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r Acidos nucleicos ESQUEMA 17 .1 ONA Es tru ct ura de l ONA na tur aleza de las mutacio n es Estruc tur a del ON A del J él rdín de Mende l a Wa t so n y C ri ck E st ructur a del ONA varia cion es sob re un tema Su perenrollami ento del ON A Cro moso m as y cromatin a Es tru c tur a de l geno ma 17.2 RNA RNA de tra nsfere ncia RNA ri bosoma l RNA me nsa j ero RNA 110 cod ificado r 17.3 VIRUS Ica que se requiere para r los procesos vitales está ificada en la estructura molecular DNA. En los organismos eucariotas mayoria del DNA está densamente paquetado en cromosomas piejos dentro del núcleo. 625

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r

Acidos nucleicos ESQUEMA

17.1 ONA

Estructura del ONA naturaleza de las mutaciones

Estructura del ONA del Jél rdín de Mende l a

Watson y Cri ck

Estructura del ONA variaciones sobre un tema

Su perenrollamiento del ONA

Cromosomas y cromatina

Estructura de l genoma

17.2 RNA

RNA de transferencia

RNA ri bosoma l

RNA mensajero

RNA 110 cod ificador

17.3 VIRUS

Ica que se requiere para r los procesos vitales está

ificada en la estructura molecular DNA. En los organismos eucariotas

mayoria del DNA está densamente paquetado en cromosomas

piejos dentro del núcleo.

625

626 CAPíTULO DIECISIETE Ácidosnucleicos

FIGURA 17 . 1

El primer modelo estructural completo del DNA

Cuando James Watson (izquierda) y Francis Crick descubrieron en 1953 la estructura del DNA utilizando los datos de Rosalind Franklin , eran estudiantes de investigación en el Laboratorio Henry Cavendish de la Universidad de Cambridge.

Sinopsis LA DETERMINACiÓN DE LA ESTRUCTURA DEL ÁCIDO DESOXIRRIBONUCLEICO POR

JAMES WATSON y FRANCIS CRICK EN LOS PRIMEROS AÑOS DE LA DÉCADA DE 1950 FUE

la culminación de una investigación que había comenzado casi un siglo antes. Las consecuencias de su fundamental trabajo se están desplegando mientras la información genética de diversos organismos, incluido el ser humano, se revela de

forma gradual. La estructura y el funcionamiento asombrosamente complejos del DNA y de su compañero, el RNA, continúan fascinando a los investigadores y a los

estudiantes.

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 humanas 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, no empezó hasta el siglo XIX.

Al comienzo del siglo XX, los científicos comenzaron 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. 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 secucncia de bases púricas y pirimídicas (véase la Figura 14.23). 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 uno de varios tipos de moléculas de RNA) y secuencias reguladoras que controlan la generación del producto génico. A la secuencia completa de bases de DNA de un organismo se le conoce como genoma. La síntesis de DNA, que se deno­mina replicación, implica el apareamjento complementario de las bases púri­cas y pirimídicas de las dos cadenas polinucIeotídicas que forman la hélice de DNA. El funcionamiento fisiológico y genético del DNA requiere la síntesis de copias relativamente libres de errores. En consecuencia, la mayoría de los organismos emplean varios mecanismos de reparaoión del DNA.

2. El mecanismo por el cual se descodifica la información genética y se utiliza para düigir 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 apareamiento complementario de las bases de los ribonucIeótidos 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 transcriben a partir del genoma de una célula.

3. Varios tipos de RNA participan directamente en la síntesis de las enzimas, de las proteínas estructurales y de otros polipéptidos necesarios para generar todas las demás biomoléculas que intervienen en el funcionamiento del orga­nismo. La secuencia de bases de cada RNA mensajero (mRNA) especifica la secuencia primaria de un polipéptido particular. Las moléculas de RNA ribo­somal (rRNA) son componentes de los ribosomas. Cada molécula de RNA de transferencia (tRNA) está unida de modo covalente a un aminoácido específi-

3.3 nm (33Á)

o H

o

(a)

i.--i ' 2.4 nm .

(24Á)

F IGURA 17. 2

Dos modelos de la estructura del DNA

o e en la cadena de éster-fosfato

e y N en las bases

O p

(b)

(a) La doble hélice del DNA se representa como una esca lera en espiral; ésta es la conformación propuesta originalmente por Watson y Crick y ahora conocida como DNA B. (Las propiedades estructurales de las tres formas de DNA pueden verse en el Cuadro 17.1 , más adelante.) Los lados de la escalera representan los esqueletos azúcar- fosfato. Los peldaños representan los pares de bases. (b) En el modelo espacial. los esqueletos azúcar-fosfato están representados por esferas coloreadas. Los pares de bases constan de disposiciones horizontales de esferas azul oscuro. Los surcos mayor y menor se crean al enrollarse las dos cadenas una alrededor de la otra.

Sinopsis 627

628 CAPíTULO DIECISIETE Ácidosnucleicos

Transcripción

Citoplasma

Rililonuc!eótidos

(a)

Traducción

Citoplasma RNA de transferencia

(b)

FIGURA 17 .3

Panorama general del flujo de información genética

La información genética contenida en el DNA es convertida en la secuencia lineal de aminoácidos de polipéptidos en un proceso en dos fases. Durante la trallscripción (a) , se sintetizan moléculas de RNA a partir de una cadena de DNA mediante apareamiento de bases complementarias entre las bases del DNA y las bases de moléculas de ribonucleósidos tri fosfatados libres. Durante la segunda fase, llamada traducción (b) , las moléculas de rnRNA se unen a ribosomas constituidos por rRNA y proteínas ribosomales. Complejos RNA de transferencia-aminoacilo colocan la carga de aminoácidos en el sitio catalítico del interior del ribosoma, en un proceso que implica el apareamiento de bases complementarias entre los tripletes de bases de mRNA llamados codones y tripletes de bases de tRNA llamados anticodones. Cuando los aminoácidos se colocan de manera correcta dentro del sitio catalítico, se forma un enlace peptídico. Después de que la molécula de mRNA se mueve respecto al ribosoma, un nuevo codón ingresa en el sitio catalítico de éste y aparea sus bases con las del anticodón apropiado en otro complejo aminoacilo-tRNA. Cuando un codón de terminación apropiado en el mRNA enU'a en el sitio catalítico, e l poÍipéptido recién formado se libera del ribosoma.

co y lo entrega al ribosoma para su incorporación en una cadena polipeptídica. La síntesis proteínica, llamada traducción (Fig. l7.3b), OCUlTe dentro de los ribosomas, las máquinas moleculares de ribonuc\eoproteínas 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 scñales 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, lla-mada dogma central: .

GA ----. RNA ----. Proteína

Este diagrama ilustra que la información genética codificada en las secuencias de bases de DNA fluye del DNA, una molécula que se replica a sí misma durante la división celular (como lo indica la flecha circular), al RNA, que especifica la estruc­tura primaria de las proteínas. Como se conc\pió 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 vírico para formar una copia de DNA. El DNA vírico se inserta entonces en un cromosoma del hospedador. Un ejemplo de tales virus es el VIH, que se expone en el recuadro Bioquímica en perspectiva titulado "Modos de vida" víricos (págs. 665 a 670).

El Capítulo 17 se centra en la estructura de los ácidos nuc\eicos. Comienza con una descripción de la estructura del DNA y las investigaciones que condujeron a su descubrimiento. A continuación se presenta una discusión 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 nuc\eico y proteínas) que son parásitos celulares. En el Capítulo 18 se consideran varios aspectos de la síntesis y de las funciones de los ácidos nuc\eicos (Le., replicación y transcripción del DNA). Las estrategias y las técnicas que se utilizan en general para aislar, purificar, caracterizar y manipular los ácidos nuc\eicos se describen en los recuadros Métodos bioquímicos de los Capítulos 17 y 18 (Métodos de investigación de los ácidos nuc\eicos, págs. 653 a 657, y Genómica, págs. 700 a 707) .

17.1 DNA El DNA está formado por dos cadenas polinuc\eotídicas enrolladas una alrededor de la otra para formar una uoble hélice uextrógira (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 desoxi­rribosa y fosfato. Los mononuc\eótidos están unidos mediante enlaces 3' ,5' -fosfo­diéster. Estos enlaces unen el grupo hidroxilo 5' de la desoxirribosa de un nuc\eótido con el grupo hidroxilo 3' del azúcar de otro nucleótido mediante un grupo fosfato

171 DNA 629

630 CA P íTU LO DIE C I SIETE Ácidos nucleicos

FIGURA 17.4

Estructura de una cadena de DNA

En cada cadena de DNA los residuos de desoxirribonuc\eótidos están conectados entre sí mediante enlaces 3' ,5 ' -fosfodiéster. La secuencia de la sección de la cadena que se representa en esta fig ura es S'-ATGC-3' .

FIGURA 17.5

Estructura del DNA

En este segmento corto de DNA se muestran las bases en color naranj a y los azúcares en color azu l. Cada par de bases se mantiene unido por dos o tres enlaces de hidrógeno. Las dos cadenas de polinucleótidos son anti paralelas . El orden de las bases de una cadena determina el orden de las bases de la otra debido al apareamiento de bases.

H H "-/

N

_ H-{Nti A

0=¡-OCH2 O O I~' N N H

0- H,C~N/H T

O H)lN~O O

o=t-o~c, O HJN~N/H G

0- \ ~R~ / H N N N

I O H

I H H "'-/ 0 = P - OCH2i O

Enlace I

H~ fosfodiéster 0-

extremo 3'

O Jl-l e I H N O

0=¡-OCQ2 O

0 -

3' OH

Bases extremo 5'

C ~O "",",,",,' "-P-O

0- .,,'.' G "'" / \--=-O~/ O ~O O

_ ~O IIIIIIIIIIII G O O 6 11111111111/

O~ I C IIIIIIIIIIII 0\ /-0 O P=O o» "nnnn,,~ / \ _

1111111111111 O O O O O O T A Azúcar

~~ G IIIIIIIIIIIII~ O l - O~/ ~IIIIII///III O _ ~ - _ Enlace

111////////// C \ 0p -_ -:' O P O fosfodiéster

O I

extremo 5' Enlace de hidrógeno extremo 3 '

¡----- ----1.08nm---------1

1--------1.08nm ---------1

Hidrógeno Oxígeno C'1 de la desoxirribosa

Nitrógeno Carbono

(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 aparea con la timina (una pirirnidina) (par AT) y (2) la purina guanina se aparea 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. Se han medido con precisión las dimensio­nes del DNA cristalino.

1. Una vuelta de la doble hélice abarca 3.3 nm y está formada por cerca de 10.3 pares de bases. (Los cambios de pH y de concentración salina afectan estos valores ligeramente.)

2. El diámetro de la doble hélice es de 2.4 nm. Obsérvese que el espacio interior de la doble hélice sólo es adecuado para el apareamiento de una purina y una pirimidina. El apareamiento de dos pirimidinas crearía un hueco, y dos puri­nas no embonarían en el espacio interior de la doble hélice.

3. La distancia entre los pares de bases adyacentes es de 0.33 nm. En la Figura 17.6 se presentan las dimensiones relativas de ambos tipos de pares de bases.

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 Jr entre las bases púricas y pirimídicas apiladas es relativamente no polar. El agrupa­miento de los componentes de las bases de los nuc1eótidos dentro de la doble hélice es un factor estabilizador en la macromolécula tridimensional debido a que minimiza sus interacciones con el agua, aumentando de esta forma la entropía global.

17.1 DNA 631

FIGURA 1 7.6

Estructura del DNA: dimensiones de los pares de bases AT y GC

Se forman dos enlaces de hidrógeno en cada par de bases AT y tres en cada par de bases Oc. Las dimensiones globales iguales de ambos tipos de pares de bases permiten la formación de conformaciones helicoidales idénticas de las dos cadenas de polinucleótidos.

632 CAPíTULO DIECISIETE Ácidos nucleicos

~C~O~N~C=EP~T~O~C=l~A=V=E ____ ~~~}~'~_~_"_~_' El DNA es una molécula rel ativamente estable formada por dos cadenas antiparalelas de poli­nucleótidos enrolladas una alrededor de la otra para formar una doble hélice dextrógira.

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 conecta.

3. Apilamiento de bases. Una vez que las cadenas polinucleotídicas antiparale­las se han acercado mediante apareamiento de bases, el apilamiento paralelo de las bases heterocíclicas casi planas estabiliza las moléculas debido al efecto acumulativo de las fuerzas débiles de van der Waals.

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 H?O. 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 H?O se unen a 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, es minimizada por los efectos protectores del agua sobre catio­nes divalentes como el Mg2+ y moléculas policatiónicas como las poliaminas y las histonas (véase la pág. 645).

Descríbase la forma en la que contribuyen las diferentes clases de interacciones no covalentes con la estabilidad de la estructura helicoidal del DNA.

PREGUNTA 17.2&;:';;:~f¡'IIII ·" ",

Cuando se calienta el DNA, se desnaturaliza, es decir, las cadenas se separan debido a que los enlaces de hidrógeno se rompen. Cuanto más alta sea la temperatura, mayor será el número de enlaces de hidrógeno que se rompen. Tras revisar la estructura del DNA, determínese cuál de las siguientes moléculas se desnaturalizará primero al aumentar la temperatura. Justifíquese la respuesta.

a. 5' -GCATTTCGGCGCGTTA-3'

3' -CGTAAAGCCGCGCAAT-5'

b. 5'-ATTGCGCTTATATGCT-3'

3'-TAACGCGAATATACGA-5'

Estructura del DNA: naturaleza de las mutaciones

El DNA está perfectamente adecuado para el almacenamiento de la información. Sin embargo, a pesar de sus diversas características estructurales estabilizadoras, el DNA es vulnerable a varias clases de fuerzas peljudiciales. Las colisiones de solventes, las fluctuaciones térmicas y otros procesos dañinos espontáneos pueden Oliginar mu­taciones, cambios permanentes en la secuencia de bases de las moléculas de DNA. Además, una extensa variedad de xenobióticos, tanto naturales como artificiales, alteran la estructura del DNA. A continuación se dan varios ejemplos de factores mutagénicos bien conocidos.

Como ya se ha descrito (Fig. 14.24), los cambios tautoméricos son alteraciones espontáneas de la estructura de las bases de los nucleótidos que interconvierten los grupos amino e imino y los grupos ceto y eno\. En general los cambios tautoméricos afectan poco a la estructura del DNA. Sin embargo, si se forman los tautómeros du­rante la replicación del DNA, pueden producirse apareamientos de bases 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 apareamiento, se produce una

H NH

/ HC-C /j '\

HC N \ / N-C

/ '\ A la desoxirribosa O

Citosina

H /

H-N N \ ~" / ~CH

!

~ C-C I

/j '\ N N C-

\C=j A la d~soxirribosa H

Adenina (amino)

H H NH •••••• .••. N N

/ '\ /~CH HC-C C-C I

/j '\ / '\ N HC N········· HN C- \

\ / \ / N-C C=N A la desoxirribosa

/ '\ H A la desoxirribosa O

Citosina Adenina (imino)

FIGURA 17.7

La desviación tautomérica produce una mutación por transición

Al experimentar la adenina una desviación tautomérica, su forma imino puede aparearse con la citosina. La transición se presenta en la segunda generación de la replicac ión de l DNA cuando la ·c itosi na se aparea con la guanina. De esta forma se sustituye un par de bases A-T por un par de bases G-c.

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. En una mutación por transición se sustituye una pirimidina por otra pirimidina, o una purina por otra purina. Las mutaciones por transición son mutaciones puntuales, cambios de la se­cuencia de bases del DNA que involucran a un solo par de bases. En el ejemplo que se describe, un par de bases AT es sustituido por un par de bases OC en la segunda generación de la replicación del DNA.

Varias reacciones hidrolíticas espontáneas también dañan al DNA. Por ejemplo, se ha calculado que todos los días se pierden varios miles de bases pú¡;cas del DNA de cada célula humana. En las reacciones de despurinación se rompe el enlace N­glucosilo entre una base púrica y la desoxirribosa. La protonación del N-3 y del N-7 de la guanina estimula la hidrólisis . Si los mecanismos de reparación no sustituyen el nucleótido de purina, se producirá una mutación puntual en el ciclo siguiente de replicación del DNA. De modo semejante, las bases pueden desaminarse de forma espontánea. Por ejemplo, el producto desaminado de la citosina se convie¡te en ura­cilo mediante un cambio tautomérico. Finalmente, lo que debería ser un par de bases CO 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 gamma) pueden alterar la estructura del DNA. Los niveles bajos de radiación pueden producir mutaciones ; los niveles elevados pueden ser letales. El daño que induce la radiación, producido por un mecanismo de radicales libres (bien por la extracción de átomos de hidrógeno o por la creación de ·OH y de otras ROS), incluye roturas de las cadenas, entrecruzamientos DNA-proteína (p. ej., a través de enlaces timina-tirosina), apertu­ras de los anillos y modificaciones de las bases. El radical hidroxilo, que se forma por la radiólisis del agua, así como el estrés oxidativo (Sección 10.3), dan lugar a roturas de las cadenas y a numerosas modificaciones de las bases (p. ej., timina glicol , 5-hi­droximetiluracilo y 8-hidroxiguanina).

17.1 DNA 633

634 C:APíTULO DIEC:ISIETE Ácidosnucleicos

FIGURA 17.8

Estructura de los dímeros de timina

Las timinas adyacentes forman dímeros con gran eficacia tras la absorción de luz Uv.

o O

?g~rH ~N/ O

HOH'C'CrH N O

H I I H H

Timina glicol 5-Hidroximetiluracilo 8-Hidroxiguanina

La concentración de 8-hidroxidesoxiguanosina (8-0HdG) en la orina se usa para me­dir la producción corporal de ROS. Por ejemplo, el tabaquismo causa un incremento en la excreción de 8-0HdG hasta de 50 por ciento.

Los productos más comunes que induce la radiación UV son los dímeros de piri­midina (timina) (Fig. 17.8). La distorsión de la hélice que resulta de la formación del . dímero obstaculiza la síntesis de DNA.

5' 3'

H O

1 11

/N-HC" O=C I N C¿jC_C

t" ~~;:~'O

H O butano

1 11 N-C

" O=C N ;C-C/

CH3 1

H

3' 5'

Un gran número de xenobióticos puede dañar al DNA. De estas moléculas, las más importantes pertenecen a las clases siguientes:

1. Análogos de las bases. Debido a que sus estructuras son semejantes a las de las bases nucleotídicas normales, los análogos de las bases pueden incorpo­rarse al DNA. Por ejemplo, la cafeína es un análogo de la base timina. Debido a que puede aparearse con la guanina, la incorporación de cafeína puede pro­ducir una mutación por transición .

2. Agentes alquilantes. La alquilación es un proceso en el que las sustancias electrófilas ("ávidas de electrones") atacan a las moléculas que poseen un par de electrones sin compartir. Cuando los electrófilos reaccionan con estas mo­léculas, por lo general añaden grupos alquilo que contienen carbono. La ade­ni na y la guanina son muy susceptibles a la alquilación, aunque la timina y la citosina también pueden ser afectadas. Las bases alquiladas con frecuencia se aparean de forma incorrecta (p. ej., la metilguanina se aparea 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. (En una mutación por transversión, otra clase de mutación puntual, una pirimidina se sustituye por una purina o viceversa.) Las alquilaciones también pueden promover la formación de un laulómero, que puede dar lugar a mutaciones de transición. Entre los agentes alquilantes se encuentran el dimetilsulfato y la dimetilnitro­samina. La mitomicina C es un agente alquilante con doble función . Puede impedir la síntesis de DNA entrecruzando las bases de guanina. Los mecanis­mos de reparación del DNA (Sección 18.1) por lo general eliminan el anillo de la base anormal antes de la replicación, lo que reduce la frecuencia de las mutaciones.

(a)

3. Agentes no alquilantes. La estructura del DNA puede modificarse por di­versas sustancias químicas además de los agentes alquilantes. El ácido ni­troso (HNO?), que procede de las nitrosaminas y del nitrito sódico (NaNO?), desamina las bases. (Tanto las nitrosaminas como el NaN02 se encuentran en carnes procesadas y en cualquier embutido preservado con sal de encurtir hecho con nitrito.) El HN0

2 convierte la adenina, la guanina y la citosina en

hipoxantina, xantina y uracilo, respectivamente. Los hidrocarburos aromáti­cos policíclicos son también mutagénicos (p. ej., el benzo[a]pireno que se en­cuentra en el humo del cigarro, también una fuente de nitrosaminas). Una vez consumidas, estas moléculas pueden convertirse en derivados muy reactivos mediante reacciones de biotransformación como las que cataliza el citocromo P450' Los derivados reactivos pueden después formar aductos de la mayoría de las bases. El daño se produce en primera instancia debido a que esta modifica­ción química impide el apareamiento de bases.

4. Agentes intercaladores. Determinadas moléculas planas pueden distorsionar al DNA al insertarse (intercalarse) entre los pares de bases apilados de la doble hélice (Fig. 17.9). Bien se eliminan pares de bases adyacentes o se insertan pares de bases nuevos. Si no se cOlTigen, las eliminaciones o las adiciones pro­ducen las llamadas mutaciones por desplazamiento del marco de lectura (se describen en el Capítulo 19). Además, los cromosomas pueden romperse. Los colorantes de acridina son ejemplos de agentes intercaladores. La quinacrina es un colorante de acridina que se utiliza para tratar el paludismo y las tenias intestinales.

Anaranjado de acridina

Acridina

(b)

¿Cómo afectan cada una de las sustancias o condiciones siguientes a la estructura del DNA?

a. etanol, b. calor, c. dimetilsulfato, d. ácido nitroso y e. quinacrina.

17.1 DNA 635

~CO-=--N,-,,-C=E=-=-P--,-T-=--O ~C=lA-,,~V,-=E _ _ €)?' .~ El DNA es vu lnerable a determinados tipos de fuerzas perjudiciales que pueden provocar mutaciones, cambios permanentes de su secuencia de bases.

FIGURA 17 .9

Agente intercalador

Un agente intercalador es una molécula plana capaz de insertarse entre pares de bases del DNA. El agente intercalador anaranjado de acridina (a) , un colorante acridínico, se inserta entre dos pares de bases adyacentes (b) e interfiere en la replicación del DNA. Cuando e l anaranjado de acridina está unido al DNA, la radiación UV induce una fluorescencia verde. (Véase en la Secc. 13.2 una descripción de la fluorescencia.)

636 CAPíTULO DIECISIETE Ácidosnucleicos

Considérese cada uno de los compuestos siguientes. ¿A qué clase de xenobióticos per­judiciales para el DNA pertenecen?

H'Cl~) O N N

I CH 3

Cafeína Benzo[a]pireno Cloruro etílico

La acumulación de daño oxidativo en el DNA parece ser la causa principal del en­vejecimiento de los mamíferos. Los animales que tienen tasas metabólicas elevadas (Le., que emplean grandes cantidades de oxígeno) o que eliminan grandes cantidades de bases modificadas en la orina, en general tienen vidas más cortas. La eliminación de cantidades relativamente grandes de bases oxidadas indica una reducción de la capacidad de impedir el daño oxidativo. A pesar de las pruebas sustanciales de que los radicales de oxígeno dañan al DNA, aún no es claro cuáles son los radicales que producen el daño. Además del radical hidroxilo, sugiéranse otros posibles cul­pables. Algunos tejidos soportan un mayor daño oxidativo que otros. Por ejemplo, se piensa que el cerebro humano sufre un mayor daño oxidativo que el resto de los teji­dos durante un lapso promedio de vida. Sugiéranse dos razones para este fenómeno.

Estructura del DNA: del jardín de Mendel a Watson y Crick

Según la perspectiva vigente, la estructura del DNA es elegante y obvia. El DNA es en la actualidad un Ícono cultural, un sinónimo del concepto de almacenamiento y recuperación de la información. La estructura correcta del DNA la propusieron en 1953 James Watson y Francis Crick. La investigación que condujo a este notable descubrimiento es instructiva por diversas razones. En primer lugar, como sucede con frecuencia en la investigación científica, el camino hacia la elucidación de la es­tructura del DNA fue largo, frustrante y tortuoso. Los seres vivos son tan complejos que es extraordinariamente difícil discernir cualquier aspecto de su función. Se añade a este obstáculo la propensión de los científicos (y otros seres humanos) a rechazar o ignorar la información nueva que no se ajusta con comodidad con las ideologías populares del momento. Este último problema tal vez sea inevitable, debido a que el método científico requiere un determinado grado de escepticismo. (Por ejemplo, ¿cómo se distingue entre conceptos innovadores no comprobados e ideas equivoca­das?) Sin embargo, el escepticismo puede confundirse a menudo con una adhesión poco imaginativa a la situación actual. Albert Szent-Gyorgyi (Premio Nobel de fisio­logía o medicina, 1937), quien identificó el ácido ascórbico como la vitamina C y realizó contribuciones significativas para elucidar el proceso de la contracción mus­cular y el ciclo del ácido cítrico, señaló en un momento: "El descubrimiento consiste en ver lo que todo el mundo ha visto y pensar lo que nadie ha pensado."

Una segunda razón más concreta para la duración del proceso de descubrimiento es que el desarrollo de nuevos conceptos con frecuencia requiere la integración de la información de varias disciplinas científicas. Por ejemplo, el modelo del DNA se basó en descubrimientos de biología descriptiva y experimental, genética, química orgánica y física. Los avances científicos significativos los hacen con frecuencia per­sonas imaginativas y afanosas que tienen la buena suerte de trabajar cuando se dispo­ne de información y de tecnología suficientes para resolver los problemas científicos

que les interesan. Los investigadores de esta clase con más talento suelen ayudar a crear nuevas tecnologías.

La revolución científica que finalmente condujo al modelo del DNA comenzó en la tranquilidad del jardín de la abadía de un oscuro monje austriaco que se llamaba Gregor Mendel. Él descubrió las reglas básicas de la herencia cultivando guisantes. En 1865, Mendel publicó los resultados de sus experimentos de reproducción en el Journal 01 the Brunn Natural History Society . Aunque envió copias de esta publica­ción a biólogos eminentes de toda Europa, su trabajo fue ignorado hasta 1900. En ese año, varios botánicos de forma independiente redescubrieron la publicación de Mendel y se dieron cuenta de su importancia. Este largo retraso se debió en parte a la naturaleza descriptiva de la biología del siglo XIX; pocos biólogos estaban familiari­zados con las matemáticas que Mendel utilizó para analizar sus datos. En 1900, mu­chos biólogos no sólo tenían conocimientos de matemáticas, sino también un marco de referencia proporcionado por los principios de Mendel, debido a que muchos de los detalles de la meiosis, de la mitosis y de la fertilización ya eran de conocimiento público.

Asombrosamente, se estaba investigando casi al mismo tiempo la sustancia que constituía las unidades de la herencia a las que Mendel se refería en su trabajo. El descubrimiento de la "nucleína", que posteriormente se denominó ácido nucleico, lo realizó Friedrich Miescher, un patólogo suizo, en 1869. Trabajando con los núcleos de las células purulentas, Miescher extrajo la nucleína y descubrió que era ácida y que contenía una gran cantidad de fosfato. (Aunque Joseph Lister publicó en 1867 sus descubrimientos sobre la cirugía antiséptica, los hospitales continuaron siendo una fuente abundante de secreciones purulentas durante los años siguientes.) De modo interesante, Miescher creyó (erróneamente) que la nucleína era un compuesto de almacenamiento de fosfato.

La composición química del DNA la determinaron en gran medida Albrecht Kos­sel, entre 1882 y 1897, Y P.A. Levene, en la década de 1920 cuando se descubrieron las técnicas analíticas adecuadas. Por desgracia, Levene creyó erróneamente que el DNA era una molécula pequeña y sencilla en términos relativos. Su concepto, que se denominó hipótesis del tetranucleótido, retrasó de manera significativa más investi­gaciones del DNA. En su lugar, las proteínas (los otros componentes principales de los núcleos) se consideraban como los posibles transportadores de la información genética. (A finales del siglo XIX se aceptaba en general que el núcleo contenía la información genética.)

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 mortal de neu­monía en Gran Bretaña, Fred Griffith realizó una serie notable de experimentos con dos cepas de neumococos (Fig. 17.10). Una cepa bacteriana, que se denomi­naba la forma lisa (o de tipo S) debido a que 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 ais ló 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 uebido a que su muestra ue 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.)

171 DNA 637

638 CAPíTULO DIECISIETE Ácidosnucleicos

Tipo R (no virulento)

+

No se recuperan bacterias

FIGURA 17. 10

Experimento de Fred Griffith

Tipo S (virulento pero

atenuado por calor)

+

No se recuperan bacterias

Tipo R

+

Tipo S (atenuado por calor)

+

Se recupera el tipo S, virulento

En el experimento de Griffith , una mezcla de neumococos R no virulentos y neumococos S virulentos atenuados por calor causó la muerte de los ratones. De éstos se recuperaron neumococos S virulentos.

Otro experimento que confirmó que el DNA es el material genético lo realizaron Alfred Hershey y Martha Chase en 1952 (Fig. 17.11). Utilizando el bacteriófago T2, estos investigadores demostraron las funciones independientes del ácidu nucleico y de las proteínas del virus. (Los baeteriófagos, que también se denominanfagos, son un tipo de virus que infectan a las bacterias.) Cuando el fago T2 infecta una célula de Eseheriehia eoli, obliga a la bacteria a sintetizar varios cientos de virus nuevos. A los 30 minutos de la infección la célula muere al romperse, liberando la progenie vírica. 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 víricas 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 vírica 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 ofTeehnology), 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.

.17.'1 DNA 639

+ Virus marcado con 32p y 358

+

E. coli cultivada en 32p y 358

te E. coli no marcada

Trituradora.

Virus marcados con 32p y 358

• Lisis

32p

(a) (b) (e)

FIGURA 17 . 11

Experimento de Hershey y Chase

(a) Se preparó un fago radiomareado inoculando el virus en cultivos bacterianos que contenían los radioisótopos. (b) Cuando el fago marcado infectó bacterias no marcadas, sólo el DNA del fago marcado se detectó en las bacterias. Parte de la etiqueta 32p se localiza en la progenie vírica. (e) Imagen del bacteriófago T4 en el momento de lisar una célula de E. coli.

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 vmiedad 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. 17.12) 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.

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

640 CAPíTULO DIECISIETE Ácidosnucleicos

FIGURA 17 .12

Estudio de difracción de rayos X de DNA hecho por Rosalind Franklin y R. Gosling

Obsérvese la simetría del patrón de di fracción de rayos X.

-'-CO-'--N_C_E_P_T_O--'C_lA_V_E __ ...... Oe'" ~.~ El modelo de la estructura del DNA propuesto en 1953 por James Watson y Francis Crick se basaba en información procedente de los esfuerzos de muchas personas.

Estructura del ONA: 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 CI-N giran. (Recuérdese 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. 17.13 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 10.4 bp que se observan en la forma B . Cada vuelta de la doble hélice se produ­ce en 2 .5 nm, en lugar de en 3.3 nm, y el diámetro de la molécula se expande a cerca de 2.6 nm, a diferencia de los 2.4 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 "zig-zag") se diferencia en gran medida de la forma B. El DNA Z (D = 1.8 nm), que es conside­rablemente más angosto que el DNA B (D = 2.4 nm), está enrollado en una espiral levógira que tiene 12 bp por vuelta. Cada vuelta del DNA Z se produce en 4.5 nm, en comparación con los 3.3 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 (que se discute en la pág. 642) estabilizan la forma Z. Además, se ha observado que se forman segmentos cortos como consecuencia de la tensión de torsión durante la transcripción.

Forma A

F IGURA 17. 13

DNA A,DNA By DNA Z

Forma B Forma Z

Como el DNA es una molécula flexible, puede adoptar diferentes configuraciones, dependiendo de su secuencia de pares de bases y/o de las condiciones en que se realice su aislamiento. Cada forma molecular de la figura posee el mismo número de pares de bases. En el Cuadro 17.1 se exponen las dimensiones de estas tres estructuras de DNA .

CUADRO 17 .1 Propiedades estructurales seleccionadas de los DNA B, A Y Z

Diámetro de la hélice

Pares de bases por vuel ta de hélice

Ascenso de la hélice por par de bases

Rotación de la hélice

DNA B (estructura de Watson-Crick)

2.4nm

/O

3.3Á

Dextrógira

DNAA

2.6 nm

11

2.3Á

Dextrógira

DNAZ

1.8nm

12

3.8Á

Levógira

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 delante 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. En uno de los mecanismos que se han propuesto, la formación de las disposiciones cruciformes comienza con una pequeña burbuja, o estructura protocruciforme, y con­tinúa a medida que se generan apareamientos intracatenarios de bases.

17.1 DNA 641

642 CAPÍTU LO 01 ECISI ETE Ácidos nucleicos

-------ATATCGACTCCGATAT-------

1 1 1 1 1 11 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1

-------TATAGCTGAGGCTATA-------

C- T I \

A C \ / G- C C- G T-A A-T T- A A- T

----~) ~

--~\ ,--­T-A A- T T- A A-T G-C C- G I \

T G

'G ) _ A

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 cOlte 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 significativo alrededor de proteínas asociadas requiere un superenrollamiento.

Superenrollamiento del ONA En la actualidad se sabe que el superenrollamiento del DNA, que en un tiempo se consideró como un artefacto de las técnicas de extracción del DNA, facilita diversos procesos biológicos. Entre los ejemplos se encuentran el empaquetamiento compac­to, la replicación y la transcripción del DNA (Capítulo 18). Debido a que el super­enrollaDÚento 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, estos se sellan para formar un círculo desplegado (Fig. 17.l4a). 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 .14b. Cuando esta molécula enrollada se vuelve a depositar sobre la superficie plana, gira para eliminar el enrollamiento.

Cuando el DNA está laxo, gira a la derecha para aliviar la tensión y se produce un superenrollamiento negativo. En la naturaleza, la mayoría de las moléculas de DNA exhiben superenrollamiento negativo. Cada una gira sobre sí misma para for­mar un superenrollamiento entrelazado (Fig. 17.15). Mientras una molécula de DNA se encuentra en esta conformación, contiene energía potencial en forma de fuerza de torsión (el impulso que tiende a causar rotación) . A su vez, la energía almacenada facilita la separación de las cadenas durante procesos como la replicación y la trans­cripción del DNA (Fig. 17.16). El DNA sobregirado da vuelta a la izquierda para liberar el esfuerzo y sufre 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. Son eliminados por enzimas llama­das topoisomerasas (p. ej. , la girasa de DNA en E. coli) , que realizan cortes reversi­bles los cuales permiten que los segmentos de DNA superenrollados se desenrollen.

Cromosomas y cromatina El DNA, que contiene los genes (las unidades de la herencia) , 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

5' 3' 3' 5'

IXl~~~~-Molécula de DNA lineal de doble cadena Molécula de DNA circular

(a)

(b)

(a) (b)

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 eucariota'i son muy diferentes .

17.1 DNA 643

FIGURA 17.14

DNA lineal, DNA circular y enrollamiento del DNA

(a) Formación de una molécula relajada de DNA. (b) Cuando una molécula relajada se tuerce, vuelve a su estructura plana una vez que se ha liberado.

FIGURA 17. 1 5

Superenrollamientos

Los superenrollamientos se producen en dos formas principales: (a) toroidal y (b) entrelazada.

644 [:;APíTULO DIE[:;ISIETE Ácidosnucleicos

(a) DNA relajado

FIGURA 17. 16

Girasa +

ATP

(b) DNA superenrollado laxo (e) DNA tensionado laxo

Efecto de la tensión sobre una molécula circular de DNA

Cuando una molécula de ONA con superenrollamiento negativo es forzada a yacer en un plano, se reintroduce la tensión aliviada por la formación del superenrollamiento negativo. La rotura y la nueva formación de los enlaces fosfodi éster permiten la conversión de una forma circular rel ajada (a) en la forma superenrollada negativamente (b). El alivio de la tensión que produce el proceso de superenrollamiento se reintroduce cuando la molécula laxa se fuerza a descansar en un plano (e) .

PROCARIOTAS En los procariotas, como E. eoli, un cromosoma es una molécula de DNA circular que está enlazada y emollada de forma que puede comprimirse en un espacio relativamente pequeño (1 ¡,Lm X 2 ¡,Lm). No obstante, debe accederse de forma fácil a la información de esta molécula muy condensada. El cromosoma de E. eoli (que tiene una circunferencia de 1.6 ¡,Lm) 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.

+ + + H3N-CH2-CH2-CH2-CH2-NH2-CH2-CH2-CH2-NH3

Espermidina

+ + + + H3N-CH2-CH2-CH2-NH2-CH2-CH2-CH2-CH2-NH2-CH2-CH2-CH2-NH3

Espermina

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 prckariotas, 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 3000 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 6600 millones de bp.

Cada cromosoma eucariótico consta de una sola molécula lineal de DNA que for­ma un complejo con histonas para originar las nucleohistonas. Se emplea el término cromatina para describir el complejo formado por DNA e histonas. También se unen a la cromatina varios tipos de proteínas que no son histonas. Algunos ejemplos son las enzimas que participan en la replicación y en la reparación del DNA, y una gran cantidad de factores de transcripción de diferentes tipos.

Las histonas son un grupo de proteínas básicas pequeñas que se encuentran en todos los organismos eucariotas. La unión de las histonas al DNA da lugar a la for­mación de nucleosomas, que son las unidades estructurales de los cromosomas eu­cariotas. Las histonas, que son de cinco clases principales (Hl, 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. 17.9a) contiene una característica estructural en común llamada pliegue de histona: tres hélices a 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

oH42 (Fig. 17.19b). El ensamblaje del nucleosoma comienza

17.1 DNA 645

FIGURA 17.17

Cromosoma de E. coli

El cromosoma circular de E. coli forma un complejo con un núcleo proteínico. Debido a que el cromosoma (3 X 106 bp) está superenrollado, el cromosoma completo sólo mide 2 ¡.lm. La unión de cada uno de los lazos de DNA al núcleo proteínico puede impedir que se desenrede el cromosoma completo superenrollado cuando se rompe una cadena .

e .... 8 e • ti. .. ., FIGURA 17. 18

Micrografía electrónica de cromatina

Una muestra de cromatina extendida para la micrografía electrónica. Nótese la estructura de "cuentas en un collar" de este material que contiene DNA.

COMPAN10N

9N. Visítese el sitio de Internet de apoyo en www.ouo.comlus/mckee. para consultar el recuadro Bioquímica en perspectiva titulado Epigenética y epigenoma: herencia genética más allá de las secuencias de bases de DNA.

646 CAPÍTULO DIECISIETE Ácidos nucleicos

Cola terminal N Pliegue de histona Ii

H2A N =====~~) __ ~ __ ~ C'

H2B N ==========~L :~ C

(a)

(b)

e

Dímero H2A·H28 Tetrámero H3·H4

(e)

e

N

N

N

FIGURA 17.19

Histonas centrales

Cada nucleosoma contiene ocho histonas: dos de cada una de H2A, H2B , H3 Y H4. Cada una de estas moléculas contiene un dominio globular llamado pliegue de histona y un largo dominio terminal N no estructurado. (a) Estos dominios se ilustran como moléculas lineales con cilindros que representan hélices 0. . (b) La formación del núcleo de histonas comienza con la unión de H2A y de H2B , para crear un dímero, y dos moléculas de H3 y dos de H4 se combinan para formar un tetrámero. El tetrámero H32·H42 se une entonces al DNA. La estructura del nucleosoma se completa (c) cuando dos dímeros H2A·H2B se unen al tetrámero,

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 Hl se une al nucleosoma en el punto en que el DNA entra y sale, y actúa como una pinza que impide el desenroUamiento del nucleosoma (Fig. 17.20). Alrededor de 145 bp están en contacto con cada octámero de histonas. Un tramo adicional de 60 bp de DNA de enlace conecta nucleosomas adyacentes.

cromosoma

~~'--- Cromatina

Fibra condensada (30 nm de diámetro)

Andamiaje de proteínas histonas

DNAde enlace

I Nucleosoma (11 nm de diámetro)

L

FIG URA 17.21

Cromatina

~...,----DNA (2 nm) de diámetro

La cromatina nuclear contiene muchos niveles de estructura enrollada.

17.1 DNA 647

H1 unida

F IGURA 17.20

Histona HI

La unión de HI a dos sitios diferentes en el DNA del nucleosoma estabiliza el enrollamiento del DNA alrededor del octámero de histonas.

648 CAPíTULO DIECISIETE Acidosnucleicos

FIGURA 17.22

Cromatina

En una estructura propuesta del ti lamento de 200 nm, la fibra de 30 nm forma un lazo y

se une a un andamiaje nuclear formado por proteínas.

CONCEPTOS CLAVE

• Cada cromosoma procariota consta de una molécula circular de DNA superenrolla­do que forma un complejo con un núcleo proteínico .

• Cada cromosoma eucariota consta de una

so la molécula de DNA lineal que forma complejos con las histonas para formar una nucleohistona.

Como preparativo para la división celular, la cromatina se compacta (unas 10000 veces) para formar cromosomas. Los nucleosomas se enrollan en una estructura de or­den superior que se denominafibra 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 indivi­dua\. Otras porciones de heterocromatina difieren en un patrón específico de 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, que pueden reproducirse mediante fisión binaria, requieren también una contribución sustancial de proteínas y de otras moléculas que son 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 a que se cree que las mitocondrias y los cloroplastos descienden de las bacterias de vida libre, no es sorprendente que sean susceptibles a las acciones de los antibióticos (p. ej., el cloranfenicol y la eritromicina) si sus con­centraciones son suficientemente elevadas. Muchas de estas moléculas se usan (o se han utilizado) en la práctica clínica debido a que inhiben algún aspecto de la función del genoma bacteriano.

~Ii~ig~. Compárense las características estructurales que diferencian al DNA B del DNA A y del DNA Z. ¿Qué se sabe sobre las propiedades funcionales de estas variantes del DNA B, la estructura de Watson-Crick?

¿Cuáles son los componentes proteínicos más importantes de los cromosomas de las células procariotas y de las eucariotas? ¿Cuáles son sus funciones?

Explíquense las relaciones jerárquicas entre los componentes siguientes: genomas, genes , nucleosomas , cromosomas y cromatina.

Descríbanse las pruebas que utilizaron James Watson y Francis Crick para construir su modelo de la estructura del DNA.

Estructura del genoma

El gen ama de cada ser vivo es el conjunto completo de instrucciones hereditarias que se requieren para sustentar todos los procesos vitales, es decir, el sistema ope­rativo del organismo. Cada gen ama contiene los genes, las unidades de la herencia que determinan la estructura primaria de los productos génicos (polipéptidos y mo­léculas de RNA). Los geno mas se diferencian en cuanto a su tamaño, su forma y la complejidad de su secuencia. El tamaño genómico -el número de nucleótidos apareados, 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 10 10 bp en determinadas plantas. La mayoría de los genomas procariotas son más pequeños que los eucariotas. A diferencia de los genomas procariotas, que suelen con.star 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 codificac;ión mucho mayor del DNA de los últimos. De manera sorprendente, la mayoría de las secuencias eucariotas no codifican productos génicos. Por esta razón, cada tipo de genoma se considerará por separado. En la Figura 17.23 se comparan segmentos cortos de los genomas de varios eucariotas con el de E. eolio

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

1. Tamaño del genoma. Como se ha descrito, la mayoría de los genomas pro­cariotas son relativamente pequeños, con un número de genes mucho menor que el de los eucariotas. El cromosoma de E. eoli contiene unas 4.6 megabases (Mb) que codifican alrededor de 4300 genes. (Una Mb es 1 X 106 bases.)

2. Capacidad codificadora. 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 codificadora.

(a) Ser humano

V28 V29-1 TRY4 TRY5

pm~ ~UBID l l ¡¡;m i [J~~ A"I,!JI 11

i i ~ g~ ~D ~ i D l !fJ!)Q 1 ~ I f!;» i i O 10 20 30 40 50

(b) Saccharomyces cerevisiae (levadura)

O 10 20 30 40 50

(e) Zea mays (maíz) Adh1-F .1 I ' I "'!., · I~' i ;~!liM¡

O 10 20 30 40 50

(d) Escherichia coli

O 10 20 30 40 50

CLAVE

Gen 11 Intrón [1 Seudogén humano [1 Repetición en todo [TI Gen de tRNA el genoma

171 DNA 649

FIGURA 17.23

Comparación de segmentos de 50 kb de los genomas de algunos organismos eucariotas con el genoma del procaI"iota E. coli

Como se indica, los genomas de organismos como (a) el ser humano. (b) SacchaIV1I7yces cere,úiae. (e) el maíz, y (d) E. coli pueden variar considerablemente en cuanto a su complejidad y a sus densidad de genes. Los genes se indican con letras y/o con números. El ser humano y otros eucariotas complejos tienen genes interrumpidos por intrones y secuencias no funcionales denominadas seudogenes, que se asemejan a los verdaderos genes. Obsérvese también que las bacterias tienen menos repeticiones repartidas por el genoma (segmentos repetitivos no codificadores) , si es que tienen alguna.

650 CAPíTULO DIECISIETE Ácidosnucleicos

3. Expresión génica. La regulación de muchos genes con funciones relaciona_ das 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. eoli están organizados en operones.

Recuérdese que los procariotas también suelen poseer pequeñas piezas adicionales de DNA (véase la pág. 42) llamadas plásmidos, que son en general circulares, aunque no siempre. Los plásmidos de forma habitual tienen genes que no están presentes en el cromosoma principal. Aunque estos genes por lo general no son esenciales para el crecimiento y la supervivencia de la bacteria, pueden codificar biomoléculas que pro­porcionan a la célula una ventaja de crecimiento o supervivenci a: resistencia a antibió­ticos, capacidades metabólicas singulares (p. ej ., fijación de nitrógeno y degradación de fuentes de energía únicas como los compuestos aromáticos) o virulencia (p. ej ., toxinas u otros facto res que debilitan 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 eucari otas 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, recuérdese que el genoma haploide del ser humano tiene 3200 Mb. Los genomas de los guisantes y de la salamandra tienen 5000 Mb Y 90 000 Mb, en tal orden.

2. Capacidad codificadora. Aunque existe una enorme capacidad codificadora, la mayoría de las secuencias de DNA de los eucariotas no parecen tener fun­ciones de codificación; es decir, no tienen regiones reguladoras intactas que inicien la transcripción (la producción de transcritos de RNA). Aún se des­conocen las funciones de estas secuencias no codificadoras; es probable que algunas de e ll as tengan funciones reguladoras o estructurales. Se ha calculado que no más del 1.5% del genoma humano codifica proteínas.

3. Continuidad codificadora. La mayoría de los genes eucariotas investigados hasta el momento son discontinuos. Las secuencias no codificadoras (que se denominan intrones o secuencias intercaladas) están entremezcladas entre las secuencias denominadas exones (secuencias que se expresan), que codifican un producto génico (cualquiera de las diversas moléculas de RNA, algunas de las cuales dictan la traducción de proteínas) . 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 (pág. 722), es posible unir varias combinaciones de exones para formar diversos mRNA. Por ejemplo, las reestructurac iones 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 multinac ionales que determinan las secuencias genómicas completas de organismos selecc ionados) es el descubrimiento de que los genes constituyen una proporción pequeña de los genomas de los eucariotas. La mayoría de las secuen­cias de DNA de estos organismos son no codificadoras; es decir, no especifican las estructuras primarias de polipéptidos o de moléculas de RNA. Las secuencias in­tergénicas, o sea las que no codifican productos génicos, a menudo se les ll amaba "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 discusión se concentra en secuencias de DNA de los tipos que existen en el genoma humano.

De las -3200 Mb del genoma humano, cerca del 38% son genes y secuencias relacionadas (Fig. 17.24). La porción de estas secuencias que codifica productos gé-

Genes y secuencias relacionadas: 38%

Única

o'",~ _ ~,ú~ ,~,e" Otras ~·~e

'" ... regiones 15% ... intergénicas:

(96%) Secuencias relacionadas

0:.,30%7 / , ' , "

(Fragmentos génicos \, / y seudogenes)

Repeticiones en todo el genoma

DNA intergénico: 62%

nicos (polipéptidos y moléculas de RNA funcionales) es de un 4%. Según distintas estimaciones hay entre 25 000 Y 40 000 genes humanos. (Nótese que este amplio intervalo de valores estimados es el resultado de usar diferentes algoritmos en el aná­lisis de las secuencias genómicas. Un algoritmo es un conjunto de reglas que sigue un programa de cómputo diseñado para identificar determinados patrones de secuencia del DNA.) Del número total de genes identificados, menos de 2500 codifican mo­léculas de RNA; el resto codifica proteínas. Las funciones de casi un cuarto de los genes codificadores de proteínas conocidos (Fig. 17.25) 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 (i.e., 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). Entre las secuencias génicas relacionadas se incluyen los seudogenes (copias de genes no fun­cionales y desactivadas) y fragmentos génicos.

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 (véase el recuadro Métodos bioquí­mjcos titulado Métodos de investigación de los ácidos nucleicos, págs. 653 a 657). Las longitudes de las secuencias repetidas varían desde menos de 10 bp hasta más de 2000 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 codificadoras esenciales tras una ronda de replicación del DNA). Dos

17.1 DNA 651

FIGURA 17.24

Genoma humano

La mayoría de las secuencias de DNA del genoma humano no codifican productos génicos. Cerca del 62% de estas secuencias son DNA intergénico, que a su vez puede dividirse en repeticiones entremezcladas ampliamente en el genoma, microsatélites y otras regiones intergénicas. En el ser humano, 38% de las secuencias son genes y otras secuencias re lacionadas, de las cuales só lo 4% codifican productos génicos. Las secuencias re lac ionadas con genes representan el resto.

Expresión, replicación y mantenimiento del genoma

Otras actividades diversas

FIGURA 17.25

Funciones bioquímicas

generales de la célula

Genes que codifican proteínas humanas

Clasificaciones de genes codificadores de proteínas conocidos. Se ha calculado que hasta la fecha se desconocen las funciones de 13 000 de los 30 000 genes posibles.

652 CA P ÍTU LO DIE C I SIETE Ácidos nucleicos

~CO-=-:N,-,,-C=-=E:c..P-.C...T-=-OS~CL=-A=V-=-E __ €»' -, '---• En el genoma de cada organismo. la informa­

ción que se requiere para dirigir los procesos vita les se organiza de forma que pueda alma­cenarse y utilizarse de forma eficiente.

• Los genomas de diferentes tipos de organis­mos se diferencian en su tamaño y en sus niveles de complejidad.

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 una a cuatro bp que se repite en tándem de lOa 100 veces. Se desconoce la mayor parte de las funciones de estas secuencias repetitivas. Debido a su gran número en los genomas y a su naturaleza pleomórfica (Le., que varían en cada organismo individual), los minisatélites y los microsatélites se utilizan como marcadores en el di agnóstico de enfermedades genéticas y en las investigaciones forenses (véase el recuadro Bioquímica en perspectiva titulado In­vestigaciones forenses, págs. 658 a 659).

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 son el resultado de eventos de transposición (Secc. 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, que se denominan 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 retroposones con longitudes de más de 5 kb se denominan LINE (elemen­tos nucleares entremezclados largos) . Las secuencias UNE contienen un promotor (una secuencia de bases en flujo ascendente de un gen, necesaria para el inicio de la transcripción) fuel1e, una secuencia de integración (una secuencia de bases necesaria para la integración en otra molécula de DNA) y las secuencias codificadoras para las enzimas de transposición. Los UNE 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 1200 mutaciones es resultado de la inserción de un UNE. Un ejemplo es la hemofilia A (un trastorno de la coagulación), que ocurre cuando una secuencia UNE se inserta en el gen que codifica el factor de la coagulación VIII.

Los SINE (elementos nucleares entremezclados cortos) tienen menos de 500 bp; aunque contienen secuencias de inserción, no pueden transponerse sin la ayuda de una secuencia UNE 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 cromosómi­coso 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 (pág. 547) y con la enfermedad de Tay-Sachs (pág. 385). La recombinaóón (Secc. 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.

Defínanse los siguientes términos:

a. repeticiones en tándem e. exones b. centrómero f. microsatélites c. DNA satélite g. transposición

d. intrones

Compárense los tamaños y la capacidad codificadora de los genomas de los procario­tas con los de los eucariotas. ¿Qué otras características los diferencian?

MÉTODOS BIOQuíMICOS Métodos de investigación de los ácidos nucleicos

Las técnicas que se utilizan para el aislamiento, la purificación y la caracterización de las biomoléculas aprovechan sus pro­piedades físicas y químicas. La mayoría de las técnicas que

se emplean en la investigación sobre los ácidos nucleicos se fun­damentan en las diferencias de peso o de morfología moleculares, en las secuencias de bases o en el apareamiento complementario de bases. Las técnicas como la croma.tografía, la electroforesis y la ultracentrifugación, que se han utilizado con éxito 'en la inves­tigación proteínica, se han adaptado también para su uso con los ácidos nucleicos. Además, se han puesto a punto otras técnicas que explotan las características singulares de los ácidos nuclei­coso Por ejemplo, en determinadas circunstancias los dúplex de DNA se fusionan (se separan) y se vuelven a asociar (se aparean la bases para formar de nuevo el dúplex) de forma reversible. Una de las diversas técnicas que explotan este fenómeno, que se de­nomina hibridación de Southem, suele emplearse para localizar secuencias específicas (y con frecuencia raras) de ácidos nuclei­coso Tras describir con brevedad diversas técnicas que se utilizan para purificar y caracterizar a los ácidos nucleicos, se bosqueja el método habitual para determinar las secuencias de DNA. En el recuadro Métodos bioquímicos titulado Genómica del Capítulo 18 (págs. 700 a 707) se describen técnicas más complejas.

Cuando ya se han fragmentado las células bacterianas o cuando los núcleos eucariotas ya se han aislado, se extraen sus ácidos nu­cleicos y se eliminan las proteínas, lo cual puede lograrse mediante varios métodos. El ácido nucleico bacteriano suele precipitarse tra­tando las preparaciones celulares con álcali y lisozima (una enzima que degrada las paredes de las células bacterianas al romper los enla­ces glucosídicos). Las proteínas parcialmente degradadas se extraen utilizando detenrunadas combinaciones de solventes (p. ej. , fenol y clorofOlmo). De igual manera, los núcleos eucanotas pueden tratarse con detergentes o solventes para liberar sus ácidos nucleicos. Depen­diendo del tipo de ácido nucleico que quiera aislarse, para eliminar la otra clase se utilizan enzimas específicas. Por ejemplo, la RNasa eli­mina el RNA de las preparaciones de ácidos nucleicos, dejando in­tacto el DNA. Éste se purifica después mediante centrifugación.

Todas las muestras de ácidos nucleicos deben manejarse con cuidado. En primer lugar, los ácidos nucleicos son susceptibles a las acciones de un grupo de enzimas que se denominannucleasas. Además de las enzimas de esta clase que se liberan durante la extracción celular, las nucleasas pueden introducirse del entorno, por ejemplo, de las manos del experimentador. En segundo lugar, los ácidos nucleicos de peso molecular elevado, principalmente el DNA, son sensibles a las agresiones de cizallamiento. Los proce­dimientos de purificación, por lo tanto, deben ser suaves, aplican­do las menores agresiones mecánicas posibles.

Técnicas adaptadas del uso con otras biomoléculas Muchas de las técnicas que se utilizan en los procedimientos de purificación de proteínas se han adaptado también para su uso con los ácidos nucleicos. Por ejemplo, se han empleado varios tipos

17.1 DNA 653

de cromatografía (p. ej ., intercambio iónico, filtración en geles y afinidad) en diversas fases de la purificación de los ácidos nuclei­cos y en el aislamiento de sus secuencias individuales. Debido a su rapidez, la HPLC (cromatografía líquida de alta presión) ha sustituido a muchas técnicas cromatográficas de separación más lentas cuando se emplean muestras pequeñas.

Una clase de cromatografía en columna que utiliza un gel de fosfa­to cálcico que se denomina hidroxiapatita ha sido especialmente útil en la investigación de los ácidos nuc1eicos. La hidroxiapatita se une a las moléculas de ácido nucleiéo de doble cadena con mayor fuerza que a las moléculas de cadena indiVIdual, por lo que puede separarse de fOl1lla eficaz el DNA bicatenario (dsDNA) del DNA de cadena individual (ssDNA), del RNA y de las proteínas contaminantes el u­yendo la columna con concentraciones crecientes de amortiguador de fosfato. La utilización de las columnas de hidroxiapatita recientemen­te se ha sustituido en gran medida por una fonna de cromatografía por afinidad en la que las moléculas de la matriz de la columna se han uni­do de fOlma covalente a la avidina, una pequeña proteína que se une sólo a la biotina. La matriz puede elaborarse con un ligando biotinila­do específico, como una sonda de ssDNA (de secuencia conocida). Si se aplica a la columna una mezcla que contenga el ssDNA, a éste se unirán secuencias específicas complementatias a la sonda, mientras que el resto de la muestra atravesará la columna. Las moléculas diana unidas pueden entonces eluirse de la columna en fonna casi pura.

El movimiento de las moléculas de ácido nucleico en un campo eléctrico depende de su peso molecular y de su estructura ttidimen­siona!. Sin embargo, debido a que las moléculas de DNA suelen te­ner pesos moleculares grandes, su capacidad para penetrar algunas preparaciones de geles (p. ej., poliacrilamida) está lilrutada. Aun­que las secuencias de DNA con menos de 500 bp pueden separarse mediante geles de poliacrilamida con poros muy grandes, con las moléculas de DNA más grandes deben utilizarse geles más poro­sos. Los geles de agarosa, que están fonnados por un polisacárido entrecruzado, se utilizan para separar las moléculas de DNA con longitudes entre 500 bp y -ISO kilobases (kb). Las secuencias más grandes se aíslan con una variación de la electroforesis en gel de agarosa en la que se alternan dos campos eléctricos (perpendicula­res uno al otro). Las moléculas de DNA se orientan cada vez que el campo eléctrico cambia, lo que da lugar a una separación muy eficaz y precisa de grupos heterogéneos de moléculas de DNA. Los tiempos de reotientación disminuyen con el tamaño del DNA.

La centrifugación por gradiente de densidad con cloruro de ce­sio (CsCI) se ha utilizado mucho en la investigación de los ácidos nucleicos (véase el recuadro Métodos bioquímicos titulado Tec­nología celular, págs. 67 a 68). A velocidades elevadas, se estable­ce un gradiente lineal de CsC!. Las mezclas de DNA, RNA Y pro­teínas que migran a través de este gradiente se separan en bandas individuales en posiciones en las que sus densidades son iguales a la densidad del CsCJ. Las moléculas de DNA con altas concen­traciones de guanina y citosina son más densas que las que tienen proporciones mayores de adenina y timina. Esta diferencia ayuda a separar las mezclas heterogéneas de fragmentos de DNA.

654 CAPíTULO DIECISIETE Ácidos nucleicos

MÉTODOS BIOQuíMICOS cont

Técnicas que explotan las características es­tructurales singulares de los ácidos nucleicos Diversas propiedades únicas de los ácidos nucleicos (p. ej. , la ab­sorción de luz UV de longitudes de onda específicas y su tendencia a formar complejos de doble cadena de fOlllla reversible) se explo­tan en la investigación de los ácidos nucleicos. A continuación se describen de forma concisa diversos usos de estas propiedades.

ONA monocatenario

Jrr.

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""'~ I I II I ,' I ' \ ~II " ;,

)\~J J ¿l '

ONA renaturalizado

FIGURA 17A

Desnaturalización y renaturalización del DNA

En condiciones adecuadas, el ONA que se ha desnaturalizado puede naturalizarse de nuevo, es decir, las cadenas con secuencias complementarias vuelven a formar una doble hélice.

Las bases púricas y pirimídicas absorben luz UV debido a sus estructuras aromát icas , A pH 7 esta absorción es muy fuerte a 260 nm . Sin em bargo, cuando las bases nitrogenadas se incor­poran en secuencias de polinucleótidos, varias fuerzas no cova­lentes impulsan interacc iones cercanas entre ellas. Esto reduce su absorción de luz Uv. Este efecto hipocrómico es una ayuda invaluable en los estudios de los ácidos nucleicos. Por ejemplo, las variaciones de absorción se utilizan de forma habitual para detectar la rotura de la estructura de doble cadena del DNA o la división hidrolítica de las cadenas de polinucleótidos mediante e nzimas.

Las fuerzas de unión que mantienen juntas las cadenas com­plementarias del DNA pueden romperse, Este proceso, que se denomina desnaturalización (Fig. 17 A), lo estimulan el calor, las concentraciones salinas bajas y los valores de pH extremos. (El calentamiento es e l método más comú n de desnaturalización en las investigaciones de los ácidos nucleicos debido a que puede controlarse con facilidad,) Cuando se calienta con lentitud una so­lución de DNA, la absorc ión a 260 nm permanece constante hasta que se alcanza una temperatura umbra l. En este momento aumen­ta la absorbancia de la muestra (Fig. 178). El cambio de absor­bancia lo produce e l desapilamiento de las bases y la rotura del apareamiento de bases. La temperatura a la que se desnaturaliza la mitad de la muestra de DNA, que se denomina temperatura de fusión (TIll ) , varía entre las moléculas de DNA según su compo­sición de bases. [Recuérdese que e l número de enlaces de hidró-

E e O <D C\J

~ al

.<:: ro ~ al '0 e al .o O CIl .o «

1.44

1.40

1.36

1.32

1.28

1.24

1.20

1.16

1.12

1.08

1.04

25 31 37 43 49 55 61 67 73 79 85 91 Temperatura (oC)

FIGURA 178

Desnaturalización del DNA

(a) Cuando el DNA nativo se ca lienta, su absorbancia no cambia hasta que se alcanza una temperatura determinada. La "temperatura de fusión" T de una molécula de DNA varía con su composición de bases. (b) C';;ando el DNA desnaturalizado se enfría, su absorbancia cae, pero a lo largo de una curva diferente. No vuelve a su valor de absorbancia original. (e) El ONA rehibridado (renalllralizado) puede prepararse manteniendo la temperatura 2SOC por debajo de la temperatura de desnaturalización durante un largo periodo.

17.1 DNA 655

MÉTODOS BIOQuíMICOS cont

FIGURA 17C

Patrón de la secuencia de DNA del genoma del ratón

El grado de repetición de los segmentos del DNA total del ratón se determina midiendo los valores de Col de varias fracciones del genoma. La línea punteada señala los valores calculados. La cinética de reasociación de los genomas eucariotas generalmente revela tres clases primarias de secuencias: secuencias repetitivas que se rehibridan con rapidez (a), secuencias de complejidad intermedia (b) y secuencias únicas que se rehibridan con lentitud (c).

1 06 105 1 04 1 03 102 1 O Cot (moles x s/Iitro)

Filtro de nitrocelulosa

~-- Molécula de DNA

1 1 Enzimas de restricción

--,~ / ___ ---..r- ~

-'\..-/-./--../~ -'1 ----./, '- '" ~~'-.---~ J -. J/ ~

Fragmentos de DNA

2 ! Electroforesis en gel de agarosa

\ \ \ \\ \ \ \

\\ \ \

_____ Fragmentos separados por tamaño

, , ,\ 'b=====_=~

FIGURA 170

Hibridación de Southern

(1) El análisis del DNA comienza con su digestión por medio de una enzima de restricción. (2) Los fragmentos de DNA se separan mediante electroforesis en gel de agarosa. (3) Los fragmentos de DNA se transfieren a un papel filtrante de nitrocelulosa en condiciones desnaturalizantes. (4) El ssDNA sobre el papel filtrante de nitrocelulosa se hibrida con una sonda de ssDNA marcada radiactivamente. (5) Cualquier DNA hibridado puede verse mediante autorradiografía.

Bandas de DNA Gel que

/ \

contiene las

Gel ----\..---'~-

/ bandas de DNA

::::::::-:::.:::::::::=:-:' =:::::::::::::::::-::::::::::-::::::, Filtro de

Filtro de nitrocelulosa -­con los fragmentos en las mismas posiciones que en el gel

nitrocelulosa '----------------'~ Material

Flujo del absorbente amortiguador

• • • • Transferencia de los fragmentos al filtro

\

\\ , , \\ \ \

• • • • " " \ "\

Hibridación con sondas

\

\

radiactivas de DNA, lavado yautorradiografía

,,----- Autorradiografía que muestra los fragmentos híbridos de DNA

656 CAPíTULO DIECISIETE Ácidosnucleicos

MÉTODOS BIOQuíMICOS cont

Corte Corte

• • 5' GAATTC GAATTC 3'

111111111111111 1 11 1 11111111111 3' CTTAAG CTTAAG 5'

t t Corte Corte

5'----G AATTC G AATTC----3'

1111111I 1 1 1111

1 11111111 I II I f 11 1 1111111

3'----CTTAA G---- CTTAA G----5'

FIGURA 17E

Enzimas de restricción

Las endonucleasas de restricción son enzimas aisladas de bacterias que cortan el DNA en secuencias específicas. En este ejemplo, la enzima EcoRI (que se obtiene de E. coli) hace cortes escalonados que dan lugar a la formación de "extremos adherentes". Un "extremo adherente" es un extremo de cadena individual de un fragmento de DNA bicatenario. Los extremos adherentes facilitan la formación de DNA recombinante porque un segmento monocatenario de un fragmento de DNA puede hibridarse con un extremo adherente complementario de otro fragmento de DNA. Algunas enzimas de restricción hacen lo que se denomina "cortes romos". Véase una exposición del DNA recombinante en el recuadro Métodos bioquímicos del Capítulo 18 titulado Genómica, págs. 700 a 707.)

geno entre los pares GC y AT Y las interacciones de apilamiento de las bases afectan la estabilidad del DNA. (Véase la pág. 632.) Por lo tanto, para "fundir" las moléculas de DNA con un conteni­do elevado de G y C se requiere más energía.] Si las cadenas de DNA separadas se mantienen a una temperatura aproximadamen­te 25°C por debajo de la Trn durante un tiempo prolongado, la re­naturalización es posible. La renaturalización, o reasociación, no ocurre de manera instantánea debido a que las cadenas exploran varias configuraciones hasta que alcanzan la más estable (i.e., en la que se aparean las regiones complementarias).

La fusión del DNA es muy útil en la hibridación de los ácidos nucleicos. Las moléculas de DNA de cadena individual de dife­rentes procedencias se asocian ("hibridan") si hay una homología significativa de secuencia (i.e., semejanzas estructurales). Si una muestra de DNA se fracciona en trozos pequeños uniformes, la

FIGURA 17F

Método de terminación de cadena de Sanger

Se elige un cebador específico de forma que la síntesis de DNA comience en el punto de interés. La síntesi s de DNA continúa hasta que se incorpora un didesox inucleótido radiactivo y se termina la cadena. A continuac ión se separan mediante electroforesis en gel los productos de las reacciones y se analizan a través de autorradiografía. Los fragmentos migran según el tamaño. La secuencia se determina ·'Ieyendo" el gel.

Gel de acrilamida

velocidad de reasociación depende de la concentración de cadenas de DNA y de las semejanzas estructurales entre ellas. Las velocidades de reasociación han pro­porcionado información valiosa sobre la estructura del genoma. Por ejemplo, los organismos varían en el nú­mero y en los tipos de secuencias únicas que contiene su genoma. (Una secuencia singular sólo sucede una vez por genoma haploide.) El número relativo de se­cuencias únicas y repetidas puede determinarse cons­truyendo una curva Cot, que proporciona una medida de renaturalización (donde Ca es la concentración de ssDNA en moles/litro y t es el tiempo transcurrido en segundos). Los científicos han determinado a partir de curvas Cal que la velocidad de reasociación desciende al hacerse los genomas mayores y más complejos. En la Figura 17C se presenta la frecuencia de secuencias de DNA únicas y repetidas, que se determina al medir las velocidades de reasociación del genoma del ratón.

La hibridación también puede utilizarse para situar y/o identificar genes específicos u otras secuencias de DNA. Por ejemplo, se puede estudiar el ssDNA de dos procedencias diferentes (p. ej., células tumorales y células normales) para comprobar diferencias de se­cuencia. Si se biotinila un conjunto de ssDNA, después los híbridos de doble cadena se unen a una columna de avidina. Si hay alguna secuencia sin hibridar, ésta

Polimerasa de DNA I I + 4 dNTPs +

1 I ddATP ddTTP

~ ~

I

--'-'~_--'-". Cebador marcado

I

ddCTP ddGTP

~ ~

Secuencia

T T A G A C C C G A T A A G C C C G C A

/ de DNA de la cadena original

MÉTODOS BIOQuíMICOS cont

atraviesa la columna y luego puede aislarse y ser identificada. En la hibridación de Southern (Fig. 17D), sondas de DNA o RNA (secuencias con identidades conocidas) marcadas radiactivamente localizan una secuencia complementaria en medio de un digerido de DNA, que en general contiene un gran número de fragmentos heterogéneos de dicha molécula. Un digerido de DNA se obtiene tratando una muestra de DNA con enzimas de restricción que cor­tan en secuencias específicas de nucleótidos (Fig. 17E). (Las enzi­mas de restricción que producen las bacterias, las protegen contra las infecciones víricas cortando el DNA del virus en secuencias específicas .) Una vez digerida la muestra, se separan los fragmen­tos mediante electroforesis en gel de agarosa según sus tamaños . Tras bañar el gel en NaOH 0.5 M, un proceso que convierte el ds­DNA en ssDNA, los fragmentos se transfieren a un papel filtrante de nitrocelulosa colocándolos sobre una esponja húmeda en una bandeja con un amortiguador con concentración salina elevada. (La nitrocelulosa tiene la propiedad única de unirse con firmeza al ssDNA.) Se coloca papel filtrante seco absorbente en contacto directo con el emparedado filtro de nitrocelulosa/gel de agarosa. Al pasar el amortiguador a través del gel y del papel filtrante por capilaridad, se transfiere el DNA y queda unido de forma per­manente al filtro de nitrocelulosa. (La transferencia del DNA al filtro produce el "manchado" característico de esta técnica.) A continuación se expone el filtro de nitrocelulosa a la sonda mar­cada radiactivamente, la cual se une a cualquier 'ssDNA con una secuencia complementaria. Por ejemplo, un mRNA que codifique la ¡3-globina se une específicamente al gen de dicha proteína, aun­que el mRNA de la ¡3-globina carezca de los intrones en el gen . Al parecer existe un apareamiento de bases suficiente entre las dos moléculas de cadena individual para localizar el gen.

Secuenciación del DNA La determinación de la secuencia de nucleótidos del DNA ha pro­porcionado datos valiosos en campos como la bioquímica, la medi­cina y la biología evolutiva. El análisis de las largas secuencias de DNA comienza con la formación de fragmentos menores utilizando una clase de enzima de restricción. A continuación, cada fragmento se secuencia de forma independiente por el método de terminación de cadena. Igual que con las determinaciones de la estructura pri­maria de las proteínas, estos pasos se repiten con un conjunto dis­tinto de fragmentos de polinucleótidos (que se generan mediante otra clase de enzima de restricción) que se solapen con el primer conjunto. La información de la secuencia de ambos conjuntos de experimentos ordena los fragmentos en la secuencia completa.

17.1 DNA 657

La secuenciación del DNA mediante el método de termi­nación de cadena (Fig. 17F), diseñado por Frederick Sanger, utiliza enzimas de restricción para romper grandes segmentos de DNA en fragmentos más pequeños. Cada fragmento se se­para en dos cadenas, una de las cuales se utiliza como molde para producir una copia complementaria. La muestra se divide después en cuatro tubos de ensayo. A cada tubo se añaden las sustancias que se requieren para la síntesis de DNA [p. ej ., la enzima polimerasa de DNA, los cuatro desoxÍlTibonucleótidos trifosfatados y un cebador (un segmento corto de una cadena de DNA complementaria) marcado con 32p] . Seleccionando el cebador apropiado, el investigador determina en sitio en que se iniciará la secuenciación.

Además de un molde, materiales para la síntesis de DNA y un cebador, cada uno de los cuatro tubos contiene un derivado de 2' ,3' -didesoxinucleótido diferente. (Los derivados didesoxi son análogos sintéticos de los nucleótidos en los que los grupos hidroxi de los carbonos 2' y 3' se han sustituido por hidróge­nos.) Los didesoxinucleótidos pueden incorporarse a la cadena polinucleotídica creciente pero no pueden formar un enlace fos­fodiéster con otro nucleótido. Como consecuencia, cuando se incorpora un didesoxinucleótido se termina la cadena. Debido a que se utilizan cantidades pequeñas de didesoxinucleótidos, se incorporan al azar en las cadenas crecientes de polinucleótidos. Por lo tanto , cada tubo contiene una mezcla de fragmentos de DNA con cadenas de diferente longitud . Cada cadena recién sintetizada acaba en un residuo de didesoxinucleótido. Los pro­ductos de reacción de cada tubo se separan mediante electrofo­resis en gel y se analizan juntos mediante autorradiografía. Cada banda del autorradiograma corrcspondc a un polinucleótido que se diferencia en un nucleótido menos del que le precede en una de los cuatro carriles del autorradiogr<;lma. Obsérvese que el polinucleótido más pequeño aparece en el fondo del gel debido a que se mueve más rápido que las moléculas más grandes.

Una versión automatizada del método de Sanger permite la secuenciación rápida y eficiente del DNA. En lugar de utilizar cebadores con marcas radiactivas, emplea didesoxinucleótidos etiquetados con fluorescencia. Debido a que cada análogo di­desoxi tiene una fluorescencia diferente, el proceso completo puede realizarse en un único tubo de ensayo. Después se cargan los productos de la reacción y el experimento se realiza en un solo gel de electroforesis. Tras explorar el gel con un detector, un ordenador determina la secuencia de las bandas coloreadas (Fig. 17G).

GCGACA T CAC T CCA GC TTG AA GCA GTT C TT C TCGT C TT C TGTTTTGT C T AAC TTGT C TT CC TT C TT C TC TT CC TGTTT AA G AA GAG AA 500 510 520 530 540 550 560 570 580

FIGURA 17G

Secuenciación automática del DNA

Utilizando marcadores fluorescentes en los didesoxinucleótidos , un detector puede explorar un gel con rapidez y determinar la secuencia a partir del

orden de los colores de las bandas .

658 CAPíTU LO DI EC I SIETE Ácidos nuc[eicos

BIOQuíMICA EN PERSPECTIVA

Investigaciones forenses ¿Cómo se utiliza el análisis de DNA en la in­vestigación de crímenes violentos? El DNA per-siste durante muchos años en muestras biológicas deshidratadas (p. ej. , sangre, saliva, pelo y semen) y en los huesos. Por consi­guiente, el DNA puede utilizarse como prueba en cualquier tipo de investigación forense en la que se disponga de esas muestras. Las técnicas de análisis de DNA que se utilizan de forma habitual para verificar la identidad de las víctimas y/o de los autores de crímenes violentos se denominan tipificación de DNA, o perfil de DNA. La tipificación de DNA requiere el análisis de varias se­cuencias muy variables que se denominan marcadores. Utilizan­do conjuntos de secuencias variables, los investigadores pueden proporcionar perfiles genéticos identificativos únicos para cada ser humano.

Desde la década de 1990, en numerosos casos judiciales la tipificación de DNA ha proporcionado información decisiva acerca de la presencia o ausencia de un acusado en el lugar de un crimen. Las técnicas de las que se dispone varían en su capacidad para diferenciar personas y en la velocidad con la que pueden obtenerse los resultados. La identificación genética, que intro­dujo en 1985 el genetista británico Alec Jeffreys, es una variante de la hibridación de Southern. En esta técnica, se comparan las características de las bandas de los minisatélites de DNA (véase la pág. 652) de diferentes personas; por ejemplo, muestras de DNA del lugar del delito con las de los sospechosos (Fig. 17H). Cuando la cantidad de DNA que se extrae de la muestra del lugar del delito es demasiado pequeña para poder analizarla, se ampli­fica por medio de la reacción en cadena de la polimerasa (PCR), una técnica usada para amplificar el número de copias de DNA de una muestra diminuta. Es posible obtener hasta 109 copias. (Véase la pág. 703.) Por consiguiente, el DNA de una sola célula es suficiente para realizar un análisis de identificación genética. Se aísla el genoma completo de cada muestra y se trata con una enzima de restricción. (Las enzimas de restricción son un gru­po de enzimas producidas por bacterias que cortan moléculas de DNA en sitios específicos de la secuencia de bases. En células bacterianas , impiden o "restringen" la replicación de DNA exter­no, por lo común vírico.)

Debido a las variaciones genéticas . las secuencias minisatéli­te de DNA se fragmentan de forma diferente. (Estas diferencias genéticas se denominan polimorfismos de la longitud de los fragmentos de restricción, o RFLP.) Tras separar los fragmen­tos de restricción según su tamaño, por medio de electroforesis en gel de agarosa, y transferirlos a papel filtrante de nitroce lu­losa, se exponen a sondas marcadas radiactivamente. Debido a que los tamaños de los fragmentos que se unen a estas sondas se diferencian de una persona a otra, se han utilizado con éxito los patrones de bandas para condenar o absolver a sospechosos de casos criminales.

Aunque los análisis de RFLP son un método exacto, tienen limitaciones. Entre ellas se encuentran las cantidades sustanciales de tiempo (6 a 8 semanas), el trabajo y la experiencia que se re­quieren para obtener los perfiles de DNA. Una metodología más

reciente que analiza repeticiones cortas en tándem (STR) (secuencias de DNA con repeticiones de entre 2 y 4 bp, que se denominan microsatélites, véase la pág. 652) tiene un poder de discrimina­ción mucho mayor que los RFLP y es rápida en términos relativos (varias horas).

Además, las secuencias STR son lo suficientemente robustas para que esta técnica pueda utilizarse con éxito a fin de analizar muestras degradadas. Después de que se ha extraído el DNA de una muestra, varias secuencias STR diana se amplifican por me­dio de la PCR y se unen a moléculas de colorante fluorescente .

En Estados Unidos se emplean 13 marcadores de DNA poli­mórficos (muy diversos) centrales para generar perfiles genéticos y lograr distinguir individuos. El perfil de DNA, que se produce cuando se separan los productos de la PCR en un gel electroforé­tico, es el patrón y el número de repeticiones de cada secuencia diana sobre el gel. La detección por fluorescencia incrementa la sensibilidad de la técnica. A diferencia de los RFLP, las técnicas de tipificación de DNA que se basan en las STR pueden auto­matizarse con facilidad . Si se comparan los perfiles de DNA de ejemplares individuales y se determina que son idénticos, se dice que las muestras son compatibles . Si los perfiles de DNA que

FIGURA 17H

Manejo forense de la identificación genética

En muchos juicios. e l análisis de los RFLP (polimorfismos de la longitud

de los fragmentos de restricción) de muestras biológicas recuperadas en e l lugar de un delito proporciona una prueba concluyente de que un

acusado (o un convicto) dejó o no rastros de su DNA único en la escena

de un crimen.

17.2 RNA 659

PERSPECTIVA cont

se comparan no son idénticos, se dice que proceden de orígenes diferentes . Los resultados se dan en términos de probabilidades de una compatibilidad aleatoria (la probabilidad de que una persona elegida al azar tenga un perfil de DNA idéntico al de la muestra

de interés, como el dejado en el lugar del crimen). La utilización de varios marcadores y la sensibilidad de la metodología reducen la probabilidad de compatibilidad aleatoria hasta al menos uno en varios miles de millones.

RESUMEN : Los científicos forenses utilizan una técnica llamada PCR para

amplificar el ONA recuperado del sitio de un crimen y generar el perfil genético único que

distingue a un individuo de todos los demás.

17.2 RNA Durante muchos años se consideró que los ácidos ribonucleicos eran una clase de polinucleótidos que participaban en algún aspecto de la síntesis de proteínas. Sin embargo, una serie de pruebas que se acumulan con rapidez revelaron que los RNA son moléculas sorprendentemente versátiles que realizan funciones que antes se pen­saba que eran competencia exclusiva de proteinas. Son ejemplos la regulación de la expresión génica, la diferenciación celular, la impronta genómica y la catálisis. Las propiedades funcionales de los RNA se deben a su estructura. La estructura primaria de los polilTibonucleótidos es similar a la de sus contrapartes de DNA, pero existen varias diferencias.

1. El azúcar del RNA es ribosa en lugar de la desoxirribosa del DNA. 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 Ul·acilo. 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 esta razón, el RNA puede enrollarse sobre sí mismo y formar estructuras tridi­mensionales singulares y con frecuencia bastante complejas (Fig. 17.26). La forma de estas estructuras la determina el apareamiento 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 apareamiento 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.

Los clases más destacadas de RNA son el RNA de transferencia, el RNA ribo­somal y el RNA mensajero . A continuación se consideran la estructura y la función

Horquilla

Cadena individual

(a)

FIGURA 17 .26

A = púrpura C = rojo G = verde U = amarillo

Lazo axial

(b)

Estl"Uctura secundaria del RNA

(a) En las moléculas de RNA se producen muchos tipos diferentes de estructuras secundarias. (b) Lazo ax ial. Obsérvese que las horquillas y los lazos axiales de RNA se forman a causa de las secuencias repetitivas invertidas de los palíndromos de DNA (véase la pág. 641).

660 CA p íTU LO DIE C I SIETE Ácidos nucleicos

(a)

FIGURA 17.27

RNA de transferencia

(a) Estructura tridimensional de una molécula de tRNA. (b) Representación esquemática de una molécula de tRNA. Se indican las posiciones de las bases que no varían y de las bases que varían con poca frecuencia.

de cada una de estas moléculas. Se describen también algunos ejemplos de otras clases menos abundantes de RNA, denominadas moléculas de RNA no codificadoras (ncRNA).

RNA de transferencia

Las moléculas de RNA de transferencia (tRNA) transportan los aminoácidos a los ribosomas para su ensamblaje en las proteínas. Representan alrededor del 15% del RNA celular y 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. 17.27), es consecuencia en primera instancia de un gran apareamiento de bases intracatenario. Las moléculas de tRNA contienen diver­sas bases modificadas. Entre ellas se encuentran la seudouridina, la 4-tiouridina, la l-metilguanosina y la dihidrouridina:

Ribosa

Seudouridina

Ribosa

4-Tiouridina Ribosa

1-Metilguanosina

o

~0N-H ~;lN~O

I Ribosa

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

(b)

3' / Unión del aminoácido

OH

0 - Brazo variable

\

~'- Tallo anticodón

Py

'--v----'

Anticodón

con un aminoácido específico. (Esta especificidad es posible gracias a que las en­zimas llamadas sintetasas de aminoacil-tRNA 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. (Véase el Capítulo 19.) Los tRNA también poseen otras tres características estructurales notables, denominadas lazo D, lazo T\jiC, y lazo variable. (La letra griega psi, \ji, representa la seudouridina, una base modificada.) Estas estructuras facilitan la unión específica a la sintetasa de aminoacil-tRNA apropiada y el alineamiento correc­to del aminoacil-tRNA dentro del andamiaje nucleoproteínico del ribosoma. El lazo D se conoce así porque contiene dihidrouridina. De modo similar, el lazo T\jiC contiene la secuencia de bases timina, seudouridina y citosina. Los tRNA pueden clasificarse con base en la longitud de su lazo variable. La mayOlía (cerca del 80%) de los tRNA tienen lazos variables con 4 o 5 nucleótidos, mientras que otros tienen lazos variables de hasta 20 nucleótidos.

RNA ribosomal

El RNA ribosomal (rRNA) es la forma más abundante de RNA en las células. (En la mayoría de las células, el rRNA constituye aproximadamente el 80% del RNA total.) La estructura secundaria del rRNA es muy compleja (Fig. 17.28). 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.

Como se ha descrito, los ribosomas son complejos ribonucleoproteínicos citoplás­micos que sintetizan las proteínas. Los ribosomas de las células procariotas y de las eucariotas tienen una forma y función semejantes, aunque se diferencian 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 subunidad 40 S.

En cada tipo de subunidad ribosomal se encuentran varias clases diferentes de rRNA y de proteínas. La subunidad ribosomal grande de E. coli, por ejemplo, con­tiene rRNA 5 S y 23 S y 34 polipéptidos. La subunidad ribosomal pequeña de E. coli contiene un rRNA 16 S Y 21 polipéptidos. U na subunidad ribosomal 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 ribosomal nativa y al parecer tiene funciones enzimáticas, en especial en las procariotas. (El rRNA desnudo puede realizar con lentitud la función ribosomal nonnal.)

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, que constituyen cerca del 5% del RNA celular, varían considerablemente de tamaño. Por ejemplo, el número de bases del mRNA de E. coli varía de 500 a 6000.

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 la información que codifica un polipéptido y varias señales que se requieren para la función del ribosoma.) En segundo lugar, los mRNA procariotas y los eucariotas se procesan de forma diferente. Al contrario

17.2 RNA 661

662 CAPíTULO DIECISIETE Ácidosnucleicos

FIGURA 17 .28

Estructura del rRNA

Aunque difieren sus secuencias, la estructura tridimensional de estos rRNA de (a) E. coli y de (b) Saccharomyces cerevisiae (una levadura) parecen muy semejantes. (a) (b)

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 una 7-metilguanosina al residuo terminal S' ), 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

Como ya se mencionó, el conjunto total de transcritos de RNA producidos por una célula se denomina transcriptoma. El análisis de transcriptomas ha revelado una cantidad muy grande de RNA no codificadores (nc) funcionales. El conocimiento actual, aunque incompleto, sugiere que los ncRNA forman una extensa y compleja red reguladora. Entre los ncRNA más importantes están el microRNA, el RNA corto interferente y el RNA nucleolar corto. Los microRNA (miRNA) y los RNA cortos interferentes (siRNA) son de los ncRNA más pequeños y ambos intervienen en un proceso de degradación de RNA llamado interferencia del RNA (RNAi). La RNAi, alguna vez llamada silenciamiento del RNA, probablemente surgió como un meca­nismo de defensa. Se emplea para desactivar o degradar moléculas de RNA con dos fines: (1) regular la expresión génica en procesos de desarrollo mediante desactiva­ción de genes seleccionados y (2) proteger células contra genomas de RNA vírico.

Los RNA nucleolares cortos (snoRNA) son RNA monocatenarios que contienen de 70 a 1000 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 aparea­miento de bases hacia el sitio de secuencia específico en un rRNA diana. Las modifi­caciones que OCUlTen durante el procesamiento del rRNA incluyen la metilación del 2/-0H de la ribosa y la isomerización de uridina para formar seudouridina.

"),~ "O-~

OH OH

Uridina Seudouridina

Hay cinco RNA nucleares cortos (snRNA): Ul, 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.

Cuando se transcribe un gen, sólo una cadena de DNA actúa como molde para la síntesis de la molécula de RNA. Esta cadena se denomina antisentido (o no codifi­cadora); la cadena de DNA que no se transcribe se denomina cadena con sentido (o codificadora). La secuencia de bases de la cadena codificadora es la versión de DNA del mRNA que se utiliza para sintetizar el producto polipeptídico del gen. El RNA antisentido (el transcrito de la cadena de DNA antisentido) participa en la regulación de la transcripción y de la traducción. Un RNA antisentido puede unirse específica­mente a un mRNA correspondiente e impedir la traducción.

Debido a que la unión mRNA-RNA antisentido es tan específica, las moléculas no codificadoras se consideran herramientas de investigación prometedoras. Nume­rosos investigadores están utilizando las moléculas de RNA antisentido para estudiar la función eucariota activando y desactivando de forma selectiva genes específicos. La denominada genética inversa es también útil en la investigación médica. Aunque se han encontrado problemas serios en la investigación de elementos antisentido (p. ej., la inserción ineficaz de los oligonucleótidos dentro de las células y los elevados costos de fabricación), la tecnología antisentido ha proporcionado ya un conocimien­to valioso de los mecanismos de varias enfeQlledades (p. ej., cáncer e infecciones víricas).

Considerando la siguiente secuencia de DNA con sentido:

SI -GCATICGAATIGCAGACTCCTGCAATICGGCAAT-3 I

Determínese la secuencia de su cadena complementaria. A continuación descífrense las secuencias del mRNA y del RNA antisentido. (Recuérdese que en la estructura del RNA, la T se cambia por U. De tal manera que una A en la cadena de DNA se aparea con un U al sintetizarse el RNA.)

17.3 VIRUS Los virus carecen de la mayoría de las propiedades que diferencian a lo vivo de lo muerto. Por ejemplo, los virus no pueden realizar sus propias actividades metabó­licas. Sin embargo, en condiciones adecuadas pueden causar estragos en los seres vivos. Los virus, que a menudo se describen como parásitos intracelulares obligados, también pueden considerarse como elementos genéticos móviles debido a su estruc­tura, es decir, cada uno de ellos consta de 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, como se expone en el recuadro Bio­química en perspectiva titulado "Modos de vida" víricos (págs. 665 a 670).

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 subvierten 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

17.3 Virus 663

CONCEPTOS CLAVE

• El RNA es un ácido nucleico que participa en varios aspectos de la síntesis de proteínas y en el control de la expresión génica.

• Las clases más abundantes de RNA son el RNA de transferencia, el RNA ribosomal y el RNA mensajero.

• Algunos RNA no codificadores de importan­cia son el miRNA, el siRNA, el snoRNA y

el snRNA.

664 CAPÍTULO DIECISIETE Ácidosnucleicos

(a)

(b)

(e)

~ ¿

(d) &

(e)

(1)

FIGURA 17.29

Virus representativos

(a) Poxv irus. (b) Rabdovirus. (e) Virus de la parotiditi s. (d) Baeteriófago de cola flexible. (e) Virus del herpes. (f) Virus del papiloma.

_CO-,--N_C_E_P_TO-,--S-,--Cl_A_V_E __ & =_:::;;;,

• Los virus están formados por un ácido nu­c\eieo encerrado en una cubierta protectora. El ácido nuc\eico puede ser DNA o RNA de cadena individual o de doble cadena.

• En los virus sencillos la cubierta protectora, que se denomina eápside, está formada por proteínas.

• En los virus más complejos la nueleocápsi­de, formada por ácido nuc\eico y prote ínas, está rodeada por una cubierta membranosa que procede de la ¡mem.brflpa d!; la célula ' hospedadora. ., .

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 dc cáncer cervicouterino. Por último, los virus han sido inestimables en la creación de la tecnología del DNA recombinante.

Estructura de los virus

Desde 1892, cuando el investigador ruso Dmitri 1 vanovski aisló por vez primera' el virus del mosaico del tabaco, se han identificado cuantiosos virus. Debido a que no están claros sus orígenes y su desarrollo evolutivo, la clasificación científica de los virus ha sido difícil. Con frecuencia, los virus se han asignado a grupos según propiedades como su aspecto microscópico (p. ej. , los rabdovirus tienen un aspecto con forma de bala), las estructuras anatómicas donde se aislaron por primera vez (p. ej., los adenovims se descubrieron en las glándulas adenoideas, una clase de tejido linfoide) o los síntomas que producen en los organismos hospedadores (p. ej. , los virus del herpes producen empciones cutáneas que se diseminan, y el virus del pa­piloma induce la formación de papilomas, un tipo de verruga) . En los últimos años, los científicos han tratado de crear un sistema de clasificación sistemático basado principalmente en la estructura vírica, aunque otros factores son también importantes (p. ej. , el hospedador y la enfermedad que producen).

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 son demasiado pequeños 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 de bicatenario (dsDNA) o RNA de cadena in­dividual (ssRNA), se han observado algunos genomas con DNA de cadena sencilla (ssDNA) y RNA dúplex (dsRNA). Existen dos clases de genomas ssRNA. Un geno­ma de RNA de sentido positivo [( + )ssRNA] actúa como un rnRNA 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 vims que utilizan genomas (- )ssRNA deben proporcionar una enzima, que se denomina transcriptasa inversa, que sintetiza el rnRNA.

En los virus más complejos, la nucleocápside está rodeada por una cubierta mem­branosa, que en general procede de la membrana 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, que se denominan espículas, se cree que participan en la unión del virus a la célula hospedadora. En la Figura 17.29 se presen­tan algunos vims representativos.

17.3 Virus 66 5

BIOQuíMICA EN PERSPECTIVA

"Modos de vida" víricos

¿Cómo infectan y dañan los virus a las células hospedadoras? A pesar de la diversidad de las estructuras de los virus y de las clases de células hospedadoras que infectan, en el ciclo vital de todos los virus hay varios pasos básicos: infección (penetración del virión o de su ácido nucleico en la célula hospe­dadora) , replicación (expresión del genoma del virus), maduración (ensamblaje de los componentes del virus en los viriones) y libe­ración (emisión de los nuevos viriones por la célula hospedadora).

, Cada clase de virus debe explotar alguna de las reacciones metabó­licas normales de sus células hospedadoras para completar el ciclo vital debido a que los virus normalmente sólo poseen la informa-

1 ción genética suficiente para especificar la síntesis de sus propios componentes. Por esta razón, existen numerosas variaciones sobre

; estos pasos básicos. Este punto puede demostrarse comparando los ciclos vitales de dos virus muy estudiados: el bacteriófago T4 y el

,1 virus de la inmunodeficiencia humana (VIH).

Fibras de la cola

(a) (b)

FIGURA 171

Bacteriófago T4

Bacteriófago T4

El bacteriófago T4 (Fig. 171) es un virus grande con una cabeza icosaédrica y una cola larga y compleja semejante a la estructura del T2 (pág. 638). La cabeza contiene dsDNA y la cola se engancha a la célula hos­pedadora e inyecta el DNA viral.

El ciclo vital del T4 (fig. · 17J) comienza con la adsorción del ~irión 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).

CITOPLASMA

(a) Estructura de un bucteriófago T4 intacto. (b) Penetración de la pared celular del hospedador por un bacteriófago e inyección del DNA vírico (vDNA). El vDNA dirige la síntes is. por parte de la célula hospedadora. de unas 30 proteínas que facilitan la producción de nuevos viriones.

666 CAPíTULO DIECISIETE Ácidos nucleicos

l BIOQuíMICA EN PERSPECTIVA cont

lisogénica Fase ( '"

El DNA del virus se inserta en el cromosoma del hospedador

Fase \. lítica ~

_ ... Á

)

)

FIGURA 17.1

Ciclo vital del bacteriófago T4

Las partículas del virus se adsorben sobre la superfic ie de la célula bacteriana y se inyecta el genoma del virus (infecc ión). Si el virus entra en la fase lítica, la maq uinaria de la célula hospedadora se d irige hac ia la producción y liberac ión de nuevas partículas del virus. Si el virus entra en la fase li sogénica, e l genoma del virus se integra en el DNA de la célula hospedadora y después puede entrar en la fase lítica.

BIOQuíMICA EN PERSPECTIVA cont

A los 2 minutos de la inyección del DNA del fago T4 en una célula de E. eoli, 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 vírico (vDNA), la célula hospedadora (llena de varios centenares de nuevos viriones) se lisa. Tras la liberación, los virioncs se enganchan a bacterias cercanas, iniciando de esta fOlma 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 ionizan te , activan al profago, el cual dirige la síntesis de nuevos viriones. Algunas veces, una célula bacter-iana 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.

VIH El virus de la inmunodeficiencia humana (VIH) es el agente cau­sal del síndrome de inmunodeficiencia adquirida (sida). Si no se trata, el sida es una enfermedad mortal debido a que el VIH des­truye el sistema inmunitario del cuerpo, dejándolo sin defensas frente a organismos patógenos (p. ej. , bacterias, protozoos, hon­gos y otros virus) y a algunas formas de cáncer.

El VIH (Fig. 17K) pertenece a un grupo singular de virus RNA denominados retrovirus. Los retrovirus se denominan así debido a que contienen una actividad enzimática que se denomina trans­criptasa inversa, la cual sintetiza una copia de DNA a partir de un genoma ssRNA. Un retrovirus típico consta de un genoma RNA encemldo en una cápside proteínica. Enrollada alrededor de la cápside se encuentra una cubierta membranosa que se forma a partir de la bicapa lipídica de la célula hospedadora.

En el ciclo reproductor del retrovirus VIH (Fig . 17L), el pro­ceso infeccioso comienza cuando e l virus se une a una célula hospedadora. La unión, que tiene lugar entre la superficie g lu­coproteínica del virus y los receptores específicos de la membra­na plasmática, inicia un proceso de fusión entre la membrana de la célula hospedadora y la membrana del virus. A continuación, la cápside del virus se libera dentro del citoplasma y la transcrip­tasa inversa del virus cataliza la síntesis de una cadena de DNA que es complementaria del RNA del virus. Esta actividad enzimática cataliza también la conversión del DNA de cadena individual en una molécula bicatenaria. La vers ión del DNA dúplex del genoma vírico se traslada después al núcleo, donde se integra en el cromo­soma del hospedador. El genoma provírico integrado, que actúa

17.3 Virus 667

como un profago, se replica cada vez que la célula sintetiza DNA. Los transcritos de mRNA que se producen cuando se transcribe el genoma del virus dirigen la síntesis de numerosas copias de sus proteínas. Los nuevos virus, que se crean como copias del geno­ma de RNA del virus, se empaquetan con proteínas del virus y se liberan de la célula hospedadora por un proceso de "gemación".

El VIH contiene un núcleo cilíndrico dentro de su cápside. Además de dos copias de su genoma (+ )-ssRNA, el núcleo con­tiene varias enzimas: transcriptasa inversa, ribonucleasa, integrasa y proteasa. Las moléculas de RNA están recubiertas con varias copias de dos proteínas de bajo peso molecular, p7 y p9. (Los nú­meros en los nombres de éstas y otras proteínas indican su masa en kilodaltones; por ejemplo, p7 es una proteína con una masa de 7ld).) El propio núcleo COI) forma de bala está formado por cente­núes de copias de p6 y las copias de p 17 forman un recubrimiento interno de la cubierta del virus. La envoltura del VIH contiene dos proteínas víricas importantes, gp120 y gp41, además de proteínas del hospedador.

La infección por el VIH se produce debido a la exposición di­recta del tOlTente sanguíneo de una persona a los líquidos corpora­les de una persona infectada. La mayoría de los casos de infección por VIH se deben a contacto sexual, transfusiones sanguíneas y transmisión perinatal de la madre al hijo. Una vez que el VIH ha entrado en el cuerpo, se cree que infecta a las células que portan el antígeno CD4 en sus membranas plasmáticas. El grupo principal de células que ataca el VIH son los linfocitos T-4 colaboradores del sistema inmunitario. Esas células desempeñan una fUIlción esencial en la regu lación de las actividades de otras células del sis­tema inmunitario. Ahora se sabe que la infección de las células T requiere la interacción del complejo gp120-CD4 con un receptor de quimiocinas, que actúa como correceptor. (Los agentes qui­miotácticos del sistema inmunitario, llamados quimiocinas, es­timulan la unión de las células T al unirse a receptores locali zados sobre la membrana plasmática de las células T.) En las primeras fases de la infección, el cOITeceptor CCR5 (o menos a menudo el CXCR4) ayuda al VIH a entrar en las células; otras células que se sabe son infectadas por el VIH son ciertas células intestinales y del sistema nervioso central. Pruebas recientes sugieren que los seres humanos con dos copias de un gen que codifica una variante del receptor CCR5, CCR5-6.32, son resistentes a la infección por el VIH. Al parecer e l CCR5-6.32 también protege contra la peste y la viruela, pero aún considerando las tres enfermedades, la parte de la población que se beneficia es relativamente pequeña.

Una vez que la proteína gp 120 de la cubierta del VIH se une al antígeno CD4 y al receptor de quimiocinas en la célula T, la cu­bierta del virus se fusiona con la membrana plasmática de la célula hospedadora. Las dos cadenas de RNA se liberan al citoplasma. La transcriptasa inversa, un heterodímero con varias actividades enzi­máticas, cataliza a continuación la síntesis de un ssDNA utilizando como molde el vRNA. La activ idad RNasa heterodimérica degrada posteriormente el vRNA (RNA vira l). La misma proteína produce un vDNA bicatenario mediante la formac ión de una cadena com­plementaria del ssDNA. La integrasa del virus integra e l vDNA en el cromosoma de la célula hospedadora. El DNA provírico perma­nece latente hasta que la célu la T infectada específica se activa por una respuesta inmunitaria. El DNA provírico puede a continuación dirigir la síntesis de componentes del virus por parte de la célula. Los virus recién sintetizados brotan de la célula infectada.

668 CAPíTULO DIECISIETE Ácidosnucleicos

BIOQU ¡MI CA ÉN PERSPECTIVA

gp41 ---------=

p6

p24

RNA

FIGURA 17K

Estructura del VIH

cont HLA de clase 11 DR

HLA de clase I

p17

Proteasa

Lípido

RT

La superficie del virus es una bicapa lipídica en la que están embebidas las glucoproteínas víricas gp 120 Y gp41 Y las proteínas de membrana HLA (antígenos leucocitarios humanos) que se han cogido de las células hospedadoras. (Las proteínas HLA son señales que protegen la partícula vírica del sistema inmunitario. que en general busca y destruye los invasores extraños.) Recubriendo el interior de la cubierta hay centenares de copias de la proteína estructural p17. Dos copias del genoma de RNA están contenidas dentro de una cápside con forma de bala formada por p6 y p24. Unidas al RNA están p7 y p9. Las enzimas asociadas con el genoma del virus son la transcriptasa inversa (RT), la integrasa y la proteasa.

Las investigaciones recientes que utilizan chips con matrices microscópicas de DNA (véase el recuadro Métodos bioquímicos titulado Genómica en el Cap. 18, págs. 700 a 707) han proporcio­nado algunos de los detalles sobre los mecanismos moleculares por medio de los cuales el VIH deteriora el funcionamiento de los linfocitos T-4. Controlando la expresión del mRNA de más de 6000 genes de manera simultánea, los investigadores han ras­treado las consecuencias de la infección por el VIH. Han observado que a los 30 minutos de la infección, se suprime la expresión de alrededor de 500 genes celulares y 200 se han activado. En horas, el mRNA de la célula hospedadora se ha sustituido en gran me­dida por mRNA del virus. El virus ha inutilizado la capacidad de la célula para generar energía y reparar el daño del DNA que ha causado el virus.

La muerte celular se desencadena por varios mecanismos, en­tre los que se encuentran los siguientes:

1. La activación vírica de los genes que inducen la apopto­sis (muerte celular programada), un mecanismo celular normal mediante el cual las células responden a señales externas como las que ocun'en durante los procesos del desarrollo.

2. El brote simultáneo de numerosas partículas víricas de la membrana celular puede desganar la membrana y producir fugas masivas que no pueden repararse.

17.3 Virus 66 9

Partícula del VIH

FIGURA 17L

Ciclo reproductor del VIH, un retrovirus

Tras unirse la partícula del virus a los receptores de superficie sobre la célula hospedadora (a), su cubierta se funde con la membrana plasmática de la célula (b) , liberando así la cápside y su contenido [(vRNA) y varias enzimas del virus] al citoplasma (e). La enzima del virus transcriptasa inversa cataliza la síntesis de una cadena de DNA complementaria del vRNA (d) y luego procede a formar una segunda cadena de DNA que es complementaria de la primera. A continuación, el DNA bicatenario del virus (vDNA) se transfiere al núcleo, donde se integra a sí mismo en un cromosoma del hospedador con la ayuda de la integrasa vírica (e). El provirus (el genoma vírico integrado) se replica cada vez que la célula sintetiza un nuevo DNA. La transcripción del DNA del virus da lugar a la formación de dos copias de transcritos de RNA: moléculas de RNA que actúan como el genoma vírico (f) y moléculas que codifican la síntesis de proteínas del virus (p. ej. , transcriptasa inversa, proteínas de la cápside, proteínas de la cubierta e integrasa del virus) (g). Las moléculas proteínicas se combinan con el genoma de vRNA durante la creación de nuevos virus (h) que brotan de la superficie de la célula

hospedadora (i) y luego proceden a infectar a otras células (j).

670 CAPíTULO DIECISIETE Ácidosnucleicos

BIOQU í M I CA EN PERSPECTIVA cont

3. La liberación masiva de vims recién fOlmados por una célu­la, dirigida por el provims, puede destruir tanto a la célula que llega a desintegrarla.

4. La unión de moléculas de superficie gp 120 a los receptores CD4 de células normales cercanas conduce a la formación de grandes masas celulares multinucleadas no funcionales que se denominan sincitios.

La infección por el VIH progresa a través de varias fases, cuya longitud puede variar considerablemente de una persona a otra. Los síntomas primarios, que aparecen en general pronto tras la ex­posición inicial al virus y que duran varias semanas son fiebre, le­targia, cefalea y otros trastornos neurológicos, diarrea y adenome­galia. (Los anticuerpos frente al VIH son detectables durante este periodo.) La exacerbación de estos síntomas, que recibe el nombre de complejo relacionado con el sida (ARC), a menudo puede re­petirse. Finalmente, el sistema inmunitario queda tan afectado que la persona se hace susceptible a enfermedades oportunistas graves y se dice que ha desarrollado sida. El tiempo que se requiere para la aparición de este síndrome puede variar de 2 años a 8 o 10 años. Por razones desconocidas, unos pocos pacientes no presentan sida aun después de 15 años de la infección por el VIH. (Recientemente se ha sugerido que algunas de estas personas están infectadas con variantes atenuadas del VIH.) Algunas de las enfermedades más frecuentes relacionadas con el sida son la neumonía por Pneumo­cystis carinii, la meningitis por criptococos (inflamación de las

membranas que recubren el encéfalo y la médula espinal), la toxo­plasmosis (lesiones cerebrales, daño cardiaco, trastornos renales y anomalías fetales) , las infecciones por citomegalovirus (neumo­nía, insuficiencia renal , daño hepático y ceguera) y la tuberculosis. La infección por el VIH está también asociada con varios tipos de cáncer, el más común de los cuales es un cáncer poco frecuente de la piel que se denomina sarcoma de Kaposi.

No existe cura para el sida. El tratamiento busca suprimir los síntomas (p. ej., antibióticos para las infecciones) y lentificar la reproducción del virus. Las tasas de mortalidad han disminuido desde 1995 debido a la introducción de un protocolo de trata­miento que se denomina tratamiento con antirretrovíricos muy activos (HAART), que consiste en combinaciones de fármacos de las categorías siguientes: (1) inhibidores nucleósidos de la transcriptasa inversa (NRTI) (p. ej., azidotirnidina, que también se denomina zidovudina o AZT), (2) inhibidores no nucleósidos de la transcriptasa inversa (NNRTI) (p. ej., efavirenz) e inhibido­res de la proteasa (p. ej. , indinavir). Los NRTI y NNRTI inhiben la síntesis del vDNA que cataliza la transcriptasa inversa. Los inhibidores de la proteasa son una clase de fármacos que evitan el procesamiento de la proteína del virus que se requiere para el ensamblaje de los nuevos viriones.

Debido a que el genoma vírico muta con frecuencia (i.e., sus antígenos de superficie se alteran), la obtención de una vacuna para el sida es problemática.

RESUMEN : La infección vírica altera el funcionamiento celular. Al suprimir algunos

genes celulares y activar otros, el gen ama vírico dirige las células hospedadoras para que

produzcan nuevos virus en un proceso que a menudo causa la muerte celular.

Recuérdese que según el dogma central, el flujo de la información genética va de DNA a RNA y luego a proteínas. Los retrovirus son una excepción a esta regla. Las alteraciones del dogma central que se observan en los retrovirus y otros virus RNA pueden ilustrarse de la forma siguiente:

Compárese esta ilustración con la original del dogma central (pág. 629) . Descríbanse las implicaciones de cada componente de estas figuras.

Resumen del capítulo l. 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 apareamientos de bases de los nucleótidos se forman debido a los enlaces de hidrógeno que se forman entre determinadas bases: adenina con ti mina 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 Waals entre bases heterocíclicas apiladas, enlaces de hidrógeno entre pares de bases GC y AT, e hidratación con moléculas de agua. La decodificación 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.

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. Varios tipos de modificación covalente de las histonas (p. ej. , acetilación y meti lación) cambian la estructura y la función de las histonas de los nu­cleosomas. 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

Lecturas recomendadas 67 1

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 rcguladoras. Las modifi­caciones covalentes del DNA y de las histonas pueden causar cambios en la expresión génica.

8. El RNA se diferencia del DNA en que contiene ribosa (en lug¡u' de desoxin'ibosa), tiene una composición de bases algo distinta yen general es de cadena individual. Las formas de RNA que participan en la síntesis de proteínas son el RNA de transfe­rencia, el ribosomal y el mensajero. Las moléculas de RNA de transferencia tienen aminoácidos específicos unidos a ellas por enzimas específicas y los transportan a los ribusomas para su incorporación en las proteínas que se sintetizan, donde se alinean de manera correcta durante la síntesis de proteínas. Los RNA ribosomales 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 elmiRNA, el siRNA, el snoRNA y el nsnRNA.

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.

JO. El VIH es un retrovirus que produce el sida. Los retrovirus son una clase de virus RNA que poseen una actividad transcripta­sa inversa que convierte su genoma RNA en una molécula de DNA. Este vDNA después se inserta en el genoma de la célula hospedadora, produciendo una infección permanente. Por últi­mo, la infección por el VIH destruye el sistema inmunitario de las personas infectadas .

COMPANION

OH W E B S I T E

El lector incrementará su aprendizaje visitando el sitio de red de apoyo de bioquímica en www.oup.com/us/mckee. donde podrá resolver un examen de opción múltiple sobre ácidos nucleicos a fin de prepararse para los exámenes de su curso .

Lecturas recomendadas Beck, s., and Olek, A. (eds.) , The Epigenome: Molecular Hide and

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Palabras clave agente intercalador, 635 epigenético, 645

agente no a[qui lante, 635 empalmosomas, 663

alquilación, 634 exón,650

análogos de [as bases, 634 expresión génica, 629

apoptosis, 668 eucromatina, 648

biología molecular, 626 genes, 626

cadena antisentido, 663 genética, 626

cadena con sentido, 663 genoma,627

centró meros, 651 heterocromatina, 648

ciclo lítico, 667 hibridación, 656

cistrón,661 hibridación de Southern, 657

cromatina, 645 hidroxiapatita, 653

cromosoma, 642 huellas de DNA, 658

desnaturalización, 654 identificación genética, 658

DNAA,640 intrón, 650

DNA B, 640 LINE, 652

DNA satélite, 651 lisogenia, 667

DNA Z, 640 metaboloma, 629

efecto hipocrómico, 654 método de terminación de cade-

elemento genético móvil , 652 na, 657

elementos transponibles del DNA, microRNA, 662

652 microsatélites. 652

Preguntas de revisión

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minisatélites, 652 ribozima, 659

mutación por transición, 633 RNA cortos interferentes, 662

mutación por transversión, 634 RNA de transferencia, 660 mutaciones puntuales, 633 RNA mensajero, 661 nucleohistonas, 645

RNA no codificador, 662 nucleosomas, 645

operón, 650 RNA nuclear corto, 663

perfil de DNA, 658 RNA nucleo[ar corto, 662

polimorfismo de la longitud de RNA ribosomal, 661

los fragmentos de restricción, secuencias intergénicas, 650 658

SINE, 652 profago, 667

proteoma, 629 telómeros, 651

reglas de Chargaff, 639 tipificación de DNA, 658

repetición entremezclada en todo traducción, 629

el genoma, 652 transcripción, 627

repeticiones en tándem, 651 transcriptoma,627 repeticiones cortas en tándem, 658 transcrito, 627 replicación, 627

transducción, 667 retro posones, 652

retrovirus, 667 transposición, 652

ribonucleoproteína nuclear pe- transposón, 652

queña, 663 transposones de RNA, 652

Estas preguntas están disei'iadas para poner a prueba el conocimiento del lector sobre los conceptos clave expuestos en este capítulo, antes de pasar al siguiente. El lector puede comparar sus respuestas con las soluciones que se proporcionan al fina l del libro yen la Guía de estudio de apoyo, si así lo desea.

l . Defínanse los siguientes té rminos: a . genética

b. replicación c. transcripción

d. esqueleto azúcar-fosfato e. bacteriófago

2. Existen varias formas estructurales del DNA. Menciónense y ·-descríbase cada forma .

3. Descríbase la estructura de orden superior del DNA que se denomina superenrollamiento.

4. Defínanse los siguientes términos: -a. reglas de Chargaff

b. efecto hipocrómico c. transposón d. familia Alu e. transcriptoma

5. Escríbanse tres propiedades biológicas facilitadas por el super­enrollamiento.

6. Menciónense tres diferencias entre el DNA de las eucariotas y el de las procariotas.

7. Descríbase la estructura de un nucleosoma. 8. Defínanse los siguientes términos:

a. DNA satélite

b. corte y empalme c. método de terminación de la cadena d. desnaturali zac ión del DNA e. retroposón

~Descríbanse las diferencias estructurales entre el RNA y el DNA.

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

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

12. Existe un par de bases cada 0 .33 nm de DNA y la longitud total del DNA de una cél ula 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 X 108 km).

13. Defínanse los siguientes términos: - a. telómero

b. minisatélite c. perfil de DNA d. intrón e. exón

14. Una muestra de DNA contiene 2 1 % de adeni na. ¿Cuál es su composición porcentual de bases?

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

16. Defínanse los siguientes términos: a. transversión b. epigenética c. agente intercalador d. UNE e. SINE

J2.--.?rganícense los términos siguientes de forma jerárquica: a. cromosoma b. gen c. nucleosoma d. par de bases nucleotídicas

Preguntas de revisión 673

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

5' -AGGGGCCGTTATCGTT-3' 19. Defínanse los siguientes términos:

a. transcriptoma b. RNA no codificador c. RNA corto nucleolar d. microsatélite e. RNA corto interferente

20. ¿Qué son las poliaminas y cuál es su función en la estructura deIDNA?

21. Defínanse los siguientes términos : a. cadeña consentido b. efecto hipocrómico c. transposición d. transcrito e. elemento genético móvi{

22. Descríbanse las características estructurales que estabil izan las moléculas de RNA.

23 . ¿Cómo se retienen los patrones de metilación del DNA de una generación celular a la siguiente? Véase el recuadro Bioquí­mica en perspectiva disponible en línea sobre epigenética y el epigenoma.

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

25. Cuando un hidrocarburo aromático se intercala entre dos pares de bases api ladas, ¿qué efecto es posible en la estructura del DNA?

26. ¿Qué efectos pueden tener las moléculas de hidrocarburos intercaladas en la replicación del DNA?

27. La AZT se usa en el tratamiento del sida. Examínese su es­tructura y sugiérase su mecanismo de acción.

AZT

28. Las reglas de Chargaff se aplican al DNA, pero no al RNA.

¿Por qué? 29. ¿Cómo y por qué se modifican las bases del tRNA? 30. ¿Cómo afecta el agua la estructura del DNA?

674 CAPíTULO DIECISIETE Ácidosnucleicos

Preguntas para ra.zonar El objetivo de estas preguntas es reforzar la comprensión de todos los conceptos clave expuestos en el libro hasta el momento. Esfactible que no tengan sólu una respuesta currecta. Los autores proporcionan soluciones posibles a estas preguntas al final del libro y en la Guía de estudio de apoyo, para referencia del lector.

31. 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 cntre el DNA y el RNA, explíquese este fenómeno.

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

33. Explíquese en términos generales cómo participan las poli­aminas en la consecución de una estructura muy comprim ida del DNA.

34. 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?

35. Jerome Vinograd encontró que el DNA circular de un polio­mavirus se separa en dos bandas diferentes cuando se centrifu­ga. Una banda consta de DNA superenrollado y la otra de DNA laxo. ¿Cómo podría identificarse cada banda?

36. 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?

37. 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?

38. El VIH es un retrovirus. Sugiéranse razones por las que la producción de una vacuna para evitar la infección por el VIH es tan difícil de conseguir.

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

40. A diferencia del DNA de en lace y del DNA desproteinizado, los segmentos de DNA enro llados en los núcleos de histonas son relativamente resistentes a las acciones hidrolíticas de las nucleasas. ¿Por qué?

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

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

43. Se ha resuelto finalmente el caso de un asesinato de un niño de 10 años en un pequeño poblado gracias a los esfuerzos de un detective que aprovechó una nueva base de datos estatal de DNA que contiene muestras de DNA de criminales condena­dos. Explíqllese cómo se resolvió este caso, comenzando con la llegada de una unidad de peritos forenses al lugar del asesi­nato. ¿Qué avances tecnológicos hicieron posible la resolución del caso?

44. 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 ret ienen un genoma con la capacidad de producir varias proteínas de transporte de electrones. Revísese el transporte electrón ico mitocondrial y sugiérase una razón por la cual estos organelos generadores de energía retuvieron los genes que producen este conjunto de moléculas.

45. J2!1rante el proceso infeccioso, los virus pueden incorporar segmentos del genoma del hospedador en sus estructuras. Explíq uese el modo en que este fenómeno puede contribuir a la aparición de nuevas enfermedades o exacerbar patologías existentes.

46. Se ha calculado que cada grupo fosfato del DNA B puede formar enlaces de hidrógeno con seis moléculas de agua. Esbócese un diagrama de un en lace fosfodiéster de DNA con sus moléculas de agua unidas.

47. Los agentes alquilantes son compuestos que reaccionan con grupos hidroxi lo y amino para formar moléculas alquiladas. Por ejemplo:

Citosina N-Metilaminocitosina

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 (prol iferación 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.

48. ~os gemelos idénticos comienzan la vida con genomas y --epigenomas idénticos. ¿Cómo cambian éstos con la edad?

Sugiérase el modo en que podrían usarse tales cambios como un recurso forense. [Sugerencia: Consúltese el recuadro Bio­química en perspectiva disponib le en línea sobre epigenética y el epigenoma, cO'Tespondiente a este capítulo.]

49. 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.

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