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- Escrito por: Germán Fernández
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La teoría celular es uno de los pilares fundamentales de la biología moderna, estableciendo que todas las células se originan a partir de células similares preexistentes. Esta idea se formalizó a mediados del siglo XIX, basada en las observaciones de varios investigadores. La vieja observación de que la progenie de una especie biológica, al alcanzar el estado adulto, está compuesta de individuos con características similares a las de sus progenitores, encontró su explicación en la teoría celular.
La propuesta de que todos los organismos están formados por células fue presentada por primera vez por R. Hooke en el año 1660. Utilizando un microscopio, Hooke observó cortes finos de corcho y notó que estaban formados por pequeñas estructuras similares a celdas. Sin embargo, la teoría celular tal como la conocemos hoy en día se desarrolló más tarde, en el siglo XIX, gracias a los trabajos de diferentes investigadores.
En 1838, M. Schleiden descubrió que los tejidos vegetales están compuestos por células, y posteriormente, T. Schwann extendió esta observación a los animales. La importancia de este conocimiento se comprendió en 1858, cuando R. Virchow demostró que una célula no se genera espontáneamente, sino que proviene de otra célula similar.
Un año después, en 1859, Charles Darwin inició una revolución intelectual en la biología con su teoría de la evolución, expuesta en su libro "El origen de las especies". La teoría de la evolución pretende explicar el origen de la diversidad de los seres vivos y está relacionada con la herencia de características de una generación a otra. Darwin propuso que los organismos actuales son descendientes modificados de ancestros comunes, y que la fuerza principal que dirige los cambios evolutivos es la selección natural. Esta teoría cambió radicalmente nuestra comprensión de la vida y sentó las bases para la biología evolutiva.
Sin embargo, la comprensión de los mecanismos de herencia y transmisión de características de una generación a otra no se estableció claramente hasta principios del siglo XX. Gregor Mendel, un monje austríaco, estableció las leyes de la herencia en 1865, pero su importancia no se reconoció plenamente hasta su "redescubrimiento" en 1905 por De Vries.
Mendel y otros genetistas estudiaron cambios heredables en los organismos, como el color de las semillas o la forma de las flores. Estos cambios fenotípicos representan alteraciones en la información genética a nivel de organismo. Fue en la década de 1940 cuando T. H. Morgan, utilizando la mosca de la fruta como modelo de estudio, identificó a los cromosomas como las estructuras celulares que contienen la información genética. Morgan demostró la relación entre los genes y los cromosomas, sentando las bases para la comprensión de los mecanismos moleculares de la herencia.
En 1944, O.T. Avery, C. MacLeod y M. McCarthy realizaron un experimento clave al demostrar que el DNA de la bacteria Pneumococcus pneumoniae contenía la información genética. Aislaron una cepa no patógena de una cepa patógena y mostraron que solo el DNA era capaz de transmitir la capacidad de infectar a los ratones. Este descubrimiento estableció al DNA como la molécula portadora de la información genética.
La estructura del DNA fue descifrada en 1953 por Francis Crick y James Watson. Utilizando el análisis de difracción de rayos X, propusieron el modelo de la doble hélice de DNA. Este descubrimiento revolucionó la biología molecular y sentó las bases para comprender cómo se duplica y transmite la información genética.
A partir de 1953, se intensificó el estudio de los mecanismos moleculares relacionados con la duplicación, reparación, recombinación y transposición del DNA, así como el procesamiento celular de la información genética. Se descubrió que la información genética de todas las células se encuentra en el DNA, aunque en algunos virus y bacteriófagos también puede localizarse en moléculas de RNA. El DNA contiene la información necesaria para generar una nueva célula o un nuevo organismo, determinando sus características y su adaptación al entorno.
En conclusión, el postulado principal de la teoría celular establece que toda célula se genera a partir de una célula similar preexistente. La teoría de la evolución propuesta por Charles Darwin explica el origen de la diversidad de los seres vivos y la herencia de características de una generación a otra. Los estudios de Mendel y el descubrimiento de la estructura del DNA son hitos importantes en la comprensión de la genética y la biología molecular. Estos avances sentaron las bases de la biología moderna y continúan siendo fundamentales en los estudios actuales.
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En el interior de las células se encuentran diversas macromoléculas, como los polisacáridos, las proteínas y los ácidos nucleicos. Estas macromoléculas se pueden clasificar como polímeros, lo que significa que tienen una unidad estructural que se repite múltiples veces. Los polisacáridos se forman a partir de la unión de monosacáridos, las proteínas se componen de aminoácidos y los ácidos nucleicos se constituyen mediante la unión de nucleótidos.
Existen dos tipos de ácidos nucleicos: el ácido desoxirribonucleico (ADN), cuya unidad estructural es el desoxirribonucleótido o desoxinucleótido, y el ácido ribonucleico (ARN), que se compone de ribonucleótidos.
En esta sección nos enfocaremos en la estructura química y la estructura secundaria del ADN, mientras que en el siguiente capítulo abordaremos la estructura del ARN.
La molécula de ADN es un polímero formado por la unión covalente de miles de desoxinucleótidos. Cada desoxinucleótido está compuesto por un ácido fosfórico, un azúcar pentosa de 5 átomos de carbono (llamada desoxirribosa en el caso del ADN) y una base nitrogenada. El ADN contiene cuatro bases nitrogenadas diferentes: adenina (A) y guanina (G), que pertenecen al grupo de las purinas, y citosina (C) y timina (T), que pertenecen al grupo de las pirimidinas. La unión entre la pentosa y una base nitrogenada forma una molécula conocida como desoxinucleósido, y la adición de un ácido fosfórico a esta molécula genera el desoxinucleótido.
Los desoxinucleótidos se unen para formar un polímero lineal llamado polidesoxinucleótido. En este polímero, el grupo fosfato en la posición 5' de la desoxirribosa se une mediante un enlace éster al hidroxilo 3' de la desoxirribosa del desoxinucleótido vecino, y así sucesivamente. Esta unión da lugar a una hebra en la que se alternan desoxirribosa y fosfato, mientras que las bases se unen perpendicularmente a esta estructura.
La proporción relativa de cada una de las bases del ADN, así como su secuencia específica, varía de un organismo a otro, ya que la secuencia de bases, única para cada organismo, contiene la información genética que define sus características. En la actualidad, existe tecnología que permite conocer la secuencia de bases de todo el ADN de un organismo. Por ejemplo, se han secuenciado completas las secuencias de más de 60 procariontes, incluyendo las bacterias Haemophilus influenzae y Escherichia coli, así como la arquea Methanococcus jannaschii. También se han obtenido las secuencias genómicas de algunos organismos eucariotas, como el hongo Saccharomyces cerevisiae, la planta Arabidopsis thaliana, la mosca de la fruta Drosophila melanogaster y los seres humanos. La información relacionada con los programas de secuenciación de procariontes se puede encontrar en http://www.tigr.org/tdb.
La estructura secundaria del ADN, propuesta por Watson y Crick, consiste en una doble hélice que gira hacia la derecha, formada por dos hebras de polidesoxinucleótidos orientadas en sentido antiparalelo. Esto significa que el extremo 5' de una hebra se encuentra frente al extremo 3' de la otra hebra. Cada extremo de la molécula de ADN tiene una hebra con una desoxirribosa libre y un ácido fosfórico unido al carbono 5', mientras que la otra hebra presenta una desoxirribosa libre con un grupo hidroxilo (-OH) en posición 3' y un ácido fosfórico unido al carbono 5'. Las dos hebras se unen mediante puentes de hidrógeno de forma específica o complementaria entre las bases. Una molécula de adenina se une a una de timina mediante dos puentes de hidrógeno, y una de guanina se une a una de citosina mediante tres puentes de hidrógeno. En la parte exterior de la hélice, se alternan moléculas de desoxirribosa y fosfato, mientras que las bases se proyectan perpendicularmente hacia el interior de la hélice.
La hélice de ADN tiene aproximadamente 10 pares de bases por vuelta y un diámetro de 2 nm. Esta disposición helicoidal determina la formación de un surco mayor, más ancho, y un surco menor, más estrecho. Las 10 bases de cada vuelta de hélice quedan expuestas en el surco mayor cuando se observan desde un ángulo, y en el surco menor cuando se observan desde otro ángulo. Muchas proteínas que interactúan específicamente con ciertas secuencias de bases en el ADN lo hacen a través del surco mayor, ya que en este surco las bases están más accesibles. Estas interacciones son fundamentales para la regulación de la expresión génica.
El ADN puede adoptar diferentes estructuras alternativas además de la estructura predominante conocida como ADN-B. Estas estructuras incluyen el ADN-A, ADN-C, ADN-Z y ADN curvo. La presencia de agua y la concentración de iones pueden influir en la conformación del ADN. Se ha descubierto que el ADN-Z, una forma de hélice con una configuración zigzag y una giro a la izquierda, puede formarse en regiones donde se alternan purinas y pirimidinas. Esta estructura es menos estable y tiende a convertirse en la forma más común, ADN-B. Se ha encontrado que el ADN-Z desempeña un papel en la transcripción de la información genética y en la organización de los nucleosomas. En general, se ha reconocido que el ADN es una molécula altamente dinámica y su estructura puede variar según diferentes factores, como la secuencia de bases, la concentración de iones, el pH, la temperatura y la interacción con proteínas.
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El DNA de las células almacena la información genética de un organismo. Los genes contienen información para la síntesis de moléculas de RNA que son complementarias a una de las hebras del DNA. Los principales tipos de RNA en las células son el RNA ribosomal, el RNA de transferencia y el RNA mensajero. Cada molécula de RNA mensajero contiene la información para la secuencia de aminoácidos de una proteína, mientras que el RNA ribosomal y el RNA de transferencia están involucrados en la traducción de la información genética a proteínas.
La información para las moléculas de RNA y las proteínas en una célula se encuentra codificada en el DNA del organismo. La secuencia de aminoácidos de una proteína está codificada en el RNA mensajero mediante unidades de tres bases llamadas codones. La combinación de cuatro letras en el DNA (A, T, C y G) o en el RNA mensajero (A, U, C y G) en grupos de tres puede generar 64 codones. Estos codones y su significado conforman el código genético. Dado que hay alrededor de 20 aminoácidos diferentes, varios codones pueden codificar para un mismo aminoácido, lo que se conoce como "degeneración" del código genético. Algunos codones también funcionan como señales de terminación en la síntesis de proteínas.
El código genético es común a todos los organismos, ya que la secuencia de aminoácidos de las proteínas de bacterias y humanos se codifica en el DNA mediante el mismo código. Sin embargo, debido a la degeneración del código, un mismo aminoácido puede tener preferentemente diferentes codones en bacterias y humanos. Aunque el código genético es generalmente el mismo en todos los organismos, existen excepciones, como el codón de terminación UGA en el DNA mitocondrial de levaduras y humanos, que codifica para el aminoácido triptófano.
Además del código genético que decodifica la información de los mRNA para sintetizar proteínas, el DNA contiene información para regular la expresión de los genes. Por ejemplo, el DNA contiene información sobre los sitios de inicio y finalización de la copia del RNA por la enzima RNA-polimerasa, así como información que determina cuándo y cuántas copias se deben sintetizar. Estas secuencias de bases que contienen información reguladora son diferentes en diferentes organismos, lo que significa que no hay un código universal para las secuencias reguladoras.
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La cantidad total de DNA en las células, conocida como valor C, varía entre diferentes organismos. En procariontes como bacterias y arqueas, los genomas tienen un rango de tamaño aproximado de 20 veces, desde 6x10^5 pares de bases en algunos organismos parásitos intracelulares hasta más de 10^7 pares de bases en cianobacterias. En cambio, en eucariontes, los valores C son generalmente mayores, aunque existen excepciones. Por ejemplo, la levadura tiene un tamaño de genoma similar al de las cianobacterias. La variación en los valores C en eucariontes es mucho mayor que en las bacterias, llegando a diferencias de más de 80,000 veces.
La variación en el tamaño del genoma entre los eucariontes no está directamente relacionada con la complejidad del organismo o el número de genes codificados en el genoma. Por ejemplo, algunos protistas tienen mucho más DNA que los mamíferos, y organismos aparentemente similares en complejidad pueden tener diferentes valores C. A esta falta de relación se le conoce como la paradoja del valor C. Sin embargo, cuando se compara el número de genes y la complejidad de los organismos, sí se observa una relación. Los organismos más complejos tienden a tener un mayor número de genes que los más simples.
La paradoja del valor C indica que los genomas contienen no solo genes, sino también otras secuencias que codifican para moléculas de RNA y proteínas presentes en la célula. Esto implica que existen secuencias adicionales en el DNA cuya función aún no se comprende completamente.
Los genomas contienen secuencias de DNA que varían en tamaño y se repiten cientos o miles de veces en el genoma. Estas secuencias pueden estar agrupadas o dispersas por todo el genoma, y su secuencia y número de copias varían entre organismos. En el genoma humano, por ejemplo, la secuencia repetida llamada Alu está presente en más de 300,000 copias y constituye aproximadamente el 35% al 45% del genoma. Aunque se han propuesto hipótesis y mecanismos moleculares para explicar su origen y amplificación, la función de muchas de estas secuencias repetidas aún no se comprende bien.
En los seres humanos, hay alrededor de 10 clases diferentes de secuencias repetidas pequeñas que representan aproximadamente el 1% del DNA. Las copias de una clase de estas secuencias son similares en cuanto a su secuencia de bases, pero su número varía entre individuos. Esta característica permite la identificación individual similar a las huellas digitales, especialmente utilizando la secuencia repetida conocida como minisatélite. Esta secuencia se repite de 20 a 50 veces y se encuentra en regiones relativamente pequeñas del genoma. Cada individuo tiene un número y distribución característicos de estas secuencias, lo que permite diferenciar incluso a hermanos. Este método se utiliza en medicina legal para la identificación de criminales, violadores o personas cuya identidad es desconocida, y solo requiere una pequeña cantidad de DNA, como una gota de sangre o un poco de semen.
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El DNA en las células normalmente se organiza en estructuras compactas, lo que resulta en una configuración superenrollada debido a la tensión estructural. El superenrollamiento puede ser de dos tipos: plectonémico, donde se forma una hélice adicional a lo largo del eje imaginario central del DNA, o toroidal, donde el eje se enrolla alrededor de proteínas.
El grado de superenrollamiento plectonémico del DNA es regulado principalmente por enzimas llamadas topoisomerasas. Estas enzimas cortan y vuelven a unir las hebras del DNA después de que han cambiado de posición en el espacio, lo que altera la topología tridimensional de la molécula. Hay dos clases de topoisomerasas: clase I y clase II. Las topoisomerasas de clase I cortan una de las hebras del DNA y no requieren ATP, lo que provoca el relajamiento gradual de las moléculas superenrolladas de DNA. Por otro lado, las topoisomerasas de clase II requieren ATP, cortan ambas hebras del DNA y las vuelven a unir después de que han rotado en el espacio, lo que introduce superenrollamientos en el DNA. En el caso de las bacterias, algunas topoisomerasas de clase II, conocidas como girasas, pueden cambiar la posición de las hebras antes de volver a unirlas. Otras topoisomerasas de clase II requieren un mecanismo independiente, como la unión de proteínas al DNA, para realizar el cambio espacial de las hebras del DNA. El superenrollamiento toroidal se genera principalmente por la interacción de proteínas con carga positiva con el DNA y la acción de las topoisomerasas, tanto de clase I como de clase II.
El genoma de las bacterias generalmente se presenta como una única molécula circular de DNA, aunque algunas bacterias pueden tener dos moléculas circulares o una o más moléculas lineales. Cada molécula tiene una región de inicio de replicación. A pesar de que el DNA bacteriano es grande en relación al volumen celular, se encuentra altamente compactado en una estructura llamada nucleoide. El nucleoide contiene la molécula de DNA condensada aproximadamente 1,000 veces, así como moléculas de RNA, enzimas como la RNA polimerasa, topoisomerasas y proteínas básicas. Algunas bacterias también pueden tener moléculas de DNA más pequeñas llamadas plásmidos, además de la molécula principal que contiene la información genética esencial en el nucleoide. Estos plásmidos han permitido el desarrollo de la ingeniería genética al poder ser purificados, modificados con fragmentos de DNA y reintroducidos en las bacterias.
El modelo más completo del nucleoide se ha desarrollado en la bacteria E. coli. Según este modelo, la molécula circular de DNA cerrada de E. coli tiene aproximadamente 4.64 millones de pares de bases y alrededor de 4,300 genes, con una longitud de aproximadamente 1 mm. Se cree que está organizada en bucles con superenrollamiento plectonémico. Alrededor del 50% del DNA también se encuentra en superenrollamiento toroidal alrededor de proteínas similares a las histonas encontradas en células eucariotas.
El nucleoide es la estructura equivalente a la cromatina en las células eucariotas. Sin embargo, difiere de la cromatina en dos aspectos principales: 1) las proteínas básicas similares a las histonas presentes en el nucleoide no forman estructuras regulares y compactas como las histonas en los nucleosomas de la cromatina, y tienen una organización menos compleja y se disocian más fácilmente del DNA; 2) la tensión helicoidal que compacta el DNA en el nucleoide es tanto de tipo plectonémico como toroidal, mientras que en la cromatina, la tensión se produce principalmente por la interacción entre el DNA y las histonas (superenrollamiento toroidal).
Tanto el nucleoide como la cromatina contienen el genoma del organismo, es decir, el DNA que contiene la información genética que define al organismo. El término "cromosoma" generalmente se refiere a una molécula de DNA del genoma. Las bacterias generalmente tienen su genoma en una sola molécula o cromosoma, mientras que en los eucariontes, el genoma se encuentra distribuido en varias moléculas de DNA o cromosomas.
En los eucariontes, el genoma se encuentra en un complejo molecular de DNA, RNA y proteínas llamado cromatina. El DNA de la cromatina se presenta en 23 pares de moléculas lineales de cromosomas diferentes en las células humanas, con una longitud total de más de 1 metro. Además del DNA nuclear, las células eucariotas también contienen moléculas de DNA adicionales en organelos como las mitocondrias y los cloroplastos.
Cada cromosoma tiene un centrómero, dos telómeros y varias regiones de inicio de replicación. Los centrómeros son regiones compuestas generalmente por secuencias pequeñas repetidas que unen a las cromátidas hermanas al huso cromático durante la mitosis. Los telómeros son secuencias ubicadas en los extremos de cada cromosoma y son importantes para la replicación de moléculas lineales de DNA.
Los cromosomas son estructuras dinámicas que varían en apariencia durante el ciclo celular. Durante la interfase, cuando el DNA se transcribe y replica, los cromosomas forman una malla nuclear dispersa donde no es posible identificar a cada cromosoma. Durante la fase de mitosis, los cromosomas forman estructuras más compactas que se unen al huso cromático, lo que permite la identificación de cada par de cromosomas.
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Introducción:
La organización del DNA en las células es un proceso complejo que permite la compactación y regulación de la información genética. En este artículo, exploraremos los diferentes niveles de organización molecular del DNA en la cromatina y su importancia en las funciones esenciales del genoma.
Niveles de organización molecular del DNA en la cromatina:
El primer nivel de condensación del DNA se logra mediante la interacción con proteínas llamadas histonas. Estas histonas nucleosomales, como H2A, H2B, H3 y H4, se organizan en una estructura octamérica alrededor de la cual el DNA se enrolla de manera toroidal, formando nucleosomas. Los nucleosomas se unen entre sí mediante puentes de DNA para formar una estructura conocida como "collar de perlas" o fibra de 10 nm. En un segundo nivel de condensación, la histona H1 y otras proteínas no histonas se unen al DNA entre los nucleosomas, generando una estructura helicoidal de 30 nm de diámetro llamada solenoide. Esta fibra de cromatina se enrolla sobre sí misma y forma asas, que constituyen una organización más compacta.
La estructura de la cromatina durante la interfase y la mitosis:
Durante la interfase, los cromosomas forman una malla nuclear dispersa, donde la identificación de cada cromosoma es difícil. En la fase de mitosis, los cromosomas se compactan aún más y se unen al huso cromático, lo que permite identificar cada par de cromosomas. En esta etapa, la cromatina se descondensa y forma asas grandes de aproximadamente 60 kb de DNA, las cuales están unidas a un esqueleto cromosomal mediante la enzima topoisomerasa II. Estas asas están protegidas por secuencias de DNA resistentes a la degradación enzimática.
El papel de la matriz nuclear y las secuencias de unión:
Se ha propuesto la existencia de una matriz nuclear en la interfase, una estructura menos definida pero importante para mantener la organización de los cromosomas dentro del núcleo. Las fibras de DNA de la cromatina en interfase parecen estar unidas a esta matriz nuclear a través de secuencias específicas llamadas secuencias de unión a la matriz.
Conclusión:
En contraposición a la idea anterior de que el DNA estaba prácticamente "desnudo" en bacterias y recubierto por proteínas en eucariontes, se ha demostrado que el DNA se organiza como cromatina en todas las células. La cromatina es una estructura compacta y dinámica formada por moléculas de DNA, proteínas y RNA, que permite llevar a cabo las funciones esenciales del genoma y la expresión regulada de la información genética.
A medida que se avanza en la comprensión de la organización de la cromatina, se revelan nuevos aspectos de su estructura y función. El estudio continuo de estos procesos contribuirá a una comprensión más profunda de la regulación genética y su relación con la salud humana y otras áreas de investigación científica.