica, las repeticiones entremezcladas en todo el genoma son secuencias repetitivas que están dispersas por el genoma. La mayoría de estas secuencias es resultado de eventos de transposición (sección 18.1), un mecanismo por el cual determinadas secuencias de DNA, que reciben el nombre de elementos genéticos móviles, pueden duplicarse y moverse dentro del genoma. Los elementos transponibles del DNA, denominados transposones, se escinden a sí mismos y luego se insertan en otro sitio. Con mayor frecuencia, sin embargo, los mecanismos de transposición implican un RNA transcrito intermediario. Estos últimos elementos del DNA se denominan transposones de RNA o retroposones (o retrotransposones). Los retrotransposones pueden clasificarse en dos grupos con base en la presencia o ausencia de repeticiones terminales largas (LTR, long terminal repeats), secuencias que participan en la transcripción inversa.

Los retrotransposones LTR, considerados como virus degenerados, a menudo se conocen como retrovirus endógenos. Los retrovirus endógenos humanos (HERV, human endogenous retroviruses) comprenden cerca de 8% del genoma y se cree que son resultado de infecciones ancestrales de las células germinales (óvulos y espermatozoides). Aunque en general los HERV son inactivos, se han identificado varias secuencias HERV funcionales. Por ejemplo, la proteína de fusión sincitina 1, producto de un miembro de la familia HERV-W, se expresa durante la placenta. La síntesis inadecuada de sincitina 1 es uno de varios factores que causan preeclampsia, hipertensión inducida por el embarazo que puede causar la muerte materna.

Los transposones no LTR con longitudes mayores de 5 kb se llaman LINE (long interspersed nuclear elements, elementos nucleares intercalados largos). Las secuencias LINE contienen un promotor (una secuencia de bases en flujo ascendente de un gen, necesaria para el inicio de la transcripción) fuerte, una secuencia de integración (una secuencia de bases necesaria para la integración en otra molécula de DNA) y las secuencias codificadores para las enzimas de transposición. Los LINE han experimentado replicación y mutación con el tiempo, y sólo un pequeño porcentaje de ellos son funcionales. Se calcula que en el ser humano una de cada 1 200 mutaciones es resultado de la inserción de un LINE. Un ejemplo es la hemofilia A (un trastorno de la coagulación), que ocurre cuando una secuencia LINE se inserta en el gen que codifica el factor de la coagulación VIII.

Los SINE (short interspersed nuclear elements, elementos nucleares intercalados cortos) son retrotransposones no LTR con menos de 500 bp. Aunque los SINE contienen secuencias de inserción, no pueden experimentar transposición sin la ayuda de una secuencia LINE funcional. Los SINE se han expandido mucho con el tiempo hasta constituir 11% del genoma humano, con más de un millón de copias. La única inserción de SINE vinculada con enfermedades humanas implica el elemento Alu, que media recombinaciones, inserciones, deleciones y reordenamientos cromosómicos. Más de 20 enfermedades genéticas distintas del ser humano se han atribuido a mutaciones mediadas por la subfamilia Alu de SINE. Se han observado inserciones mediadas por el Alu que causan hemofilia B (factor de la coagulación IX defectuoso) y determinadas recombinaciones desiguales debidas a inserciones mediadas por Alu que se vinculan con la enfermedad de Lesch-Nyhan y con la enfermedad de Tay-Sachs. La recombinación (sección 18.1) es la “mezcla” de secuencias de DNA mediante entrecruzamiento de cromosomas homólogos en las células que dan origen a los óvulos o a los espermatozoides. La recombinación desigual es un proceso aberrante que causa mutaciones por inserción o por deleción.

Además de sus funciones bien conocidas en la síntesis de proteína, los RNA son moléculas con una gran versatilidad que realizan funciones antes consideradas exclusivas de las proteínas. Son ejemplos la regulación de la expresión génica, la diferenciación celular y la catálisis. Las propiedades funcionales de los RNA se deben a su estructura. La estructura primaria de los polirribonucleótidos es similar a la de sus contrapartes de DNA, pero existen varias diferencias.

1. El azúcar del RNA es ribosa en lugar de la DNA desoxirribosa. La presencia del grupo 2′-OH de la ribosa hace al RNA más reactivo que el DNA.

2. Las bases nitrogenadas del RNA se diferencian en cierta medida de las que se observan en el DNA. En lugar de timina, las moléculas de RNA utilizan uracilo. Además, las bases de algunas moléculas de RNA son modificadas por diversas enzimas (p. ej., metilasas, tiolasas y desaminasas).

3. A diferencia de la doble hélice del DNA, el RNA es monocatenario. Por tal razón, el RNA puede enrollarse sobre sí mismo y formar estructuras tridimensionales singulares y con frecuencia bastante complejas (fig. 17.25). La forma de estas estructuras la determina el emparejamiento de bases complementarias de secuencias específicas de RNA, así como el apilamiento de bases y las interacciones que ocurren entre regiones de doble cadena (formadas a partir de regiones monocatenarias de la misma molécula o entre regiones monocatenarias de moléculas vecinas) y lazos de RNA libres. En las regiones de doble cadena se aplican las reglas del emparejamiento de bases, donde se unen A-U, G-U y G-C. Las regiones de RNA en lazo o de cadena individual (ssRNA) contienen varias bases modificadas en las moléculas de RNA maduro no mensajero. La composición de bases del RNA no sigue las reglas de Chargaff, porque las moléculas de RNA son monocatenarias.

4. Las moléculas de RNA tienen propiedades catalíticas debido a que pueden formar estructuras tridimensionales complejas con hendiduras de unión. La mayoría de las moléculas de RNA catalítico, que se conocen como ribozimas, catalizan autoescisión o la rotura de otros RNA. Sin embargo, el ejemplo más notable de actividad de ribozima es la formación de enlaces peptídicos dentro de los ribosomas. Suele requerirse un ion magnesio como cofactor para la catálisis por RNA, porque el Mg²⁺ estabiliza los estados de transición.

Las clases más destacadas de RNA son el RNA de transferencia, el RNA ribosómico y el RNA mensajero. A continuación se consideran la estructura y la función de cada una de estas moléculas. Se describen también algunos ejemplos de otras clases menos abundantes de RNA, denominadas moléculas de RNA no codificadores (ncRNA).

RNA de transferencia

Las moléculas de RNA de transferencia (tRNA) transportan los aminoácidos a los ribosomas para su ensamblaje en las proteínas. La longitud promedio de una molécula de tRNA es de 75 nucleótidos. Debido a que cada una de estas moléculas se une a un aminoácido específico, las células poseen al menos una clase de tRNA para cada uno de los 20 aminoácidos estándar. La estructura tridimensional de las moléculas de tRNA, que se asemeja a una hoja de trébol alabeada (fig. 17.26), es consecuencia en primera instancia de un gran emparejamiento de bases intracatenario. Las moléculas de tRNA contienen diversas bases modificadas. Entre ellas se encuentran la seudouridina, la 4-tiouridina, la 1-metilguanosina y la dihidrouridina:

La estructura del tRNA le permite realizar dos funciones esenciales en las que intervienen el extremo 3′ y el lazo anticodón. El extremo 3′ forma un enlace covalente con un aminoácido específico. (Esta especificidad es posible gracias a que las enzimas llamadas aminoacil-tRNA sintetasas unen cada aminoácido con su tRNA correspondiente.) El lazo anticodón contiene una secuencia de tres pares de bases que es complementaria con un triplete de bases del DNA que codifica un aminoácido específico. La relación conformacional entre el extremo 3′ y el lazo anticodón permite al tRNA alinear de manera correcta el aminoácido que porta durante la síntesis proteínica. (Este proceso se revisa en el capítulo 19.)

Los tRNA también poseen otras tres características estructurales notables, denominadas lazo D, lazo T ψ C, y lazo variable. (La letra griega psi, ψ, representa la seudouridina, una base modificada.) Estas estructuras facilitan la unión específica a la aminoacil-tRNA sintetasa apropiada y el alineamiento correcto del aminoacil-tRNA dentro del andamiaje nucleoproteínico del ribosoma. De modo similar, el lazo T ψ C contiene la secuencia de bases timina, seudouridina y citosina. Los tRNA pueden clasificarse con base en la longitud de su lazo variable. La mayoría (cerca del 80%) de los tRNA tiene lazos variables con 4 o 5 nucleótidos, mientras que otros tienen lazos variables de hasta 20 nucleótidos.

RNA ribosómico

El RNA ribosómico (rRNA) es la forma más abundante de RNA en las células vivas, tiene una estructura de complejidad extraordinaria (fig. 17.27). Aunque existen diferencias entre las especies en las secuencias primarias de nucleótidos del rRNA, la estructura tridimensional global de esta clase de moléculas está conservada. Como sugiere su nombre, el rRNA es un componente de los ribosomas.

Los ribosomas, los complejos de ribonucleoproteína citoplásmica que sintetizan las proteínas, tienen forma y función similares en las células procariotas y eucariotas, aunque difieren en tamaño y composición química. Ambos tipos de ribosomas constan de dos subunidades de tamaño desigual, que en general se denominan en términos de sus valores de S. (S es una abreviatura de la unidad de Svedberg [o de sedimentación], que es una medida de la velocidad de sedimentación en una centrífuga. Debido a que la velocidad de sedimentación depende del peso molecular y de la forma de una partícula, los valores de S no son necesariamente aditivos.) Los ribosomas procariotas (70 S) están formados por una subunidad 50 S y una subunidad 30 S, mientras que los ribosomas eucariotas (80 S) contienen una subunidad 60 S y una unidad 40 S.

En cada tipo de subunidad ribosómica se encuentran varias clases diferentes de rRNA y de proteínas. La subunidad ribosómica grande de E. coli, por ejemplo, contiene rRNA 5 S y 23 S y 34 polipéptidos. La subunidad ribosómica pequeña de E. coli contiene un rRNA 16 S y 21 polipéptidos. Una subunidad ribosómica eucariota grande típica contiene tres rRNA (5 S, 5.8 S y 28 S) y 49 polipéptidos; la subunidad pequeña contiene un rRNA 18 S y alrededor de 30 polipéptidos. El rRNA sirve como un andamiaje para el autoensamble de proteínas para formar la subunidad ribosómica nativa. La peptidil transferasa, la actividad enzimática que permite la formación del enlace peptídico, reside en el rRNA 23S de los ribosomas procariotas y en el rRNA 28S de los ribosomas eucariotas.

RNA mensajero

Como su nombre sugiere, el RNA mensajero (mRNA) es el transportador de la información genética desde el DNA para la síntesis de proteínas. Las moléculas de mRNA contienen secuencias de tres bases, llamadas codones, que dictan los aminoácidos específicos en la proteína que se sintetizará. La secuencia de bases en un mRNA que codifica un polipéptido se llama marco de lectura abierto (ORF). Un ORF comienza con un codón de inicio y termina con un codón de terminación o de paro. La longitud de los mRNA es muy variable. Por ejemplo, el número de bases del mRNA de E. coli varía de 500 a 6 000.

El mRNA procariota y el eucariota se diferencian en varios aspectos. En primer lugar, muchos mRNA procariotas son policistrónicos, es decir, contienen información que codifica varias cadenas polipeptídicas. Por el contrario, el mRNA eucariota codifica un solo polipéptido y por lo tanto se denomina monocistrónico. (Un cistrón es una secuencia de DNA que contiene información codificador de un polipéptido y varias señales necesarias para la función ribosómica.) En segundo lugar, los mRNA procariotas y los eucariotas se procesan de forma diferente. Al contrario que los mRNA procariotas, que se traducen en proteínas por medio de los ribosomas mientras que se sintetizan o inmediatamente después, los mRNA eucariotas se modifican en gran medida. Estas modificaciones incluyen la formación de un casquete (la unión de 7-metilguanosina al residuo terminal 5′), el corte y empalme (la eliminación de los intrones) y la unión de un polímero de adenilato que se denomina cola de poli (A). (En el capítulo 18 se describen cada uno de estos procesos.)

RNA no codificador

Los RNA que no codifican polipéptidos de manera directa se llaman RNA no codificadores (ncRNA). Además de los tRNA y rRNA, los eucariotas también producen un conjunto variado de otros ncRNA. Entre los ncRNA más importantes están el microRNA, el RNA corto interferente y el RNA nucleolar corto. Observe que estos RNA realizan sus funciones como componentes de complejos de ribonucleoproteína. Los microRNA (miRNA), con 22 a 26 nt de largo, participan en la regulación de la expresión génica. Después de unirse con varias proteínas para formar un complejo silenciador inducido por RNA (RISC), cada tipo de miRNA se une con una secuencia de bases complementaria en los mRNA blanco, lo que impide su traducción. Los miRNA transitorios producidos durante procesos del desarrollo se conocen como RNA temporales pequeños (stRNA, small temporal RNA). Los RNA interferentes pequeños (siRNA, small interfering RNA) son dsRNA de 21 a 23 nt que tienen una participación crucial en la interferencia del RNA (RNAi), un proceso de degradación del RNA que defiende a las células del virus de RNA y de cualquier transposón transcrito de manera inadvertida.

Los RNA nucleolares cortos (snoRNA) son RNA monocatenarios que contienen de 70 a 300 nucleótidos; facilitan modificaciones químicas del rRNA dentro del nucléolo. Codificados dentro de los intrones de los genes de rRNA, los snoRNA son un componente de la ribonucleoproteína nucleolar pequeña (snoRNP). La función de los snoRNA (más de 100 en el ser humano) es guiar la snoRNP por medio de emparejamiento de bases hacia el sitio de secuencia específico en un rRNA diana. Las modificaciones que ocurren durante el procesamiento del rRNA incluyen la metilación del 2′-OH de la ribosa y la isomerización de uridina para formar seudouridina (fig. 17.28). Varios snoRNA participan en ciertas modificaciones de bases del tRNA y el snRNA.

Hay cinco RNA nucleares pequeños (snRNA): U1, U2, U4, U5 y U6. Constituidos por 100 a 300 nucleótidos, los snRNA se combinan con varias proteínas para formar ribonucleoproteínas nucleares pequeñas (snRNP o “snurps”). Junto con otras proteínas, las snRNP constituyen una máquina molecular llamada empalmosoma debido a su función: el corte y empalme es un paso clave en el procesamiento de los mRNA eucariotas. Los empalmosomas escinden intrones del pre-mRNA y luego unen los exones.

Los virus carecen de la mayoría de las propiedades que distinguen a la vida de la no vida, la más importante es su incapacidad para realizar procesos metabólicos. Sin embargo, en condiciones adecuadas pueden causar estragos en los seres vivos. Los virus, que a menudo se describen como parásitos intracelulares obligados, pueden también considerarse como elementos genéticos móviles debido a su estructura, un trozo de ácido nucleico encerrado dentro de una cubierta protectora. Una vez que un virus ha infectado una célula hospedadora, su ácido nucleico puede secuestrar al de la célula y a su maquinaria de síntesis de proteínas. Al acumularse los componentes del virus, se producen nuevas partículas víricas completas que luego libera la célula hospedadora. En muchas circunstancias, se produce tal cantidad de virus que la célula hospedadora se lisa (se rompe). Por otra parte, el ácido nucleico del virus puede insertarse en un cromosoma del hospedador, lo que da lugar a la transformación de la célula.

Los virus han fascinado a los bioquímicos desde que se sospechó su existencia a finales del siglo xix. Impulsada en gran medida por la actuación de los virus en numerosas enfermedades, la investigación vírica ha beneficiado en gran medida a la bioquímica. Debido a que los virus trastornan la función celular normal para producir nuevos virus, una infección vírica puede proporcionar una visión única del metabolismo celular. Por ejemplo, la infección de las células animales ha proporcionado una información inestimable y relativamente inequívoca sobre los mecanismos que glucosilan a las proteínas recién sintetizadas. Además, se han elucidado diversos mecanismos genéticos eucariotas con la ayuda de los virus y/o de las enzimas víricas. La investigación vírica también ha proporcionado información sustancial con relación a la estructura del genoma de los organismos eucariotas y de los procariotas y a la carcinogénesis (los mecanismos por los que las células normales se transforman en células cancerosas). Por ejemplo, investigaciones recientes revelan que la infección por uno o más tipos de virus del papiloma humano es un prerrequisito para el desarrollo de cáncer cervicouterino. Por último, los virus han sido inestimables en la creación de la tecnología del DNA recombinante.

Los virus se presentan en un conjunto desconcertante de tamaños y formas. Los viriones (partículas víricas completas) tienen un diámetro que oscila entre 10 y ∼400 nm. Aunque la mayoría de los virus es demasiado pequeña para poder verse con el microscopio óptico, unos pocos (p. ej., los poxvirus) pueden verse debido a que son tan grandes como las bacterias más pequeñas.

Los viriones simples están formados por una cápside (una cubierta proteínica construida por moléculas proteínicas entrelazadas denominadas capsómeros), que encierra al ácido nucleico. (El término nucleocápside suele utilizarse para describir el complejo formado por la cápside y el ácido nucleico.) La mayoría de las cápsides son helicoidales o icosaédricas (estructuras de 20 lados formadas por capsómeros triangulares). El ácido nucleico componente de los viriones es DNA o RNA. Aunque la mayoría de los virus poseen DNA bicatenario (dsDNA) o RNA monocatenario (ssRNA), se han observado algunos genomas con DNA monocatenario (ssDNA) y RNA bicatenario (dsRNA). Existen dos clases de genomas ssRNA. Un genoma de RNA de sentido positivo [(+)-ssRNA] actúa como un mRNA gigante, es decir, dirige la síntesis de un largo polipéptido que se rompe y se procesa en moléculas más pequeñas. Un genoma de RNA de sentido negativo [(−)-ssRNA] es complementario de la secuencia de bases que dirige la síntesis de las proteínas del virus. Los virus que usan genomas (−)-ssRNA, llamados retrovirus, deben aportar una enzima, la transcriptasa inversa, que sintetice el mRNA.

En los virus más complejos, la nucleocápside está rodeada por una cubierta membranosa, que en general procede de las membranas plasmática o nuclear de la célula hospedadora. Las proteínas de la cubierta, que codifica el genoma del virus, se insertan en la cubierta membranosa durante el ensamblaje del virión. Las proteínas que sobresalen de la superficie de la cubierta, y que se denominan espículas, se cree que participan en la unión del virus a la célula hospedadora. El virus de inmunodeficiencia humana (VIH) es un ejemplo de un virus con envoltura.

Bacteriófago T4: un estilo de vida viral

El bacteriófago T4 (fig. 17.29) es un virus grande con una cabeza icosaédrica y una cola larga y compleja semejante a la estructura del T2. La cabeza contiene dsDNA y la cola se engancha a la célula hospedadora e inyecta el DNA viral.

El ciclo vital del T4 comienza con la adsorción del virión a la superficie de una célula de E. coli. Debido a que la pared de la célula bacteriana es rígida, el virión completo no puede penetrar en el interior y en su lugar se inyecta el DNA flexionando y encogiendo el aparato de la cola. Una vez que ha entrado el DNA en la célula, el proceso infeccioso se completa y comienza la fase siguiente (replicación).

A los 2 minutos de la inyección del DNA del fago T4 en una célula de E. coli, se detiene la síntesis de DNA, de RNA y de proteínas y comienza la producción del mRNA del fago. El mRNA del fago codifica la síntesis de proteínas de la cápside y parte de las enzimas que se requieren para la replicación del genoma del virus y para el ensamblaje de los componentes del virión. Además, se sintetizan otras enzimas que debilitan la pared celular de la célula hospedadora, de forma que puedan liberarse nuevos fagos para nuevas rondas de infección. Cerca de 22 minutos después de ser inyectado el DNA viral (vDNA), la célula hospedadora (llena de varios centenares de nuevos viriones) se lisa. Tras la liberación, los viriones se enganchan a bacterias cercanas, iniciando de esta forma nuevas infecciones.

El bacteriófago que inicia este denominado ciclo lítico se denomina virulento debido a que destruye sus células hospedadoras. Sin embargo, muchos fagos no destruyen en principio a sus hospedadores. Los denominados fagos temperados o lisogénicos integran su genoma en el de la célula hospedadora. (El término lisogenia describe una condición en la que el genoma del fago se integra en el cromosoma del hospedador.) El genoma del virus integrado (que se denomina profago) se copia junto con el DNA del hospedador durante la división celular un tiempo indefinido. En ocasiones, los fagos lisogénicos pueden entrar en una fase lítica. Determinadas condiciones externas, como la luz UV o la radiación ionizante, activan al profago, el cual dirige la síntesis de nuevos viriones. Algunas veces, una célula bacteriana que se lisa libera unos pocos viriones que contienen parte del DNA bacteriano junto con el DNA del fago. Cuando un virión así infecta una nueva célula hospedadora, este DNA se introduce en el genoma del hospedador. Este proceso se denomina transducción.

Resumen del capítulo

1. La información que se requiere para dirigir todos los procesos vitales está almacenada en la secuencia de nucleótidos del DNA. Éste está formado por dos cadenas antiparalelas de polinucleótidos enrolladas una sobre la otra para formar una doble hélice dextrógira. Los enlaces desoxirribosa-fosfodiéster forman los esqueletos de la doble hélice y las bases de los nucleótidos se proyectan hacia su interior. Los emparejamientos de bases de los nucleótidos se forman debido a los enlaces de hidrógeno que se forman entre determinadas bases: adenina con timina y citosina con guanina.

2. Varios tipos de interacciones no covalentes contribuyen a la estabilidad de la estructura del DNA: interacciones hidrófobas y de van der Waal’s entre bases heterocíclicas apiladas, enlaces de hidrógeno entre pares de bases GC y AT, e hidratación con moléculas de agua. La descodificación de la información genética contenida en el DNA requiere una maquinaria molecular constituida principalmente por proteínas.

3. Las mutaciones son cambios de la estructura del DNA, que pueden producirse por colisiones con las moléculas de un solvente, fluctuaciones térmicas, ROS, radiación o xenobióticos. En una mutación por transición, una base pirimídica es sustituida por otra pirimidina o una base púrica es sustituida por otra purina. En una mutación por transversión, una base púrica es sustituida por una pirimídica, o a la inversa. Otros tipos de mutación incluyen las indel (inserciones y deleciones), inversiones, translocaciones y duplicaciones.

4. El DNA puede tener varias conformaciones dependiendo de la secuencia de nucleótidos y del grado de hidratación de la doble hélice. Además de la estructura clásica determinada por Watson y Crick (DNA B), se han observado también las conformaciones DNA A y DNA Z. El superenrollamiento del DNA es una característica esencial de diversos procesos biológicos, como el empaquetamiento, la replicación y la transcripción del DNA.

5. Cada cromosoma eucariota está formado por nucleohistonas, un complejo que se forma por el enrollamiento de una única molécula de DNA alrededor de un octámero de histonas para formar un nucleosoma. La metilación del DNA y varios tipos de modificaciones covalentes de la histona (p. ej., acetilación y metilación) alteran la estructura de la cromatina y la expresión génica. Los DNA de las mitocondrias y de los cloroplastos son semejantes al de los cromosomas que se encuentran en las procariotas.

6. Un genoma es el conjunto completo de instrucciones heredadas que se requieren para sustentar los procesos vitales de un organismo. Aunque existen algunas semejanzas, los genomas de las procariotas y de las eucariotas difieren sustancialmente en cuanto a tamaño, capacidad de codificación, mecanismos de expresión génica y continuidad de codificación.

7. La mayoría de las secuencias de DNA del ser humano no codifican proteínas ni RNA funcionales. Existen dos clases generales de secuencias intergénicas: repeticiones en tándem y repeticiones entremezcladas ampliamente en el genoma. Los elementos genéticos móviles pueden duplicarse y desplazarse en el genoma. Los retroposones pueden causar enfermedades al insertarse en genes o en secuencias reguladoras.

8. El RNA se diferencia del DNA en que contiene ribosa (en lugar de desoxirribosa), tiene una composición de bases algo distinta y en general es de cadena individual. Las formas de RNA que participan en la síntesis de proteínas son el RNA de transferencia, el ribosómico y el mensajero. Las moléculas de RNA de transferencia tienen aminoácidos específicos unidos a ellas por enzimas específicas y los transportan a los ribosomas para su incorporación en las proteínas que se sintetizan, donde se alinean de manera correcta durante la síntesis de proteínas. Los RNA ribosómicos son componentes de los ribosomas, donde constituyen sitios de actividad catalítica. El RNA mensajero contiene dentro de su secuencia de nucleótidos las instrucciones de codificación para sintetizar un polipéptido específico. Existen varias clases de RNA no codificadores, con diversas funciones en la regulación y en la protección del genoma. Algunos ejemplos son el miRNA, el siRNA, el snoRNA y el snRNA.

9. Los virus son parásitos intracelulares obligados. Aunque son acelulares y no pueden realizar actividades metabólicas por sí mismos, los virus pueden causar estragos en los seres vivos. Cada clase de virus infecta una clase específica de hospedador (o conjunto pequeño de hospedadores). Un virus hace esto debido a que puede inyectar su genoma o introducir toda la partícula vírica en la célula hospedadora. Cada virus posee la capacidad de utilizar los procesos metabólicos de la célula hospedadora para fabricar copias nuevas de sí mismo, denominadas viriones. Los virus poseen genomas de dsDNA, ssDNA, dsRNA o ssRNA.

10. Los retrovirus son una clase de virus RNA que poseen una actividad transcriptasa inversa que convierte su genoma RNA en una molécula de DNA. El retrovirus VIH produce el sida.

Lecturas recomendadas

Palabras clave

• agente alquilante

• agente intercalador

• agente no alquilante

• análogos de bases

• biología molecular

• cadena con sentido

• cadena no codificadora

• centrómero

• ciclo lítico

• cistrón

• complejo de silenciamiento inducido por RNA

• cromatina

• cromosoma

• DNA A

• DNA B

• DNA satélite

• DNA Z

• duplicación génica

• elemento genético móvil

• elementos transponibles de DNA

• eucromatina

• exón

• factor de transcripción

• genes

• genética

• genoma

• heterocromatina

• huellas de DNA

• indel

• intrón

• inversión

• LINE

• lisogenia

• marco de lectura abierto

• metaboloma

• método de terminación de cadena

• microRNA

• microsatélite

• minisatélite

• mutación de aminoácido

• mutación de transición

• mutación de transversión

• mutación finalizadora

• mutación puntual

• mutación silente

• nucleosoma

• operón

• perfil de DNA

• polimorfismo de nucleótido individual

• profago

• proteoma

• reglas de Chargaff

• repetición entremezclada ampliamente en todo el genoma

• repeticiones en tándem

• repeticiones en tándem cortas

• replicación

• retroposones

• retrovirus

• retrovirus endógeno

• ribonucleoproteína nuclear pequeña

• ribozima

• RNA de interferencia corto

• RNA de transferencia

• RNA mensajero

• RNA no codificador

• RNA nuclear corto

• RNA nucleolar corto

• RNA ribosómico

• secuencia intergénica

• SINE

• telómero

• tipificación de DNA

• traducción

• transcripción

• transcriptoma

• transcrito

• transducción

• translocación

• transposición

• transposón

• transposones de RNA

Estas preguntas están diseñadas para poner a prueba los conocimientos del lector sobre los conceptos clave expuestos en este capítulo, antes de pasar al siguiente.

1. Defina los siguientes términos:

   1. mutación puntual

   2. mutación por transición

   3. mutación por transversión

   4. mutación silente

   5. mutación de aminoácido

2. Defina los siguientes términos:

   1. reglas de Chargaff

   2. experimento de Hershey-Chase

   3. bacteriófago

   4. experimento de Avery-MacLeod y McCarty

   5. experimento de Fred Griffith

3. Defina los siguientes términos:

   1. DNA A

   2. DNA B

   3. DNA Z

   4. cruciforme

   5. palíndromo

4. Defina los siguientes términos:

   1. superenrollamiento positivo

   2. superenrollamiento negativo

   3. poliaminas

   4. cromatina

   5. nucleosoma

5. Defina los siguientes términos:

   1. epigenética

   2. isla CpG

   3. epimutación

   4. metilación de DNA

   5. acetilación de histona

6. Defina los siguientes términos:

   1. efecto hipocrómico

   2. desnaturalización de DNA

   3. endonucleasas de restricción

   4. hibridación de DNA

   5. prueba Southern

7. Defina los siguientes términos:

   1. cistrón

   2. operón

   3. miRNA

   4. siRNA

   5. snoRNA

8. Describa la estructura de un nucleosoma.

9. Describa las diferencias estructurales entre el RNA y el DNA.

10. ¿Cuáles son las tres formas más comunes del RNA? ¿Qué funciones tienen en la célula?

11. El DNA Z recibe su nombre de la conformación en zigzag de grupos fosfato. ¿Qué características de la molécula de DNA permiten que se forme esta estructura distintiva?

12. Existe un par de bases cada 0.34 nm de DNA y la longitud total del DNA de una célula humana es de 2 m. Calcúlese el número de pares de bases de una sola célula. Suponiendo que en el cuerpo humano hay 10¹⁴ células, calcúlese la longitud total del DNA. Compárese esta distancia con la que existe entre la Tierra y el Sol (1.5 × 10⁸ km).

13. Una muestra de DNA contiene 21% de adenina. ¿Cuál es su composición porcentual de bases?

14. La temperatura de fusión de una molécula de DNA incrementa al aumentar el contenido de bases GC. ¿Por qué?

15. Organícense los términos siguientes de forma jerárquica:

    1. cromosoma

    2. gen

    3. nucleosoma

    4. par de bases nucleotídicas

16. Proporciónese la cadena complementaria y el RNA de transcripción que se produce a partir del siguiente segmento de DNA:

    5′-AGGGGCCGTTATCGTT-3′

17. ¿Qué causaría más daño a una célula: un error en la replicación del DNA o un error en su transcripción?

18. ¿Cómo contribuyen las poliaminas a la estructura del DNA?

19. Describa la hipótesis del código de histona en términos generales.

El objetivo de estas preguntas es reforzar la comprensión de todos los conceptos clave expuestos en el libro hasta el momento. Es factible que no tengan una única respuesta correcta.

1. En condiciones fisiológicas, el DNA se encuentra en forma de DNA B. Sin embargo, las horquillas de RNA y los híbridos DNA-RNA adoptan la estructura de DNA A. Considerando las diferencias estructurales entre el DNA y el RNA, explíquese este fenómeno.

2. ¿Qué características estructurales del DNA producen la formación de los surcos mayor y menor?

3. Al contrario de la doble hélice del DNA, el RNA se encuentra como una cadena individual. ¿Qué efectos tiene esto sobre la estructura del RNA?

4. El 5-bromouracilo es un análogo de la timina que normalmente se aparea con la adenina. Sin embargo, el 5-bromouracilo a menudo se aparea con la guanina. ¿Por qué?

5. El flujo de información genética va del DNA al RNA y a las proteínas. En determinados virus, el flujo de información va del RNA al DNA. ¿Es posible que dicho flujo de información comience desde las proteínas? ¿Por qué?

6. Se desea aislar DNA mitocondrial sin rastros de DNA nuclear. ¿Cómo se realizaría esta tarea?

7. A diferencia del DNA de enlace y del DNA desproteinizado, los segmentos de DNA enrollados en los núcleos de histonas son relativamente resistentes a las acciones hidrolíticas de las nucleasas. ¿Por qué?

8. El conjunto de moléculas de mRNA presente dentro de una célula cambia con el tiempo. Explíquese la causa.

9. El DNA y el RNA son moléculas con gran cantidad de información. Explíquense la significancia y las implicaciones de esta afirmación.

10. Algunos organismos se encuentran bajo considerable presión para aligerar sus genomas a fin de operar de manera más eficiente. Como resultado, las mitocondrias de las eucariotas han perdido en mayor o menor grado la abrumadora mayoría de sus genes. Durante este proceso, varios cientos de genes mitocondriales se transfirieron al genoma nuclear. Sin embargo, las mitocondrias retienen un genoma con la capacidad de producir varias proteínas de transporte de electrones. Revísese el transporte electrónico mitocondrial y sugiérase una razón por la cual estos organelos generadores de energía retuvieron los genes que producen este conjunto de moléculas.

11. Durante el proceso infeccioso, los virus pueden incorporar segmentos del genoma del hospedador en sus estructuras. Explíquese el modo en que este fenómeno puede contribuir a la aparición de nuevas enfermedades o exacerbar patologías existentes.

12. Los agentes alquilantes son compuestos que reaccionan con grupos hidroxilo y amino para formar moléculas alquiladas. Por ejemplo:

    

    Cuando un individuo se expone accidentalmente a estas sustancias, diversos sistemas fisiológicos son afectados a través de alteraciones del genoma. No es raro que una de las consecuencias sea cáncer (proliferación celular descontrolada a causa del daño genómico) cuando ocurre una serie de tales exposiciones. Aplicando los conocimientos adquiridos sobre el genoma, sugiérase en términos generales cómo podría producirse cáncer.

13. Se ha sugerido que el DNA de restos fósiles podría extraerse, clonarse y emplearse para revivir especies extintas. Coméntese sobre la factibilidad de esta idea.

14. El fluorouracilo es un análogo estructural de la timina. El flúor promueve la enolización. ¿Cómo se utiliza este efecto en el tratamiento del cáncer?

17.1

El par de bases citosina-guanina con sus tres enlaces de hidrógeno es más estable que el par de bases adenina-timina. Cuantos más bp de CG tenga una molécula de DNA, es más estable. La estructura b, con el menor número de bp de CG, se desnaturalizará primero.

17.2

1. El etanol romperá los enlaces de hidrógeno de los pares de bases y desnaturalizará el DNA.

2. El calor, que rompe con facilidad los enlaces de hidrógeno, hará que se separen las cadenas del DNA y que éste se desnaturalice.

3. El dimetilsulfato es un agente alquilante que puede producir mutaciones por transversión y por transición.

4. El ácido nitroso desamina las bases.

5. La quinacrina es un agente intercalante que puede producir mutaciones por desplazamiento del marco de lectura.

17.3

El encéfalo es en especial sensible al estrés oxidativo porque utiliza una mayor proporción de oxígeno que otros tejidos. En consecuencia, la posibilidad de daño oxidativo es elevada. Asimismo, cuando la mayor parte de las células cerebrales son dañadas irreversiblemente por ROS, no pueden sustituirse. Además de los radicales hidroxilo, otras ROS que pueden contribuir con el estrés oxidativo del encéfalo son el superóxido, el peróxido de hidrógeno y el oxígeno singlete.

17.4

En el DNA A, la forma deshidratada de esta molécula, los pares de bases no se encuentran a ángulos rectos con el eje de la hélice, sino que se inclinan 20° del plano horizontal en comparación con el DNA B. La distancia entre los pares de bases adyacentes está ligeramente reducida, con 11 bp por vuelta de hélice en lugar de los 10.4 bp que hay en la forma B. Cada vuelta de la doble hélice del DNA A se produce en 2.5 nm en lugar de en los 3.4 nm del DNA B. Los diámetros del DNA A y del DNA B son 2.6 y 2.4 nm, respectivamente. La importancia del DNA A no está clara. Se ha observado que su aspecto global es similar al de los dúplex de RNA y al de los híbridos RNA-DNA que se forman durante la transcripción.

Con un diámetro de 1.8 nm, el DNA Z es mucho más delgado que el DNA B. Está enrollado en una espiral levógira con 12 bp por vuelta, cada una de las cuales se produce en 4.5 nm en lugar de en los 3.4 nm que se observan en el DNA B. Los segmentos con bases alternadas púricas y pirimídicas son los que con mayor probabilidad adoptan la configuración de DNA Z. En ésta, las bases se apilan en un patrón izquierdo escalonado que hace que esta forma sea aplanada y sin surcos y tenga aspecto en zigzag. Se desconoce la importancia del DNA Z.

Los segmentos de DNA H (triple hélice) pueden generarse cuando una secuencia de polipurina forma enlaces de hidrógeno con una secuencia de polipirimidina. El DNA H, que se forma en condiciones de pH bajo, es posible gracias al apareamiento de bases no convencional de Hoogsteen. Es probable que el DNA H participe en la recombinación.

17.5

El genoma es el conjunto total de la información genética de un organismo codificada en el DNA. Un cromosoma es una molécula de DNA, por lo común en un complejo con determinadas proteínas. La cromatina es la forma en parte descondensada de los cromosomas eucariotas. Los nucleosomas son las unidades estructurales repetitivas de los cromosomas eucariotas, formados por la interacción del DNA con las histonas. Un gen es una secuencia de DNA que codifica un polipéptido o una molécula de RNA.

17.6

Los genomas de las procariotas son sustancialmente menores que los propios de las eucariotas. Por ejemplo, los genomas de E. coli y del ser humano tienen 4.6 y 30 Mb, respectivamente. Los genomas procariotas son compactos y continuos, es decir, hay pocas secuencias (o ninguna) de DNA no codificadoras. Por el contrario, el DNA eucariota contiene cantidades enormes de secuencias intrónicas. Otras características que distinguen el DNA procariota del eucariota son los ligamientos de los genes en operones en los procariotas y las secuencias interpuestas en los genes de los eucariotas.

17.7

La secuencia del DNA no codificante es 3′-CGTAAGCT-TAACGTCTGAGGACGTTAAGCCGTTA-5′; la secuencia del mRNA es 3′-CGUAAGCUUAACGUCUGAGGACGU-UAAGCCGUUA-5′. La secuencia del RNA no codificante es 3′-GCAUUCGAAUUGCAGACUCCUGCAAUUCGGCAAU-5′.

17.8

En el dogma central original, el flujo de la información genética va en una sola dirección, esto es, de las moléculas de DNA a las de RNA, que luego dirigen la síntesis de proteínas. El diagrama modificado indica que el genoma de RNA de algunos virus puede duplicar sus genomas de RNA (utilizando una actividad enzimática viral que se denomina RNA polimerasa dirigida por RNA) o experimentar una transcripción inversa (sintetizando DNA a partir de una secuencia de RNA).

PREGUNTAS DE REVISIÓN

1

1. mutación puntual: cambio en una sola base de nucleótido en una secuencia de DNA

2. mutación de transición: una mutación en el DNA que implica la sustitución de una base de purina por una purina distinta, o la sustitución de una pirimidina por otra pirimidina

3. mutación por transversión: un tipo de mutación en el que una pirimidina se sustituye por una purina y viceversa

4. mutación silente: una mutación puntual que no tiene efecto discernible en la función de un polipéptido

5. mutación de aminoácido: una mutación puntual que produce la sustitución de un aminoácido, lo que cambia la función de un polipéptido

2

1. reglas de Chargaff: un conjunto de reglas que describe la composición de bases del DNA; propone la igualdad de la concentración de adenina y timina, y la de citosina y guanina

2. experimento de Hershey-Chase: mediante el uso de la infección de E. coli con el bacteriófago T2, Hershey y Chase demostraron que el DNA transforma a las bacterias en productoras de virus

3. bacteriófago: un tipo de virus que infecta bacterias

4. experimento de Avery, MacLeod y McCarthy: demostró que el DNA es el agente transformador en el experimento de Griffith

5. experimento de Fred Griffith: se observó que un factor transformador de bacterias neumococos patógenos muertos por calor convertía neumococos no patógenos vivos en una cepa patogénica

9

Las moléculas de RNA difieren del DNA en lo siguiente: (1) el RNA contiene ribosa en lugar de desoxirribosa; (2) las bases nitrogenadas del RNA difieren de las del DNA (p. ej., el uracilo sustituye a la timina y varias bases del RNA tienen modificaciones químicas), y (3) a diferencia de la doble hélice del DNA, el RNA tiene una cadena.

12

Existen cerca de seis millones de pares de bases en una sola célula humana. Si se asume que hay 10¹⁴ células en el cuerpo, la longitud total del DNA del cuerpo humano es cercana a 2 × 10¹¹ km. Esta longitud calculada es casi 1 000 veces mayor que la distancia de la tierra al sol. (Nótese que 1 nm es 10^–9 m.)

15

La jerarquía de la estructura más pequeña a la más grande es: (d) par de bases nucleotídicas; (c) nucleosoma; (b), gen y (a) cromosoma.

19

Según la hipótesis del código de histona, el patrón de modificación de histona dentro de cada secuencia de DNA regula la expresión génica al servir como plataforma para los puentes de proteína que inhiben o facilitan la transcripción.

PREGUNTAS DE ANÁLISIS

21

Las muescas mayores y menores del DNA surgen porque los enlaces glucosídicos de las dos cadenas unidas por hidrógeno no son opuestos exactos entre sí.

23

El efecto de extracción electrónica del bromo incrementa la probabilidad de que el uracilo forme un enol. Este último imita el patrón de enlaces de hidrógeno de la citocina. De tal modo, esta base puede aparearse con guanina.

26

Las histonas protegen al DNA de la acción de las nucleasas.

32

EL DNA se degrada con el tiempo. Los fósiles antiguos tienen poco DNA intacto, si acaso, con el cual reconstruir los organismos. Además, aunque el DNA es crucial para la función de los organismos, sólo es el sistema operativo de los mismos. Sin acceso a un ejemplo vivo de tal ser vivo, sería imposible reconstruir la estructura fisiológica y las propiedades funcionales que son únicas a una especie.