La escalera de la vida

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El ADN nos define (fuente)

El ADN es la molécula que porta la información necesaria para la generación de un individuo . Su descubrimiento, estudios y aplicaciones dieron lugar a una nueva era, la era del ADN o Genómica. Esta simple molécula, cuya estructura se asemeja a una escalera cuyos peldaños delinean una doble hélice; como intentaremos explicar y haceros llegar en esta entrada, es el material que contiene la información de la vida y nos define como seres individuales; así que, os animamos a continuar leyendo para conocer más sobre el secreto de la vida.

Descubrimiento del ADN

En 1869, el médico suizo Friedrich Miescher aisló por primera vez la molécula de ADN a partir de extractos de núcleo de unas células. Esa sustancia era totalmente distinta a las macromoléculas orgánicas conocidas hasta el momento (los lípidos y las proteínas) y la denominó nucleina, que posteriormente sería conocido como ácido nucleico. 

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Nucleótido  (1)

Durante los años veinte, el matemático Phoebus Levene estudió la estructura y función del ADN (ácido desoxirribonucleico), lo que le llevó a identificar una molécula cuya estructura era ligeramente distinta: el ARN (ácido ribonucleico). Además describió que el ADN está formado, por lo que él denominó, nucleótidos. Estos nucleótidos están compuestos por 4 bases nitrogenadas diferentes: dos purinas (Guanina y Adenina) y dos pirimidinas (Timina y Citosina).

¡Toda la información está en el ADN!

Experimento realizado por Griffith en 1928 (2)

Experimento realizado por Griffith en 1928 (2)

En 1928, el médico y genetista británico Frederick Griffith analizó la mortalidad de ratones frente a diversas combinaciones de cepas bacterianas virulentas y no virulentas de S.pneumoniae y su consecuente capacidad de ser “transformadas”. Este experimento le llevó a concluir que el ADN es un portador activo de información biológica. (Ver figura de la izquierda para más información).

En 1944, los hallazgos de Oswald Avery, Maclyn McCarty y Colin MacLeod mezclaron el ADN de bacterias virulentas con el cuerpo celular de bacterias inocuas.  Este proceso de transformación daba como resultado una bacteria que era letal para los ratones. Por lo que el ADN debía de ser el único responsable de que al final una bacteria fuese o no dañina. Este hallazgo les llevó a concluir que el ADN tenía una capacidad transformante de los organismos.

Porcentaje de las cuatro bases nitrogenadas en el ADN humano

Porcentaje de las cuatro bases nitrogenadas en el ADN humano. Cienciasomostodos.

En 1950, Erwin Chargaff determinó que la composición del ADN de especies distintas era más variable que la composición de las proteínas, lo que convertía al ADN en un mejor candidato para explicar las diferencias entre especies. 

Además encontró una regularidad peculiar en los ratios de las bases nucleotídicas de todas las especies que estudió: el porcentaje de adeninas (A) era aproximadamente igual que el porcentaje de Timinas (T), y el porcentaje de Guaninas (G) similar al porcentaje de citosinas (C).

Como ya comentamos en la anterior entrada, dos años después, en 1952, los experimentos de A. Hershey y M. Chase demostraron de forma inequívoca que el ADN es la molécula portadora de la información hereditaria, que se transmite de una generación a la siguiente.

Estructura del ADN

Fotografía 51, muestra el patrón de difracción de rayos X por el ADN

Fotografía 51, muestra el patrón de difracción de rayos X por el ADN (3)

La biofísica y cristalógrafa Rosalind Franklin y el físico Maurice Wilkins se dedicaron a estudiar la estructura del ADN mediante difracción de rayos X. En 1952, Franklin obtuvo la famosa fotografía 51 por dicho método, que mostraba un intrigante patrón regular. Esta foto llegó a manos del físico Francis Crick y del biólogo James D. Watson, que fueron capaces de aunar la información desprendida de la foto con la de experimentos anteriores, y así desarrollar el modelo estructural de la molécula de ADN. ¡El ADN era una doble hélice!

Placa conmemorativa de la historia del pub Eagle (Cambridge, Inglaterra) que cuenta la historia del pub incluyendo a Watson y Crick. Cienciasomostodos

Placa conmemorativa en el pub Eagle (Cambridge, Reino Unido) donde Watson y Crick acudían con frecuencia y discutían sus teorías. Cienciasomostodos.

El 28 de Febrero de 1953, en un pub de Cambridge (Inglaterra) conocido como The Eagle a la hora del almuerzo, Francis Crick anunció que James Watson y él mismo habían descubierto lo que llamaron “el secreto de la vida” , habían dilucidado la estructura del material genético. Esta anécdota, entre otros muchos datos y experiencias, está recogida en el libro escrito por James Watson: “The Double Helix“. 

Watson a la derecha y Crick a la izquierda

Watson, a la derecha y Crick, a la izquierda (4)

Finalmente, en 1962, James Watson, Francis Crick y Maurice Wilkins recibieron conjuntamente el Premio Nobel de Fisiología y Medicina por la determinación de la estructura del ácido desoxirribonucleico (ADN). Debido a que el Premio Nobel se otorga sólo en vida, Rosalind Franklin (1920-1958) no pudo ser honrada.

Aquí os dejamos una entrevista realizada a Watson años después del descubrimiento, en la que cuenta su experiencia al revelar un descubrimiento de índole tan grande(21):

Aquí subtitulado en español.

Dogma central de la biología molecular

¿Cómo se replica el ADN?

Replicación semiconservativa del ADN (5)

Replicación semiconservativa del ADN (5)

Watson y Crick ya intuyeron en 1953 cuál podría ser el mecanismo para llevar a cabo la replicación del ADN, que se produce cuando dos células se dividen. Propusieron que las dos cadenas de la doble hélice se separaban, y se sintetizaba una cadena complementaria a cada una de ellas, siguiendo un modelo de replicación semiconservativa. Pero no fue hasta 1958 cuando se demostró experimentalmente la hipótesis semiconservativa, lo cual fue gracias a Matthew Meselson y Franklin Stahl Su experimento consistió en cultivar la bacteria E. Coli en un medio con nitrógeno pesado y luego en un medio con el isótopo normal (para más información ver vídeo explicativo aquí (24)).

Dilucidar el código genético: del ADN a las proteínas 

En 1941, George Beadle y Edward Tatum, sugirieron que existía una relación 1:1:1 entre el número de genes, enzimas y reacciones bioquímicas (teoría de un gen, una enzima). Pero aún se desconocía la forma en que la secuencia de nucleótidos de cada gen estaba relacionada con la secuencia de aminoácidos de su proteína correspondiente. Obtuvieron el Premio Nobel de Fisiología y Medicina en 1958.

En 1959, un compatriota español, Severo Ochoafue galardonado con el Premio Nobel en Fisiología y Medicina junto con Arthur Kornbergpor sus descubrimientos sobre el mecanismo de la síntesis biológica de ARN y ADN.

En 1958, Arthur Kornberg purificó la proteína ADN polimerasa a partir de células bacterianas E. coli. Hoy en día sabemos que la ADN polimerasa es responsable de la replicación del ADN.

Severo Ochoa

Severo Ochoa (6)

Severo Ochoa, a lo largo de su carrera científica, hizo aportaciones de gran relevancia en procesos celulares tan diversos como la química de la contracción muscular; la glicolisis, la oxidación del piruvato, el ciclo tricarboxílico, el metabolismo del ácido propiónico y la fosforilación oxidativa; la síntesis del ácido ribonucleico (ARN) y la clave genética, o la síntesis de proteínas y su regulación. Pero lo que le llevó a la concesión del Premio Nobel fue la descripción por primera vez,  en 1954, la enzima polinucleótido fosforilasa, una de cuyas funciones es catalizar la formación de un polímero de ARN compuesto sólo por residuos de AMP. Así, por primera vez se logró sintetizar un ARN en el tubo de ensayo mediante una reacción enzimática.

Severo Ochoa en el muelle del puerto de Gijón, 1964.

Severo Ochoa en el muelle del puerto de Gijón, 1964 (6)

Su vida ejemplar es un buen modelo para los jóvenes, a los cuales Severo Ochoa siempre intentaba inculcarles conocimientos y esperanzas:

Si os apasiona la ciencia, haceos científicos. No penséis lo que va a ser de vosotros. Si trabajáis firme y con entusiasmo, la ciencia llenará vuestra vida.

En el año 1960 se describió el ARN mensajero, que es el ARN que va a dar lugar posteriormente a una proteína. Esto llevó a pensar en el uso de “ARN sintéticos” para ser utilizados como instrumento de producción de proteínas in vitro, en sistemas acelulares, y así estudiar cuál era el código genético que permitía pasar del ARN a proteína. Así, inmediatamente después de recibir el Premio Nobel, en dura competencia con los laboratorios de Nirenberg y Khorana, Ochoa descifra el diccionario que rige el paso ARN  → proteína gracias al uso de la polinucleótido fosforilasa, que fue bautizada como la “piedra Rosetta” del código genético.

Para saber más sobre Severo Ochoa, esta semana hemos realizado una entrevista con el Doctor César de Haro, que fue su último discípulo español. Os animamos a ver el siguiente vídeo (22):

Entrevista a cesar de haro

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Experto de Nirenberg (1961)  © 2008 Nature Education

En 1961, Francis Crick, Sydney Brenner et al. concluyeron que el código genético está estructurado en tripletes (conjuntos de tres nucleótidos). Ese mismo año, Marshall W. Nirenberg estudió in vitro la incorporación de aminoácidos en proteínas, mediante el marcaje de los aminoácidos con carbono-14 (isótopo radiactivo). Niremberg obtuvo polinucleótidos sintéticos mediante la polinucleótido fosforilasa, de forma que el polinucleótido resultante sólo tenía Adeninas (poli-A), Uridinas (poli-U), Citosinas (poli-C) o Guaninas (poli-G). Luego, utilizó cada polinucleótido para producir una proteína, y observó que la proteína estaba formada por un único tipo de aminoácido. En consecuencia, se asignó cada triplete al aminoácido que producía.

En 1968, M. W. Nirenberg, Har Gobind Khorana y Robert W. Holley fueron galardonados con el Premio Nobel de Fisiología o Medicina,  por su interpretación del código genético y su función en la síntesis de proteínas.

Además,  se sabe que el Código Genético es universal, es decir, es compartido por todos los organismos conocidos aunque pueden aparecer pequeñas diferencias.

Dogma central de la biología molecular

Dogma central de la biología molecular

Dogma central de la biología molecular (7)

Todos estos avances y descubrimientos permitieron a Francis Crick enunciar, en 1970,  el dogma central de la biología molecular: “El ADN crea una copia de toda su información en cada división celular (proceso de replicación). Pero también una de sus hebras puede utilizarse como modelo para sintetizar una molécula de ARN (proceso de transcripción). El ARN es la información utilizada por una “máquina” llamada ribosoma para sintetizar una proteína (proceso de traducción)”.

No obstante, se fueron detectando “excepciones que confirman la regla”:

  • Hay algunos virus que poseen ARN como material genético original y que son capaces de copiarlo a ADN, gracias a que tienen una enzima llamada transcriptasa reversa. Esta enzima fue descubierta por David Baltimore, Howard Temin y Renato Dulbecco en 1970.
  • No todo el ARN se traduce, de hecho hay varios tipos de ARN y sólo el ARN mensajero es el que codifica para una o más proteínas.

Análisis de la secuencia de ADN

Secuenciación del ADN

Ejemplo de secuenciación de un fragmento del genoma humano

Ejemplo de secuenciación de un fragmento del genoma humano (8)

En 1975, Frederick Sanger desarrolló el primer método de secuenciación de ADN, conocido también como Método de Sanger. Este método se basa en la utilización de nucleótidos normales (NTPs) y modificados (ddNTPs), de tal forma que cuando estos últimos sean utilizados aborten la replicación de cada molécula de ADNGracias a esta técnica, en 1977 se secuenció por primera vez el genoma completo de un organismo: el bacteriófago Φ-X174.

En 1977, Allam Maxam y Walter Gilbert desarrollaron otra técnica de secuenciación de ADN, la cual requiere su modificación química.

Estas dos técnicas requerían de mucho tiempo y esfuerzo para secuenciar el ADN, sobre todo si se trataba de un genoma completo. Tal fue el caso de la secuenciación del genoma humano que se completó en el año 2001, y que fue posible gracias a las contribuciones del Proyecto Genoma Humano, dirigido por Francis Collins, y de la empresa Celera Genomics, bajo la dirección de Craig Venter.

Hoy en día, existen técnicas de secuenciación mucho más rápidas y automatizadas, conocidas como Técnicas de Secuenciación Masiva.

Cambios en la secuencia de ADN

Gran variabilidad del ser humano

Gran variabilidad del ser humano (9)

La secuenciación del genoma  ha permitido detectar dónde se suelen producir las pequeñas diferencias que hacen que cada ser humano sea diferente al resto. Dos individuos diferentes comparten aproximadamente el 99% de su secuencia de ADN. Por lo que, sus diferencias fenotípicas (apariencia física, susceptibilidades a ciertas enfermedades…) radica en ese 0,1% de variación, así como en un fenómeno denominado epigenética. A esas de variaciones genéticas se les conoce como polimorfismos genéticosconcepto definido en 1940 por E. B. Ford. Los polimorfismos genéticos más comunes son los polimorfismos de nucleótido sencillo (SNPs), en los cuales lo que cambia es un solo nucleótido.

Además, el ADN no es una entidad estática, sino que sufre mutaciones. Las mutaciones a pequeña escala se pueden clasificar como: sustitución de bases, delecciones, inserciones y CNV (variación en el número de copias).

Evolución

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Teoría de la evolución de Darwin (10)

Las mutaciones pueden ocurrir de forma aleatoria a lo largo del ADN, aunque la mayoría de ellas no tienen efecto fenotípico, pues se acaba produciendo el mismo aminoácido que antes (mutaciones sinónimas). Estas mutaciones aleatorias son las que han originado el enorme polimorfismo biológico que ha resultado en el proceso conocido como evolución. Así, como ya mencionamos antes, mucho de lo que nos hace ser únicos se debe a diferencias en nuestra secuencia de ADN: susceptibilidad o resistencia individual a diferentes enfermedades; respuesta a distintos fármacos…

En el siglo XX se plantearon dos nuevas teorías para explicar la evolución. La primera de ellas fue la teoría de la evolución por selección natural (neodarwinismo), propuesta en 1918 por John B. Sanderson HaldaneRonald Fisher y Sewall Wright. El neodarwinismo propone que, como cada individuo es diferente (diferente secuencia de ADN), los que están bien dotados para vivir en un determinado medio ambiente tienen más posibilidades de sobrevivir. Por otra parte, en 1968 se plantea la teoría de la evolución molecular al azar por Motoo Kimura. Esta teoría plantea que las mutaciones son neutras, por lo que no tienen ni más ni menos ventajas sobre los genes en los que se producen.

Enfermedades genéticas

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Una mutación en un gen concreto puede producir cáncer (11)

Aunque minoritarias, hay algunas mutaciones que dañan la función de la proteína o de un elemento regulador. Son las llamadas mutaciones no sinónimas, que conllevan la producción de un aminoácido distinto en la proteína.

La idea de enfermedad genética fue introducida por Edward Garrod en 1902 con la alcaptonuria.  Garrod estudió los patrones de esta enfermedad en varias familias, concluyendo que la enfermedad era causada por la mutación en el gen de enzima metabólica, y que este gen mutante se podía heredar de padres a hijos.

Por tanto, la detección temprana de estas mutaciones es una herramienta diagnóstica para prevenir la enfermedad o diagnosticarla, en el caso de que no se haya podido prevenir. La secuenciación del ADN es pues una herramienta muy útil, pero no se puede aplicar aún a gran escala en la medicina porque su coste es elevado. Aunque, a día de hoy, hay algunas enfermedades hereditarias, como el cáncer de mama y el cáncer de colón, para las que sí se analiza las secuencias de genes implicados con el fin de poder actuar antes de la manifestación de la enfermedad.

¡No podrás pasar desapercibido!: Genética forense

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La genética forense se basa en el análisis del ADN para conseguir la identificación de individuos. Para ello, se basa en la utilización de polimorfismos genéticos, principalmente polimorfismos de restricción (RFLPs), polimorfismos de nucleótido sencillo (SNPs) y polimorfismos de repetición de número de copias (CVNs). 

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Se distinguen tres ramas de la genética forense:

  • Resolución de casos de paternidad.
  • Determinación de la procedencia de una muestra de ADN en criminología.
  • Identificación de restos cadavéricos y personas desaparecidas.

Angel Carracedo Álvarez da aquí más información sobre este tema, en la Fundación Ramón Areces (23):

BIBLIOGRAFÍA

  1. Nucleótidos y ácidos nucleicos. [Internet]. Disponible en: http://www.fisicanet.com.ar/biologia/introduccion_biologia/ap13_nucleotidos_y_acidos_nucleicos.php [Consultado 15 Nov 2013]
  2. Experimento de Griffith [Internet]. Disponible enhttp://es.wikipedia.org/wiki/Experimento_de_Griffith [Consultado 15 Nov 2013]
  3. Photo 51 [Internet]. Disponible en: http://en.wikipedia.org/wiki/Photo_51 [Consultado 15 Nov 2013]
  4. “Hemos hallado el secreto de la vida”. [Internet] Disponible en: http://www.noticiasliterarias.com/cultura/ciencia/Cultura_ciencia%2004.htm [Consultado 15 Nov 2013]
  5. DNA Replication. [Internet]. Disponible enhttp://www.exploringnature.org/db/detail.php?dbID=106&detID=2449 [Consultado 15 Nov 2013]
  6. De Haro, César et al. Severo Ochoa. Un científico apasionado. Fundación BBVA y Fundación Carmen y Severo Ochoa; Madrid; 2007
  7. Central dogma of molecular biology. [Internet] Disponible en: http://en.wikipedia.org/wiki/Central_dogma_of_molecular_biology [Consultado 15 Nov 2013]
  8. One this day in history: human genome completion. [Internet] Disponible en: http://www.australiangeographic.com.au/journal/one-this-day-in-history-human-genome-completion.htm [Consultado 15 Nov 2013]
  9. El epigenoma también nos hace distintos. [ABC Internet]. Disponible en: http://www.abc.es/ciencia/20130806/abci-distincion-poblaciones-humanas-201308061340.html [Consultado 15 Nov 2013]
  10. Evolución humana. [Internet]. Disponible en: http://enciclopedia.us.es/index.php/Evoluci%C3%B3n_humana [Consultado 15 Nov 2013]
  11. Genes and Cancer [Internet]. Disponible en: http://web-books.com/MoBio/Free/Ch10D2.htm [Consultado 15 Nov 2013]
  12. Investigación forense y ADN, la importancia de los detalles. [Internet]. Disponible en: http://minerva.fbarrie.org/minerva/investigacion-forense-y-adn-la-importancia-de-los-detalles [Consultado 15 Nov 2013]
  13. Expertos en genética forense de seis países participan en una reunión en San Salvador. [Terra Internet]. Disponible en: http://www.terra.com.mx/articulo.aspx?articuloid=468070 [Consultado 15 Nov 2013]
  14. Discovering the rules of complementary base pairing, Erwin Chargaff [Entrevista. Internet]. Disponible en: http://www.dnalc.org/view/15251-Discovering-the-rules-of-complementary-base-pairing-Erwin-Chargaff.html [Consultado 15 Nov 2013]
  15. Cómo se estableció el triplete del código genético [Internet]. Disponible en: http://nutricionpersonalizada.wordpress.com/2010/01/02/establecio_triplete_codigo/ [Consultado 15 Nov 2013]
  16. García Barrero, Pedro. Cincuenta años de ADN doble hélice.  Sociedad Estatal de Conmemoraciones Culturales, Madrid 2003. Disponible en: http://www.pedrogarciabarreno.es/3.%20Libros/Cincuenta%20A%C3%B1os%20de%20ADN.pdf [Consultado 15 Nov 2013]
  17. James Watson, Francis Crick, Maurice Wilkins, and Rosalind Franklin. [Internet]. Disponible en: http://www.chemheritage.org/discover/online-resources/chemistry-in-history/themes/biomolecules/dna/watson-crick-wilkins-franklin.aspx [Consultado 15 Nov 2013]
  18. Esperanza Gómez, Lucía. La transcriptasa inversa: historia de un descubrimiento. Madrid; Universidad Complutense de Madrid. Virología | Volumen 14 – Número 2/2011. Disponible en: http://www.cbm.uam.es/sev/14-2/06-revision4%20trancriptasa.pdf [Consultado 15 Nov 2013]
  19. Evidencia de evolución. [Internet]. Disponible en: http://www.windows2universe.org/cool_stuff/tour_evolution_5.html&lang=sp [Consultado 15 Nov 2013]
  20. The Official Web Site of the Nobel Prize. [Internet]. Disponible en: http://www.nobelprize.org [Consultado 15 Nov 2013]
  21. TED- James Watson: How we discovered DNA [Vídeo-Internet]. Disponible en: http://www.youtube.com/watch?v=2HgL5OFip-0 [Consultado 15 Nov 2013]
  22. CienciaSomosTodos – Entrevista a César de Haro [Vídeo-Internet]. Disponible en: http://www.youtube.com/watch?v=NoJ7LFXLktQ [Consultado 15 Nov 2013]
  23. Fundación Ramón Areces– ADN: la genética forense y sus aplicaciones en investigación criminal. 
     [Vídeo-Internet]. Disponible en: http://www.youtube.com/watch?v=TJse0cFSzMc [Consultado 15 Nov 2013]
  24. BIOO854– Semiconservativa.  [Vídeo-Internet]. Disponible en: http://www.youtube.com/watch?v=blEAeGuiB1Q [Consultado 15 Nov 2013]
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