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Del ADN a la biotecnología moderna
El conocimiento
del ADN (ácido desoxirribonucleico), su estructura y función, fue determinante
para el desarrollo de la biotecnología moderna.
La estructura de doble
hélice del ADN, que los investigadores James Watson y Francis Crick propusieran
en 1953 proporcionó respuestas a muchas preguntas que se tenían sobre la
herencia. Predijo la autorreplicación del material genético y la idea de que la
información genética estaba contenida en la secuencia de las bases que conforman
el ADN. Más aún, con el correr de los años y de las investigaciones, se pudo
determinar que todos los seres vivos contienen un ADN similar, formado a partir
de las mismas unidades: los nucleótidos. Este código genético mediante el cual
se “escriben” las instrucciones celulares es común a todos los organismos. Es
decir que el ADN de un ser humano puede ser “leído” dentro de una bacteria, y
una planta puede interpretar la información genética de otra planta diferente.
A esta propiedad de la información genética se la conoce como “universalidad del
código genético”.
El código genético universal es uno de los conceptos
básicos para comprender los procesos de la biotecnología moderna. Por ejemplo,
la posibilidad de generar organismos transgénicos, y que las instrucciones del
ADN de un organismo puedan determinar nuevas características en organismos
totalmente diferentes.
La función del ADN
El ADN
tiene la función de “guardar información”. Es decir, contiene las instrucciones
que determinan la forma y características de un organismo y sus funciones.
Además, a través del ADN se transmiten esas características a los descendientes
durante la reproducción, tanto sexual como asexual. Todas las células,
procariotas y eucariotas, contienen ADN en sus células. En las células
eucariotas el ADN está contenido dentro del núcleo celular, mientras que en las
células procariotas, que no tienen un núcleo definido, el material genético está
disperso en el citoplasma celular.
La estructura del
ADN
El ADN está organizado en cromosomas. En las células
eucariotas los cromosomas son lineales, mientras que los organismos procariotas,
como las bacterias, presentan cromosomas circulares. Para cada especie, el
número de cromosomas es fijo. Por ejemplo, los seres humanos tienen 46
cromosomas en cada célula somática (no sexual), agrupados en 23 pares, de los
cuales 22 son autosomas y un par es sexual. Una mujer tendrá un par de
cromosomas sexuales XX y un varón tendrá un par XY.
Cada cromosoma tiene dos
brazos, ubicados por arriba y por debajo del centrómero. Cuando los cromosomas
se duplican, previo a la división celular, cada cromosoma está formado por dos
moléculas de ADN unidas por el centrómero, conocidas como cromátidas
hermanas.
Esquema de un cromosoma duplicado
El ADN se compone de dos cadenas, cada una formada por nucleótidos. Cada
nucleótido, a su vez, está compuesto por un azúcar (desoxirribosa), un grupo
fosfato y una base nitrogenada. Las bases nitrogenadas son cuatro: adenina (A),
timina (T), citosina (C), y guanina (G), y siempre una A se enfrenta a una T y
una C se enfrenta a una G en la doble cadena. Las bases enfrentadas se dice que
son complementarias. El ADN adopta una forma de doble hélice, como una escalera
caracol donde los lados son cadenas de azúcares y fosfatos conectadas por
“escalones”, que son las bases nitrogenadas. La molécula de ADN se asocia a
proteínas, llamadas histonas, y se encuentra muy enrollada y compactada para
formar el cromosoma. Esta asociación de ADN y proteínas se conoce como
cromatina. La cromatina puede estar enrollada en mayor o menor grado,
dependiendo de la etapa en que se encuentra la célula; por ejemplo, cuando el
ADN se ha duplicado antes de que la célula se divida, la cromatina se compacta
en su mayor grado, y como resultado se pueden visualizar los cromosomas
duplicados al microscopio como corpúsculos con forma de X.
La doble
hélice de ADN con las bases nitrogenadas complementarias que se ubican hacia
dentro y establecen uniones no covalentes (o fuerzas de atracción) entre sí que
mantienen la estructura de la molécula. Las desoxirribosas (azúcares) y los
grupos fosfato constituyen las columnas de la molécula.
La
imagen representa una célula eucariota en la cual se amplía un cromosoma, y se
muestra la estructura del ADN que lo constituye. Un fragmento particular del ADN
forma un gen que determina una característica particular. El ADN se forma a
partir de la unión de nucleótidos, que pueden tener cuatro bases nitrogenadas
diferentes: A, T, C, G.
Cuando la célula se divide, cada nueva célula que
se forma debe portar toda la información genética, que determine sus
características y funciones. Para eso, antes de dividirse, el ADN debe
replicarse, es decir generar una copia de sí mismo. Durante la replicación, la
molécula de ADN se desenrolla, separando sus cadenas. Cada una de éstas servirá
como molde para la síntesis de nuevas hebras de ADN. Para eso, la enzima
ADN-polimerasa coloca nucleótidos siguiendo la regla de apareamiento A-T y C-G.
El proceso de replicación del ADN es semiconservativo, ya que al finalizar la
duplicación, cada nueva molécula de ADN estará conformada por una hebra “vieja”
(original) y una nueva.
Replicación semiconservativa del ADN de una célula eucariota.
¿Cómo
se interpretan las instrucciones escritas en el ADN?
La información está
guardada en el ADN en el código de secuencia de bases A, T, C y G que se
combinan para originar “palabras” denominadas genes. Los genes son fragmentos de
ADN cuya secuencia nucleotídica codifica para una proteína. Es decir que a
partir de la información “escrita” en ese fragmento de ADN se fabrica
(sintetiza) un tipo particular de proteína. Aunque, en realidad, los genes
también llevan la información necesaria para fabricar moléculas de ARN
(ribosomal y de transferencia) que intervienen en el proceso de síntesis de
proteínas. El ARN (ácido ribonucleico) es una molécula con una estructura
similar al ADN.
Un gen no es una estructura que se vea sino que se define
a nivel funcional. Es una secuencia que va a empezar en algún lugar del ADN y va
a terminar en otro. Para conocer un gen se secuencia, se determina la cantidad
de los nucleótidos que lo forman y el orden en que se ubican.
Todas las
células de un organismo tienen el mismo genoma, o conjunto de genes. Pero, en
cada célula se expresan los genes que se usan. Por ejemplo, aunque una célula de
la piel tiene toda la información genética al igual que la célula del hígado, en
la piel solo se expresarán aquellos genes que den características de piel,
mientras que los genes que dan características de hígado, estarán allí
“apagados”. Por el contrario, los genes que dan rasgos de “hígado” estarán
activos en el hígado e inactivos en la piel. Lo que no se usa se encuentra
mayormente compactado. Este empaquetamiento puede ser temporal o definitivo.
La síntesis de proteínas
Las proteínas son
macromoléculas que cumplen funciones variadas. Hay proteínas estructurales,
otras son enzimas, otras transportan oxígeno como la hemoglobina, hay proteínas
involucradas en la defensa inmunitaria, como los anticuerpos, otras cumplen
funciones de hormonas como la insulina, etc.
Así como el ADN está compuesto
a partir de nucleótidos, las proteínas están compuestas a partir de aminoácidos.
Hay 20 aminoácidos diferentes, y cada proteína tiene una secuencia de
aminoácidos particular.
El proceso de síntesis de proteínas consta
básicamente de dos etapas: la transcripción y la traducción. En la primera
etapa, las “palabras” (genes) escritas en el ADN en el lenguaje de los
nucleótidos se copian o transcriben a otra molécula, el ARN mensajero (ARNm).
Luego, en la etapa siguiente, el ARNm se traduce al idioma de las proteínas, el
de los aminoácidos. Este flujo de información se conoce como el “dogma central
de la biología”.
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Proceso de síntesis de proteínas en una célula eucariota. La transcripción
ocurre dentro del núcleo y la traducción en los ribosomas en el citoplasma.
La transcripción
Durante la transcripción la enzima ARN
polimerasa, copia la secuencia de una hebra del ADN y fabrica una molécula de
ARN complementaria al fragmento de ADN transcripto. El proceso es similar a la
replicación del ADN, pero la molécula nueva que se forma es de cadena simple y
se denomina ARN. Se denomina ARN mensajero porque va a llevar la información del
ADN hacia los ribosomas, las organelas encargadas de fabricar las proteínas. El
ARN, o ácido ribonucleico, es similar al ADN aunque no igual.
Como muestra la imagen, el ARN se diferencia del ADN en que es
de cadena simple, en lugar del azúcar desoxirribosa tiene ribosa, y en lugar de
la base nitrogenada timina, (T), tiene uracilo (U).
La
traducción y el código genético
La molécula del ARN mensajero se
traslada a los ribosomas donde ocurre la etapa de traducción. Durante esta etapa
el ribosoma lee la secuencia de nucleótidos del ARN mensajero por tripletes o
tríos de nucleótidos, denominados codones. A medida que el ribosoma lee la
secuencia de codones va formando una proteína, a partir de la unión de
aminoácidos. Según cuál es el codón que el ribosoma “lee” va colocando el
aminoácido que corresponde. Si se considera la combinación de cuatro bases
tomadas de a tres, existe un total de 64 codones posibles. Cada codón determina
qué aminoácido se colocará en la proteína que se está fabricando. De los 64
codones, 61 corresponden a aminoácidos y 3 son codones de terminación (stop),
responsables de la finalización de la síntesis proteica.
La siguiente tabla
es el código genético o “diccionario” que permite traducir la información
escrita en el lenguaje de los ácidos nucleicos (nucleótidos) al lenguaje de las
proteínas (aminoácidos), y es universal, o sea, es válido para todos los seres
vivos.
La tabla del código genético es universal y permite conocer a partir de
la secuencia del ARN mensajero cómo será la secuencia de la proteína para la
cual el gen correspondiente codifica.
Así, la secuencia ATG (AUG en el
ARNm) codifica para el aminoácido metionina, y el codón TTT (UUU en el ARNm)
codifica para el aminoácido fenilalanina en todos los organismos vivos. Como
sólo existen 20 aminoácidos en la naturaleza, varios codones pueden codificar
para el mismo aminoácido (por ejemplo, al aminoácido glicina le corresponden los
codones GGU, GGC, GGA y GGG).
Cada codón del ARNm es leído por otro ARN,
llamado ARN de transferencia (ARNt), que actúa como un “adaptador” entre la
información que lleva el ARNm y los aminoácidos que deben ir colocándose para
formar la proteína correspondiente. El ARNt es muy pequeño comparado con los
ARNm y tiene una secuencia, denominada anticodón que aparea (es decir, es
complementaria) con el codón. Cada ARN de transferencia tiene un anticodón y
“carga” un aminoácido en particular. Por ejemplo, el ARNt que tiene el anticodón
UCA, se aparea al codón AGU, y carga el aminoácido serina (Ser). De la misma
manera, el ARNt que carga tirosina (Tyr) se aparea, a través de su anticodón,
con el codón UAC. Así se va formando una cadena polipeptídica (proteína) a
medida que los anticodones de los ARNt reconocen sus respectivos codones en el
ARNm. Este proceso de síntesis proteica ocurre en los
ribosomas.
¿Qué son las mutaciones?
A veces, y
este es un fenómeno relativamente frecuente, la enzima que se encarga de la
replicación del ADN (ADN polimerasa) se equivoca, es decir, coloca un nucleótido
en lugar de otro. Si, por ejemplo, la enzima ADN polimerasa coloca una T en
lugar de una A podría ocurrir que al traducirse, se coloque en la proteína un
aminoácido diferente del que correspondería. Por lo tanto, la proteína generada
sería diferente en un aminoácido a la original. Este cambio en el ADN, llamado
mutación, podría alterar o anular la función de la proteína.
Este ejemplo
ilustra el efecto de los cambios o mutaciones puntuales (debidos a un único
cambio en la secuencia) en la proteína final. En algunos casos las mutaciones
pasan inadvertidas, pero también pueden provocar la falta de actividad de una
proteína esencial y causar una enfermedad. De todas formas, la mayoría de las
mutaciones no se manifiestan, o porque están en regiones del ADN donde no hay
genes, o porque no cambian el aminoácido, o porque ese cambio no altera la
función de la proteína. O bien podría alterarse la función y esto no resultar
perjudicial. Tal es el caso del carácter color de ojos, donde el color claro se
produce por falta de ciertas enzimas que fabrican los pigmentos del iris.
En
realidad, las mutaciones son la base de la biodiversidad. Es decir que las
pequeñas diferencias en el ADN es lo que determina que los seres vivos sean
diferentes entre sí. Esta diversidad en las características sumada a la
existencia de un código genético común entre los seres vivos, son dos hechos
determinantes en el desarrollo de la biotecnología moderna.
El
ADN y la biotecnología moderna
Cuando los científicos
comprendieron la estructura de los genes y cómo la información que portaban se
traducía en funciones o características, comenzaron a buscar la forma de
aislarlos, analizarlos, modificarlos y hasta de transferirlos de un organismo a
otro para conferirle una nueva característica. Justamente, de eso se trata la
ingeniería genética, a la que podríamos definir como un conjunto de metodologías
que nos permite transferir genes de un organismo a otro, y que dio impulso a la
biotecnología moderna. La ingeniería genética permite clonar (multiplicar)
fragmentos de ADN y expresar genes (producir las proteínas para las cuales estos
genes codifican) en organismos diferentes al de origen. Así, es posible obtener
proteínas de interés en organismos diferentes del original del cual se extrajo
el gen, mejorar cultivos y animales, producir fármacos, y obtener proteínas que
utilizan diferentes industrias en sus procesos de elaboración.
Fuente: cuadernos de biotecnología
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