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4.2: Crecimiento mejorado por densidad - Biología

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Darwin hizo un uso incomparable de un modelo que falló, pero ¿cómo se puede mejorar el modelo para que no falle?

Piense en solo tres plantas de Black-Eyed Susan (Rudbeckia hirta) estableciéndose en el Parque Nacional de Yellowstone, uno cerca de la entrada noreste, uno en el centro y un tercero cerca de la entrada sur, las plantas así separadas por más de 30 millas. ¿Con qué frecuencia el mismo polinizador podría visitar dos de las plantas para que las plantas pudieran reproducirse? Rara vez o nunca, porque estos polinizadores viajan distancias limitadas. La tasa de crecimiento de la planta será entonces 0 (de hecho, será negativa, ya que las tres plantas eventualmente morirán).

Supongamos, en cambio, que 1000 de estas plantas estuvieran esparcidas por el parque, lo que las separa aproximadamente a 2 millas. Ocasionalmente, podría pasar un polinizador, aunque la probabilidad de que visite a uno de los otros Susans de ojos negros sería muy baja. Aún así, con 1000 plantas en el área, la tasa de crecimiento podría ser ligeramente positiva.

Ahora considere 1,000,000 de esas plantas, haciéndolas a unos 100 metros de distancia. La polinización ahora se volvería relativamente frecuente. La tasa de crecimiento de la población depende, por tanto, del número de plantas en la vecindad, lo que significa que este número debe ser parte de la ecuación utilizada para calcular la tasa de crecimiento de la población.

Podemos usar la ecuación presentada anteriormente para calcular esta tasa. Primero, coloque un parámetro en lugar del 1, así.

( frac {1} {N} , frac {∆N} {∆t} , = , r ), donde r anteriormente era 1

Luego adjunte un término que reconozca la densidad de otros miembros de la población, norte.

( frac {1} {N} , frac {∆N} {∆t} , = , r , + , sN ),

Aquí r está relacionado con el número de descendientes que producirá cada planta si está sola en el mundo o en el área, y s es el número de descendientes adicionales que producirá por cada planta adicional que aparezca en su vecindad.

Suponer r = 0 y s = 1/20, solo a modo de ilustración, y comience con tres plantas, por lo que norte (0) = 3. Eso es

( frac {1} {N} , frac {∆N} {∆t} , = , 0 , + , 0.05 , N ),

Para ver la dinámica de esto, multiplíquelo de nuevo.

( frac {∆N} {∆t} , = , (0 , + , 0.05 , N) , N ),

y convertir el modelo a código de computadora, como este.
r = 0; s = 0,05; dt = 1; t = 0; N = 3; imprimir (N);

mientras (t <= 14)

{dN = (r + s * N) * N * dt; N = N + dN; t = t + dt; imprimir (N); }

Si ejecuta este modelo en R (u otros idiomas en los que funciona este código, como C o AWK), verá los números a continuación.

3

3.45

4.045125

4.863277

6.045850

7.873465

407.5176

8,711.049

3,802,830

723,079,533,905

26,142,200,000,000,000,000,000

Grafique estos y verá que los números se expanden más allá de todos los límites, verticalmente fuera de la página.

La línea azul muestra el crecimiento bacteriano ilimitado (crecimiento exponencial) que ayudó a llevar a Darwin a su idea de selección natural. La línea roja ilustra el nuevo "crecimiento de densidad mejorada" que se acaba de considerar, donde la tasa de crecimiento aumenta con la densidad.

Debido a que se acerca a una línea que es ortogonal a la línea a la que se acerca el modelo logístico, que se describe más adelante, lo llamamos un "modelo ortologista". Se escapa al infinito tan rápido que esencialmente llega allí en una cantidad de tiempo finita. En física y matemáticas, esta situación se llama una “singularidad”, un lugar donde las reglas se rompen. Para entender esto, es importante recordar que todos los modelos son simplificaciones y por lo tanto aproximaciones, y se aplican en su rango específico. El modelo ortologista se aplica bien a bajas densidades, donde mayores densidades significan mayor crecimiento. Pero un modelo diferente se hará cargo cuando las densidades sean demasiado altas. De hecho, si una población está siguiendo un modelo ortologista, el modelo predice que habrá algún gran cambio que ocurrirá en el futuro cercano, antes del momento de la singularidad.

En física, los modelos con singularidades merecen especial atención, ya que pueden revelar fenómenos previamente desconocidos. Los agujeros negros son un ejemplo, mientras que uno más mundano de la física es familiar para todos. Considere una moneda girando con un punto tocando la mesa, girando cada vez más rápido a medida que la fricción y la gravedad obligan al ángulo entre la moneda y la mesa a contraerse con el tiempo. Resulta que las ecuaciones físicas que modelan con bastante precisión esta moneda que gira incluyen una singularidad: un lugar donde el giro de la moneda se vuelve infinitamente rápido en un tiempo calculable definido. Por supuesto, el giro no puede llegar a ser infinitamente rápido. A medida que la moneda se acerca demasiado a la singularidad, ya que su ángulo se acerca demasiado a la mesa, simplemente cambia a un modelo diferente. Ese modelo diferente es una moneda estacionaria. La naturaleza exacta de la transición entre los estados giratorio y estacionario es compleja y debatida, pero la inevitabilidad de la transición no lo es.

No es diferente en ecología. Los modelos razonables que conducen a singularidades no deben descartarse, sino que se consideran admisibles cuando correspondan. Surgen ineludiblemente en el crecimiento de la población humana, que se analiza en el próximo capítulo.


Crecimiento de la población

Los dos modelos más simples de crecimiento de la población utilizan ecuaciones deterministas (ecuaciones que no tienen en cuenta los eventos aleatorios) para describir la tasa de cambio en el tamaño de una población a lo largo del tiempo. El primero de estos modelos, crecimiento exponencial, describe poblaciones que aumentan en número sin ningún límite a su crecimiento. El segundo modelo, crecimiento logístico, introduce límites al crecimiento reproductivo que se vuelven más intensos a medida que aumenta el tamaño de la población. Ninguno de los modelos describe adecuadamente las poblaciones naturales, pero proporcionan puntos de comparación.


4.2: Crecimiento mejorado por densidad - Biología

Otros factores de crecimiento de la población
Las poblaciones también pueden cambiar de tamaño si los organismos entran (inmigración) o se van (emigración)

Poniendolo todo junto
Podemos escribir una ecuación simple para mostrar el crecimiento de la población como:

Cambio en el tamaño de la población = (Nacimientos + Inmigración) - (Muertes + Emigración)

Expresando los cambios de población como porcentaje
Supongamos que tuviéramos una población de 100.000 individuos. Supongamos que en un año hubo 1000 nacimientos y 500 muertes.
¿Qué porcentaje de la población eran nacimientos?
1000 / 100.000 = 0,01, o en términos porcentuales, esto es el 1% de la población.

¿Qué porcentaje de la población fueron muertos?
500 / 100.000 = 0,005, o en términos porcentuales, esto es 0,5% de la población.

Suponga que la inmigración es igual a la emigración. Si es así, se cancelan fuera de nuestra ecuación de población. Volveremos a
esta suposición más adelante.

Ahora, reste las muertes de los nacimientos, pero exprese como porcentaje:
1000-500 / 100.000 = 500 / 100.000 = 0,005 o 0,5% de crecimiento neto

Así, esta población estaría creciendo un 0,5% este primer año. Eso significa que después de un año, habrá 500 más
individuos que el año anterior. Entonces, después de un año, la población sería de 100.500 individuos.

La tasa neta de reproducción
La tasa neta de reproducción (r) es el porcentaje de crecimiento después de tener en cuenta los nacimientos y las muertes. En el ejemplo anterior, la tasa de reproducción de la población es del 0,5% anual.

La tasa neta de reproducción (r) se calcula como: r = (nacimientos-muertes) / tamaño de la población o, para obtenerlo en términos porcentuales, simplemente multiplique por 100.

Supongamos que regresamos muchos años después, la tasa neta de reproducción sigue siendo la misma, pero ahora la población ha aumentado a 1.000.000. ¿Cuántas personas nuevas se agregarían cada año ahora? Simplemente multiplique la población por la tasa de reproducción:
1,000,000 x 0.05 (que es 0.5%) = 50,000

¡¡Esto significa que ahora se agregan 50,000 nuevas personas en un año !! La tasa neta de reproducción es la misma que antes, pero debido a que
la población es mucho más grande, se agregan muchos más individuos.

Consulte la figura a la derecha: la curva que se extiende hacia arriba es la curva de crecimiento exponencial.

Algunas estadísticas de población para humanos
A fines de la década de 1700, Robert Malthus, un sacerdote, escribió uno de los ensayos más influyentes del mundo: se preguntaba por qué había tanto sufrimiento entre los humanos y llegó a la conclusión de que el crecimiento de la población humana tendía a superar siempre a la comida. suministro. Los principios básicos de Malthus son:

1. La comida es necesaria para la existencia humana.
2.La población humana tiende a crecer más rápido que el poder de la tierra para producir subsistencia, y eso
3. Los efectos de estos dos poderes desiguales deben mantenerse iguales.
Dado que los humanos tienden a no limitar el tamaño de su población de manera voluntaria, la reducción de la población tiende a lograrse a través de la
controles "positivos" del hambre, las enfermedades, la pobreza y la guerra.

¡Darwin usó esta información para ayudar a desarrollar su teoría de la selección natural asumiendo que esta situación ocurre para todos los organismos vivos, no solo para los humanos!

Entonces, ¿funciona? Considere que en un día típico, 35.000 humanos mueren de hambre en todo el mundo. La mayoría en países en desarrollo.

¿Cuál es la población actual de la Tierra?
¡La población actual de la tierra es de aproximadamente 6.2 mil millones de personas! Se trata de más seres humanos vivos que en cualquier otro momento de la historia de la humanidad.
Para ver qué tan rápido está creciendo la población mundial, haga clic en esto para ver un reloj del crecimiento de la población humana.
Para obtener datos interesantes sobre el crecimiento de la población mundial y los factores que lo afectan, haga clic aquí. Sitio web recomendado !!
Para obtener datos aún más interesantes, haga clic aquí. ¡El Population Reference Bureau tiene la mejor información sobre el crecimiento de la población humana de cualquier lugar!

¿Cuál es la tasa neta reproductiva actual de los seres humanos en todo el mundo?
El aumento porcentual actual de la población humana (a partir de 2000) es de aproximadamente 1,3%, o 0,013 por año.
Si multiplicamos esto, como se muestra arriba, por la población actual, obtenemos el aumento de humanos por año:

0.013 x 6.2 B = 80,600,000 nuevas personas por año, o 80.6 millones de humanos nuevos cada año !!

Eso es el equivalente a 2.5 California por año, o 1 nueva Alemania por año. Es 1,6 millones de personas por semana (un Nuevo México por semana), o 221,000 personas por día (¡una Charlotte, NC agregada por día!).

Una tasa de crecimiento asombrosa, aunque la tasa neta de reproducción es en realidad bastante pequeña. Pero el crecimiento no se distribuye de manera uniforme en todo el mundo. Algunos países están creciendo más rápido que otros, mientras que algunos de hecho están perdiendo crecimiento (las muertes y la emigración superan a los nacimientos más la inmigración; Albania es un ejemplo).

¿Por qué el aumento de las tasas de crecimiento de la población humana en este siglo?
Recuerde, solo dos cosas afectan el crecimiento de la población: los nacimientos y las muertes. Entonces, ¿han cambiado estos?
Tasas de natalidad: se han mantenido constantes durante muchos años en aproximadamente 22 bebés / 1000 personas / año
Tasas de mortalidad: han disminuido drásticamente debido a más alimentos, menos enfermedades y más estructura social.
Tasas de mortalidad en 1900: 20/1000 / año Tasa reproductiva neta 1900: 22-20 / 1000 = 0,002 o 0,2%
Tasas de mortalidad en 2000: 9/1000 / año Tasa neta de reproducción 2000: 22-9 / 1000 = 0.013 o 0.13%

Debido a la disminución de las tasas de mortalidad, la r para los seres humanos se ha multiplicado por casi 6.

Algunas tasas de crecimiento representativas para países de todo el mundo
Considere esta estadística: ¡¡el 90% de todo el crecimiento de la población mundial se produce en los países en desarrollo !!
Visite este sitio web para ver las tasas netas de reproducción para todos los países: http://www.prb.org/Content/NavigationMenu/Other_reports/2000-2002/sheet1.html

Tasas netas de reproducción
Mundo 1,3%
Más países desarrollados 0,1%
Países menos desarrollados 1,6%
África 2,9% !!
Liberia 3,1%.
Canadá 0,3%
Estados Unidos 0,6% (¡gran parte de la inmigración, aproximadamente 1/3!)
México 1,9%
Europa -0,1% (¡la población está disminuyendo!)
Inglaterra 0.1
Francia 0.4
Letonia -0,6%

Puede determinar los tiempos de duplicación de la población para el mundo y los países dividiendo 69,3 por la tasa de crecimiento. Por ejemplo, si la tasa de crecimiento mundial es del 1,3%, entonces el tiempo que lleva duplicar la población es:

Por lo tanto, si las cosas no cambian, ¡la población mundial podría aumentar a 12,4 mil millones en el año 2055! Cuando nací, la población era de aproximadamente 2 mil millones en 1952. Han pasado 50 años y la población es de 6.2 mil millones. ¡¡Eso es casi un triple !! ¿Por qué? La tasa de crecimiento de la población mundial fue mucho más alta en los últimos 50 años de lo que es actualmente. Cuando nací, la tasa de crecimiento de la población era superior al 2% anual, ¡y el tiempo de duplicación se redujo a 42 años!

¿Por qué las tasas de crecimiento difieren entre países?
Demografía !! ¡Si tienes más jóvenes, entonces tienes más oportunidades de tener bebés! Los países en desarrollo tienen más gente joven que los desarrollados. ¿Por qué? En los países desarrollados, las parejas esperan más tiempo para tener bebés y tienden a tener menos por pareja. En los países subdesarrollados, los hijos se producen antes y las parejas tienen familias más numerosas que en los países desarrollados.
¡En México, el 50% de la población tiene 15 años o menos!
En los Estados Unidos, solo alrededor del 25% de la población es tan joven.

¿Qué se puede hacer para controlar el crecimiento de la población?
Hay dos formas sencillas de reducir el crecimiento de la población: aumentar el número de muertes o reducir el número de nacimientos. Creo que la mayoría de nosotros optaría por la última solución. ¿Como hacer eso?
1. Planificación familiar: tener bebés a una edad más avanzada, usar anticonceptivos (control de la natalidad), limitar el número de bebés por familia
2. Educación: el mejor correlato de la reducción del número de bebés por familia es el nivel educativo de las mujeres.
Cuanta más educación tienen las mujeres, más control tienen sobre sus vidas reproductivas.
3. Mejor seguridad social: en los países en desarrollo, las familias numerosas son una forma de seguridad social. Si se puede reducir la pobreza,
entonces se reduce la necesidad de familias numerosas (¡aunque es difícil de hacer!)

El futuro: ¿qué tan grande será la población?
En su vida, la población podría acercarse o superar los 14 mil millones de personas. ¿Podemos alimentar a tantos? No es probable. ¿Hay suficiente agua para tantos? Probablemente no. ¿Suficiente hábitat? Probablemente no.
Entonces, ¿en qué se estabilizará la población? Las mejores conjeturas son entre 7 y 10 mil millones de personas. ¿Seguirá siendo el mundo un gran lugar con tanta gente? Improbable.
¡Hay una gran necesidad de reducir el crecimiento de la población, comenzando ahora! Puedes ayudar mucho.


4.2: Crecimiento mejorado por densidad - Biología

La curva de crecimiento bacteriano

En el laboratorio, en condiciones favorables, una población bacteriana en crecimiento se duplica a intervalos regulares. El crecimiento es por progresión geométrica: 1, 2, 4, 8, etc. o 2 0, 2 1, 2 2, 2 3. 2 n (donde n = el número de generaciones). Se llama crecimiento exponencial. En realidad, el crecimiento exponencial es solo una parte del ciclo de vida bacteriano y no representa el patrón normal de crecimiento de las bacterias en la naturaleza.

Cuando se inocula un medio nuevo con un número determinado de células y se controla el crecimiento de la población durante un período de tiempo, el trazado de los datos producirá una curva típica de crecimiento bacteriano (Figura 3 a continuación).


Figura 3. Curva típica de crecimiento bacteriano. Cuando las bacterias se cultivan en un sistema cerrado (también llamado cultivo por lotes), como un tubo de ensayo, la población de células casi siempre exhibe esta dinámica de crecimiento: las células inicialmente se ajustan al nuevo medio (fase de retraso) hasta que pueden comenzar a dividirse regularmente por el proceso de fisión binaria (fase exponencial). Cuando su crecimiento se vuelve limitado, las células dejan de dividirse (fase estacionaria), hasta que finalmente muestran pérdida de viabilidad (fase de muerte). Tenga en cuenta los parámetros de los ejes xey. El crecimiento se expresa como cambio en el número de células viables frente al tiempo. Los tiempos de generación se calculan durante la fase exponencial de crecimiento. Las mediciones de tiempo están en horas para bacterias con tiempos de generación cortos.

Se reconocen cuatro fases características del ciclo de crecimiento.

1. Fase de latencia. Inmediatamente después de la inoculación de las células en medio fresco, la población permanece sin cambios temporalmente. Aunque no se produce una división celular aparente, las células pueden estar creciendo en volumen o masa, sintetizando enzimas, proteínas, ARN, etc., y aumentando su actividad metabólica.

La duración de la fase de retardo aparentemente depende de una amplia variedad de factores, incluido el tamaño del inóculo, el tiempo necesario para recuperarse del daño físico o el choque en el tiempo de transferencia requerido para la síntesis de coenzimas esenciales o factores de división y el tiempo requerido para la síntesis de nuevos factores. enzimas (inducibles) que son necesarias para metabolizar los sustratos presentes en el medio.

2. Fase exponencial (logarítmica). La fase exponencial de crecimiento es un patrón de crecimiento equilibrado en el que todas las células se dividen regularmente por fisión binaria y crecen por progresión geométrica. Las células se dividen a una velocidad constante dependiendo de la composición del medio de crecimiento y las condiciones de incubación. La tasa de crecimiento exponencial de un cultivo bacteriano se expresa como tiempo generacional, también el Doblando tiempo de la población bacteriana. El tiempo de generación (G) se define como el tiempo (t) por generación (n = número de generaciones). Por tanto, G = t / n es la ecuación de la que se derivan los cálculos del tiempo de generación (a continuación).

3. Fase estacionaria. El crecimiento exponencial no puede continuar para siempre en un cultivo por lotes (por ejemplo, un sistema cerrado como un tubo de ensayo o un matraz). El crecimiento de la población está limitado por uno de tres factores: 1. agotamiento de los nutrientes disponibles 2. acumulación de metabolitos inhibidores o productos finales 3. agotamiento del espacio, en este caso llamado falta de "espacio biológico".

Durante la fase estacionaria, si se cuentan las células viables, no se puede determinar si algunas células están muriendo y un número igual de células se están dividiendo, o si la población de células simplemente ha dejado de crecer y dividirse. La fase estacionaria, como la fase de retraso, no es necesariamente un período de inactividad. Bacterias que producen metabolitos secundarios, como los antibióticos, lo hacen durante la fase estacionaria del ciclo de crecimiento (los metabolitos secundarios se definen como metabolitos producidos después de la etapa activa de crecimiento). Es durante la fase estacionaria cuando las bacterias formadoras de esporas tienen que inducir o desenmascarar la actividad de decenas de genes que pueden estar implicados en el proceso de esporulación.

4. Fase de muerte. Si la incubación continúa después de que la población alcanza la fase estacionaria, sigue una fase de muerte, en la que la población de células viables disminuye. (Tenga en cuenta que si se realiza el recuento mediante mediciones turbidimétricas o recuentos microscópicos, no se puede observar la fase de muerte). Durante la fase de muerte, el número de células viables disminuye geométricamente (exponencialmente), esencialmente al revés del crecimiento durante la fase logarítmica.

Tasa de crecimiento y tiempo de generación

Como se mencionó anteriormente, las tasas de crecimiento bacteriano durante la fase de crecimiento exponencial, en condiciones nutricionales estándar (medio de cultivo, temperatura, pH, etc.), definen el tiempo de generación de la bacteria. Los tiempos de generación de bacterias varían de aproximadamente 12 minutos a 24 horas o más. El tiempo de generación para E. coli en el laboratorio es de 15 a 20 minutos, pero en el tracto intestinal, el tiempo de generación de coliformes se estima en 12 a 24 horas.Para la mayoría de las bacterias conocidas que se pueden cultivar, los tiempos de generación oscilan entre aproximadamente 15 minutos y 1 hora. Simbiontes como Rhizobium tienden a tener tiempos de generación más largos. Muchos litótrofos, como las bacterias nitrificantes, también tienen tiempos de generación prolongados. Algunas bacterias que son patógenas, como Tuberculosis micobacteriana y Treponema pallidum, tienen tiempos generacionales especialmente largos, y se cree que esto es una ventaja en su virulencia. Los tiempos de generación de algunas bacterias se muestran en la Tabla 2.

Tabla 2. Tiempos de generación de algunas bacterias comunes en condiciones óptimas de crecimiento.

Bacteria Medio Tiempo de generación (minutos)
Escherichia coli Sales de glucosa 17
Bacillus megaterium Sales de sacarosa 25
Streptococcus lactis Leche 26
Streptococcus lactis Caldo de lactosa 48
Staphylococcus aureus Caldo de infusión de corazón 27-30
Lactobacillus acidophilus Leche 66-87
Rhizobium japonicum Extracto de levadura de sales de manitol 344-461
Tuberculosis micobacteriana Sintético 792-932
Treponema pallidum Testículos de conejo 1980

Cálculo del tiempo de generación

Cuando crece exponencialmente por fisión binaria, el aumento de una población bacteriana es por progresión geométrica. Si comenzamos con una celda, cuando se divide, hay 2 celdas en la primera generación, 4 celdas en la segunda generación, 8 celdas en la tercera generación, y así sucesivamente. los tiempo generacional es el intervalo de tiempo necesario para que las células (o la población) se dividan.

G (tiempo de generación) = (tiempo, en minutos u horas) / n (número de generaciones)

t = intervalo de tiempo en horas o minutos

B = número de bacterias al comienzo de un intervalo de tiempo

b = número de bacterias al final del intervalo de tiempo

n = número de generaciones (número de veces que la población celular se duplica durante el intervalo de tiempo)

b = B x 2 n (Esta ecuación es una expresión del crecimiento por fisión binaria)


Ejemplo: ¿Cuál es el tiempo de generación de una población bacteriana que aumenta de 10,000 células a 10,000,000 células en cuatro horas de crecimiento?


Contenido

El ADN no suele existir como una sola hebra, sino como un par de hebras que se mantienen juntas. [9] [12] Estos dos largos hilos se enrollan uno alrededor del otro, en forma de doble hélice. El nucleótido contiene tanto un segmento de la columna vertebral de la molécula (que mantiene unida a la cadena) como una nucleobase (que interactúa con la otra hebra de ADN en la hélice). Una nucleobase ligada a un azúcar se llama nucleósido, y una base ligada a un azúcar y a uno o más grupos fosfato se llama nucleótido. Un biopolímero que comprende múltiples nucleótidos enlazados (como en el ADN) se denomina polinucleótido. [13]

La columna vertebral de la cadena de ADN está formada por grupos alternos de fosfato y azúcar. [14] El azúcar en el ADN es 2-desoxirribosa, que es un azúcar pentosa (cinco carbonos). Los azúcares están unidos por grupos fosfato que forman enlaces fosfodiéster entre el tercer y quinto átomos de carbono de los anillos de azúcar adyacentes. Estos se conocen como carbonos del extremo 3 '(tres extremos principales) y del extremo 5' (cinco extremos principales), y el símbolo principal se utiliza para distinguir estos átomos de carbono de los de la base con la que la desoxirribosa forma un enlace glicosídico. . Por lo tanto, cualquier hebra de ADN normalmente tiene un extremo en el que hay un grupo fosfato unido al carbono 5 'de una ribosa (el 5' fosforilo) y otro extremo en el que hay un grupo hidroxilo libre unido al carbono 3 'de una ribosa. ribosa (el 3 'hidroxilo). La orientación de los carbonos 3 'y 5' a lo largo del esqueleto de azúcar-fosfato confiere direccionalidad (a veces llamada polaridad) a cada cadena de ADN. En una doble hélice de ácido nucleico, la dirección de los nucleótidos en una hebra es opuesta a su dirección en la otra hebra: las hebras son antiparalelas. Se dice que los extremos asimétricos de las cadenas de ADN tienen una direccionalidad de cinco extremos primarios (5 ′) y tres extremos primarios (3 ′), teniendo el extremo 5 ′ un grupo fosfato terminal y el extremo 3 ′ un grupo hidroxilo terminal. Una diferencia importante entre el ADN y el ARN es el azúcar, donde la 2-desoxirribosa en el ADN se reemplaza por la alternativa de azúcar pentosa ribosa en el ARN. [12]

Clasificación de nucleobase

Bases no canónicas

Las bases modificadas se encuentran en el ADN. El primero de ellos reconocido fue la 5-metilcitosina, que se encontró en el genoma de Tuberculosis micobacteriana en 1925. [20] La razón de la presencia de estas bases no canónicas en virus bacterianos (bacteriófagos) es evitar las enzimas de restricción presentes en las bacterias. Este sistema enzimático actúa, al menos en parte, como un sistema inmunológico molecular que protege a las bacterias de la infección por virus. [21] Las modificaciones de las bases citosina y adenina, las bases de ADN más comunes y modificadas, desempeñan funciones vitales en el control epigenético de la expresión génica en plantas y animales. [22]

Listado de bases no canónicas encontradas en el ADN

Se sabe que existen varias bases no canónicas en el ADN. [23] La mayoría de estos son modificaciones de las bases canónicas más uracilo.

  • Modificado Adenosina
    • N6-carbamoil-metiladenina
    • N6-metiadenina
    • 7-Deazaguanina
    • 7-metilguanina
    • N4-metilcitosina
    • 5-carboxilcitosina
    • 5-formilcitosina
    • 5-glicosilhidroximetilcitosina
    • 5-hidroxicitosina
    • 5-metilcitosina
    • α-glutamitimidina
    • α-putresciniltilina
    • Base J
    • Uracil
    • 5-dihidroxipentauracilo
    • 5-hidroximetildesoxiuracilo
    • Desoxiarqueosina
    • 2,6-diaminopurina (2-aminoadenina)

    Surcos

    Las hebras helicoidales gemelas forman la columna vertebral del ADN. Se puede encontrar otra doble hélice trazando los espacios, o ranuras, entre las hebras. Estos huecos son adyacentes a los pares de bases y pueden proporcionar un sitio de unión. Como las hebras no están ubicadas simétricamente entre sí, las ranuras tienen un tamaño desigual. Un surco, el surco principal, tiene 22 ångströms (2,2 nm) de ancho y el otro, el surco menor, tiene 12 Å (1,2 nm) de ancho. [24] El ancho del surco mayor significa que los bordes de las bases son más accesibles en el surco mayor que en el menor. Como resultado, las proteínas, como los factores de transcripción, que pueden unirse a secuencias específicas en el ADN de doble hebra, suelen entrar en contacto con los lados de las bases expuestas en el surco principal. [25] Esta situación varía en conformaciones inusuales de ADN dentro de la célula. (vea abajo), pero los surcos mayor y menor siempre se nombran para reflejar las diferencias de tamaño que se verían si el ADN se retorciera a la forma B ordinaria.

    Emparejamiento de bases

    SsDNA frente a dsDNA

    En el laboratorio, la fuerza de esta interacción se puede medir encontrando la temperatura necesaria para romper la mitad de los enlaces de hidrógeno, su temperatura de fusión (también llamada Tmetro valor). Cuando todos los pares de bases en una doble hélice de ADN se funden, las hebras se separan y existen en solución como dos moléculas completamente independientes. Estas moléculas de ADN monocatenario no tienen una forma común única, pero algunas conformaciones son más estables que otras. [30]

    Sentido y antisentido

    Una secuencia de ADN se denomina secuencia "con sentido" si es la misma que la de una copia de ARN mensajero que se traduce en proteína. [31] La secuencia en la hebra opuesta se llama secuencia "antisentido". Ambas secuencias sentido y antisentido pueden existir en diferentes partes de la misma hebra de ADN (es decir, ambas hebras pueden contener secuencias tanto sentido como antisentido). Tanto en procariotas como en eucariotas, se producen secuencias de ARN antisentido, pero las funciones de estos ARN no están del todo claras. [32] Una propuesta es que los ARN antisentido están involucrados en la regulación de la expresión génica a través del emparejamiento de bases ARN-ARN. [33]

    Algunas secuencias de ADN en procariotas y eucariotas, y más en plásmidos y virus, difuminan la distinción entre hebras con sentido y antisentido al tener genes superpuestos. [34] En estos casos, algunas secuencias de ADN cumplen una doble función: codifican una proteína cuando se leen a lo largo de una hebra y una segunda proteína cuando se leen en la dirección opuesta a lo largo de la otra hebra. En las bacterias, esta superposición puede estar involucrada en la regulación de la transcripción de genes, [35] mientras que en los virus, la superposición de genes aumenta la cantidad de información que puede codificarse dentro del pequeño genoma viral. [36]

    Superenrollamiento

    El ADN se puede retorcer como una cuerda en un proceso llamado superenrollamiento del ADN. Con el ADN en su estado "relajado", una hebra generalmente rodea el eje de la doble hélice una vez cada 10,4 pares de bases, pero si el ADN se retuerce, las hebras se vuelven más apretadas o más flojas. [37] Si el ADN se tuerce en la dirección de la hélice, se trata de un superenrollamiento positivo y las bases se mantienen más juntas. Si se tuercen en la dirección opuesta, se trata de un superenrollamiento negativo y las bases se separan más fácilmente. En la naturaleza, la mayor parte del ADN tiene un ligero superenrollamiento negativo que es introducido por enzimas llamadas topoisomerasas. [38] Estas enzimas también son necesarias para aliviar las tensiones de torsión introducidas en las cadenas de ADN durante procesos como la transcripción y la replicación del ADN. [39]

    Estructuras de ADN alternativas

    El ADN existe en muchas conformaciones posibles que incluyen las formas A-ADN, B-ADN y Z-ADN, aunque solo se han observado directamente B-ADN y Z-ADN en organismos funcionales. [14] La conformación que adopta el ADN depende del nivel de hidratación, la secuencia del ADN, la cantidad y dirección del superenrollamiento, las modificaciones químicas de las bases, el tipo y concentración de iones metálicos y la presencia de poliaminas en solución. [40]

    Los primeros informes publicados de patrones de difracción de rayos X de ADN-A (y también ADN-B) utilizaron análisis basados ​​en transformaciones de Patterson que proporcionaron solo una cantidad limitada de información estructural para las fibras orientadas de ADN. [41] [42] Luego, Wilkins propuso un análisis alternativo. et al., en 1953, para el en vivo Patrones de dispersión de difracción de rayos X de ADN B de fibras de ADN altamente hidratadas en términos de cuadrados de funciones de Bessel. [43] En la misma revista, James Watson y Francis Crick presentaron su análisis de modelado molecular de los patrones de difracción de rayos X del ADN para sugerir que la estructura era una doble hélice. [9]

    Aunque el Forma de B-DNA es más común en las condiciones que se encuentran en las células, [44] no es una conformación bien definida, sino una familia de conformaciones de ADN relacionadas [45] que ocurren a los altos niveles de hidratación presentes en las células. Sus correspondientes patrones de difracción y dispersión de rayos X son característicos de los paracristales moleculares con un grado significativo de desorden. [46] [47]

    En comparación con B-DNA, la forma A-DNA es una espiral derecha más ancha, con un surco menor ancho y poco profundo y un surco mayor más estrecho y profundo. La forma A se presenta en condiciones no fisiológicas en muestras de ADN parcialmente deshidratadas, mientras que en la célula puede producirse en pares híbridos de cadenas de ADN y ARN y en complejos enzima-ADN. [48] ​​[49] Los segmentos de ADN donde las bases han sido modificadas químicamente por metilación pueden sufrir un cambio mayor en la conformación y adoptar la forma Z. Aquí, las hebras giran alrededor del eje helicoidal en una espiral hacia la izquierda, lo opuesto a la forma B más común. [50] Estas estructuras inusuales pueden ser reconocidas por proteínas de unión al ADN-Z específicas y pueden estar involucradas en la regulación de la transcripción. [51]

    Química alternativa del ADN

    Durante muchos años, los exobiólogos han propuesto la existencia de una biosfera en la sombra, una biosfera microbiana postulada de la Tierra que utiliza procesos bioquímicos y moleculares radicalmente diferentes a los de la vida actualmente conocida. Una de las propuestas fue la existencia de formas de vida que utilizan arsénico en lugar de fósforo en el ADN. Se anunció un informe en 2010 de la posibilidad de la bacteria GFAJ-1, [52] [53] aunque la investigación fue discutida, [53] [54] y la evidencia sugiere que la bacteria previene activamente la incorporación de arsénico en la columna vertebral del ADN. y otras biomoléculas. [55]

    Estructuras cuádruplex

    En los extremos de los cromosomas lineales hay regiones especializadas de ADN llamadas telómeros. La función principal de estas regiones es permitir que la célula replique los extremos de los cromosomas utilizando la enzima telomerasa, ya que las enzimas que normalmente replican el ADN no pueden copiar los extremos 3 ′ de los cromosomas. [56] Estos casquetes cromosómicos especializados también ayudan a proteger los extremos del ADN y evitan que los sistemas de reparación del ADN en la célula los traten como daños a corregir. [57] En las células humanas, los telómeros suelen ser longitudes de ADN monocatenario que contienen varios miles de repeticiones de una secuencia TTAGGG simple. [58]

    Estas secuencias ricas en guanina pueden estabilizar los extremos de los cromosomas formando estructuras de conjuntos apilados de unidades de cuatro bases, en lugar de los pares de bases habituales que se encuentran en otras moléculas de ADN. Aquí, cuatro bases de guanina, conocidas como tétrada de guanina, forman una placa plana. Estas unidades planas de cuatro bases se apilan una encima de la otra para formar una estructura G-quadruplex estable. [60] Estas estructuras se estabilizan mediante enlaces de hidrógeno entre los bordes de las bases y la quelación de un ión metálico en el centro de cada unidad de cuatro bases. [61] También se pueden formar otras estructuras, con el conjunto central de cuatro bases provenientes de una sola hebra doblada alrededor de las bases, o de varias hebras paralelas diferentes, cada una aportando una base a la estructura central.

    Además de estas estructuras apiladas, los telómeros también forman grandes estructuras de bucle llamadas bucles de telómeros o bucles en T. Aquí, el ADN monocatenario se enrolla en un círculo largo estabilizado por proteínas de unión a telómeros. [62] Al final del bucle en T, el ADN del telómero monocatenario se mantiene en una región del ADN bicatenario mediante la cadena del telómero que interrumpe el ADN de doble hélice y el apareamiento de bases con una de las dos cadenas. Esta estructura de triple hebra se llama bucle de desplazamiento o bucle en D. [60]

    ADN ramificado

    En el ADN, el deshilachado ocurre cuando existen regiones no complementarias al final de una doble hebra de ADN que de otro modo sería complementaria. Sin embargo, puede producirse ADN ramificado si se introduce una tercera hebra de ADN y contiene regiones contiguas capaces de hibridar con las regiones deshilachadas de la doble hebra preexistente. Aunque el ejemplo más simple de ADN ramificado involucra solo tres cadenas de ADN, también son posibles complejos que involucran cadenas adicionales y múltiples ramas. [63] El ADN ramificado se puede utilizar en nanotecnología para construir formas geométricas; consulte la sección sobre usos en tecnología a continuación.

    Bases artificiales

    Se han sintetizado varias nucleobases artificiales y se han incorporado con éxito en el análogo de ADN de ocho bases llamado ADN de Hachimoji. Denominadas S, B, P y Z, estas bases artificiales son capaces de unirse entre sí de forma predecible (S – B y P – Z), mantener la estructura de doble hélice del ADN y transcribirse a ARN. Su existencia podría verse como una indicación de que no hay nada especial en las cuatro nucleobases naturales que evolucionaron en la Tierra. [64] [65] Por otro lado, el ADN está estrechamente relacionado con el ARN, que no solo actúa como una transcripción del ADN, sino que también realiza muchas tareas en las células como máquinas moleculares. Para ello, tiene que plegarse formando una estructura. Se ha demostrado que para permitir la creación de todas las estructuras posibles se requieren al menos cuatro bases para el ARN correspondiente, [66] mientras que también es posible un número mayor, pero esto iría en contra del Principio natural del mínimo esfuerzo.

    Modificaciones de base y empaquetado de ADN

    La expresión de los genes está influenciada por cómo se empaqueta el ADN en los cromosomas, en una estructura llamada cromatina. Las modificaciones de las bases pueden estar implicadas en el empaquetamiento, con regiones que tienen una expresión génica baja o nula que normalmente contienen altos niveles de metilación de bases de citosina. El empaquetamiento del ADN y su influencia en la expresión génica también puede ocurrir por modificaciones covalentes del núcleo de la proteína histona alrededor del cual el ADN está envuelto en la estructura de la cromatina o bien por remodelación llevada a cabo por complejos de remodelación de cromatina (ver Remodelación de cromatina). Además, existe una diafonía entre la metilación del ADN y la modificación de histonas, por lo que pueden afectar de manera coordinada la cromatina y la expresión génica. [67]

    Por ejemplo, la metilación de citosina produce 5-metilcitosina, que es importante para la inactivación X de los cromosomas. [68] El nivel medio de metilación varía entre organismos: el gusano Caenorhabditis elegans carece de metilación de citosina, mientras que los vertebrados tienen niveles más altos, con hasta un 1% de su ADN que contiene 5-metilcitosina. [69] A pesar de la importancia de la 5-metilcitosina, puede desaminarse para dejar una base de timina, por lo que las citosinas metiladas son particularmente propensas a mutaciones. [70] Otras modificaciones de bases incluyen metilación de adenina en bacterias, la presencia de 5-hidroximetilcitosina en el cerebro, [71] y la glicosilación de uracilo para producir la "base J" en cinetoplastidos. [72] [73]

    Daño

    El ADN puede resultar dañado por muchos tipos de mutágenos, que cambian la secuencia del ADN. Los mutágenos incluyen agentes oxidantes, agentes alquilantes y también radiación electromagnética de alta energía, como luz ultravioleta y rayos X. El tipo de daño del ADN producido depende del tipo de mutágeno. Por ejemplo, la luz ultravioleta puede dañar el ADN al producir dímeros de timina, que son enlaces cruzados entre las bases de pirimidina. [75] Por otro lado, los oxidantes como los radicales libres o el peróxido de hidrógeno producen múltiples formas de daño, incluidas modificaciones de bases, particularmente de guanosina, y roturas de doble hebra. [76] Una célula humana típica contiene alrededor de 150.000 bases que han sufrido daño oxidativo. [77] De estas lesiones oxidativas, las más peligrosas son las roturas de doble hebra, ya que son difíciles de reparar y pueden producir mutaciones puntuales, inserciones, deleciones de la secuencia de ADN y translocaciones cromosómicas. [78] Estas mutaciones pueden causar cáncer. Debido a los límites inherentes a los mecanismos de reparación del ADN, si los humanos vivieran lo suficiente, eventualmente todos desarrollarían cáncer. [79] [80] Los daños al ADN que ocurren naturalmente, debido a procesos celulares normales que producen especies reactivas de oxígeno, las actividades hidrolíticas del agua celular, etc., también ocurren con frecuencia. Aunque la mayoría de estos daños se reparan, en cualquier célula puede quedar algo de daño en el ADN a pesar de la acción de los procesos de reparación. Estos daños restantes del ADN se acumulan con la edad en los tejidos postmitóticos de los mamíferos. Esta acumulación parece ser una importante causa subyacente del envejecimiento. [81] [82] [83]

    Muchos mutágenos caben en el espacio entre dos pares de bases adyacentes, esto se llama intercalación. La mayoría de los intercaladores son moléculas aromáticas y planas. Los ejemplos incluyen bromuro de etidio, acridinas, daunomicina y doxorrubicina. Para que un intercalador encaje entre pares de bases, las bases deben separarse, distorsionando las hebras de ADN al desenrollar la doble hélice. Esto inhibe tanto la transcripción como la replicación del ADN, provocando toxicidad y mutaciones. [84] Como resultado, los intercaladores de ADN pueden ser carcinógenos y, en el caso de la talidomida, un teratógeno. [85] Otros como el benzo [a] pireno diol epóxido y aflatoxina forman aductos de ADN que inducen errores en la replicación. [86] No obstante, debido a su capacidad para inhibir la transcripción y replicación del ADN, también se utilizan otras toxinas similares en quimioterapia para inhibir las células cancerosas de crecimiento rápido. [87]

    El ADN generalmente se presenta como cromosomas lineales en eucariotas y cromosomas circulares en procariotas. El conjunto de cromosomas de una célula forma su genoma; el genoma humano tiene aproximadamente 3 mil millones de pares de bases de ADN dispuestos en 46 cromosomas. [88] La información transportada por el ADN se mantiene en la secuencia de fragmentos de ADN llamados genes. La transmisión de información genética en genes se logra mediante el apareamiento de bases complementarias. Por ejemplo, en la transcripción, cuando una célula usa la información de un gen, la secuencia de ADN se copia en una secuencia de ARN complementaria mediante la atracción entre el ADN y los nucleótidos de ARN correctos. Por lo general, esta copia de ARN se usa para hacer una secuencia de proteína coincidente en un proceso llamado traducción, que depende de la misma interacción entre los nucleótidos de ARN. De manera alternativa, una célula puede simplemente copiar su información genética en un proceso llamado replicación del ADN. Los detalles de estas funciones se tratan en otros artículos, aquí el foco está en las interacciones entre el ADN y otras moléculas que median la función del genoma.

    Genes y genomas

    El ADN genómico se empaqueta de manera apretada y ordenada en el proceso llamado condensación de ADN, para adaptarse a los pequeños volúmenes disponibles de la célula. En eucariotas, el ADN se encuentra en el núcleo celular, con pequeñas cantidades en mitocondrias y cloroplastos. En los procariotas, el ADN se mantiene dentro de un cuerpo de forma irregular en el citoplasma llamado nucleoide. [89] La información genética de un genoma se encuentra dentro de los genes, y el conjunto completo de esta información en un organismo se denomina genotipo. Un gen es una unidad hereditaria y es una región del ADN que influye en una característica particular de un organismo. Los genes contienen un marco de lectura abierto que se puede transcribir y secuencias reguladoras, como promotores y potenciadores, que controlan la transcripción del marco de lectura abierto.

    En muchas especies, solo una pequeña fracción de la secuencia total del genoma codifica proteínas. Por ejemplo, solo alrededor del 1,5% del genoma humano consiste en exones que codifican proteínas, y más del 50% del ADN humano consiste en secuencias repetitivas no codificantes. [90] Las razones de la presencia de tanto ADN no codificante en los genomas eucariotas y las extraordinarias diferencias en el tamaño del genoma, o Valor C, entre las especies, representan un enigma de larga data conocido como el "enigma del valor C". [91] Sin embargo, algunas secuencias de ADN que no codifican proteínas aún pueden codificar moléculas de ARN no codificantes funcionales, que participan en la regulación de la expresión génica. [92]

    Algunas secuencias de ADN no codificantes desempeñan funciones estructurales en los cromosomas. Los telómeros y centrómeros suelen contener pocos genes, pero son importantes para la función y estabilidad de los cromosomas. [57] [94] Una forma abundante de ADN no codificante en humanos son los pseudogenes, que son copias de genes que han sido desactivados por mutación. [95] Estas secuencias suelen ser sólo fósiles moleculares, aunque ocasionalmente pueden servir como material genético en bruto para la creación de nuevos genes a través del proceso de duplicación y divergencia de genes. [96]

    Transcripción y traducción

    Un gen es una secuencia de ADN que contiene información genética y puede influir en el fenotipo de un organismo. Dentro de un gen, la secuencia de bases a lo largo de una cadena de ADN define una secuencia de ARN mensajero, que luego define una o más secuencias de proteínas. La relación entre las secuencias de nucleótidos de los genes y las secuencias de aminoácidos de las proteínas está determinada por las reglas de traducción, conocidas colectivamente como código genético. El código genético consta de 'palabras' de tres letras llamadas codones formado a partir de una secuencia de tres nucleótidos (por ejemplo, ACT, CAG, TTT).

    En la transcripción, los codones de un gen se copian en el ARN mensajero por la ARN polimerasa. Esta copia de ARN es luego decodificada por un ribosoma que lee la secuencia de ARN emparejando las bases del ARN mensajero para transferir ARN, que transporta aminoácidos. Dado que hay 4 bases en combinaciones de 3 letras, hay 64 codones posibles (4 3 combinaciones). Estos codifican los veinte aminoácidos estándar, dando a la mayoría de los aminoácidos más de un posible codón. También hay tres codones "de parada" o "sin sentido" que significan el final de la región codificante, estos son los codones TAA, TGA y TAG.

    Replicación

    La división celular es esencial para que un organismo crezca, pero cuando una célula se divide, debe replicar el ADN en su genoma para que las dos células hijas tengan la misma información genética que su progenitor. La estructura bicatenaria del ADN proporciona un mecanismo simple para la replicación del ADN. Aquí, las dos hebras se separan y luego la secuencia de ADN complementaria de cada hebra es recreada por una enzima llamada ADN polimerasa. Esta enzima crea la hebra complementaria al encontrar la base correcta a través del emparejamiento de bases complementarias y unirla a la hebra original. Como las ADN polimerasas solo pueden extender una hebra de ADN en una dirección de 5 'a 3', se utilizan diferentes mecanismos para copiar las hebras antiparalelas de la doble hélice. [97] De esta manera, la base de la cadena antigua dicta qué base aparece en la nueva cadena, y la célula termina con una copia perfecta de su ADN.

    Ácidos nucleicos extracelulares

    El ADN extracelular desnudo (eDNA), la mayor parte liberado por la muerte celular, es casi omnipresente en el medio ambiente. Su concentración en el suelo puede ser tan alta como 2 μg / L, y su concentración en ambientes acuáticos naturales puede ser tan alta como 88 μg / L. [98] Se han propuesto varias funciones posibles para el eDNA: puede estar involucrado en la transferencia horizontal de genes [99] puede proporcionar nutrientes [100] y puede actuar como un amortiguador para reclutar o valorar iones o antibióticos. [101] El ADN extracelular actúa como un componente funcional de la matriz extracelular en las biopelículas de varias especies bacterianas. Puede actuar como un factor de reconocimiento para regular la unión y dispersión de tipos celulares específicos en el biofilm [102], puede contribuir a la formación del biofilm [103] y puede contribuir a la fuerza física del biofilm y la resistencia al estrés biológico. [104]

    El ADN fetal libre de células se encuentra en la sangre de la madre y se puede secuenciar para determinar una gran cantidad de información sobre el feto en desarrollo. [105]

    Bajo el nombre de ADN ambiental, el ADN electrónico se ha visto cada vez más utilizado en las ciencias naturales como una herramienta de estudio para la ecología, monitoreando los movimientos y la presencia de especies en el agua, el aire o la tierra, y evaluando la biodiversidad de un área. [106] [107]

    Todas las funciones del ADN dependen de las interacciones con las proteínas. Estas interacciones de proteínas pueden ser inespecíficas o la proteína puede unirse específicamente a una única secuencia de ADN. Las enzimas también pueden unirse al ADN y, de estos, las polimerasas que copian la secuencia de bases del ADN en la transcripción y replicación del ADN son particularmente importantes.

    Proteínas de unión al ADN

    Las proteínas estructurales que se unen al ADN son ejemplos bien conocidos de interacciones ADN-proteína no específicas. Dentro de los cromosomas, el ADN se mantiene en complejos con proteínas estructurales. Estas proteínas organizan el ADN en una estructura compacta llamada cromatina. En eucariotas, esta estructura implica la unión del ADN a un complejo de pequeñas proteínas básicas llamadas histonas, mientras que en los procariotas participan múltiples tipos de proteínas. [108] [109] Las histonas forman un complejo en forma de disco llamado nucleosoma, que contiene dos vueltas completas de ADN bicatenario envuelto alrededor de su superficie. Estas interacciones inespecíficas se forman a través de residuos básicos en las histonas, que forman enlaces iónicos con la estructura ácida de azúcar-fosfato del ADN y, por lo tanto, son en gran medida independientes de la secuencia de bases. [110] Las modificaciones químicas de estos residuos de aminoácidos básicos incluyen metilación, fosforilación y acetilación. [111] Estos cambios químicos alteran la fuerza de la interacción entre el ADN y las histonas, haciendo que el ADN sea más o menos accesible a los factores de transcripción y cambiando la tasa de transcripción. [112] Otras proteínas de unión al ADN no específicas en la cromatina incluyen las proteínas del grupo de alta movilidad, que se unen al ADN doblado o distorsionado. [113] Estas proteínas son importantes para doblar matrices de nucleosomas y organizarlas en las estructuras más grandes que forman los cromosomas. [114]

    Un grupo distinto de proteínas de unión al ADN son las proteínas de unión al ADN que se unen específicamente al ADN monocatenario. En los seres humanos, la proteína de replicación A es el miembro mejor entendido de esta familia y se utiliza en procesos en los que se separa la doble hélice, incluida la replicación, recombinación y reparación del ADN. [115] Estas proteínas de unión parecen estabilizar el ADN monocatenario y protegerlo de la formación de bucles madre o de ser degradado por nucleasas.

    Por el contrario, otras proteínas han evolucionado para unirse a secuencias de ADN particulares. El más estudiado de estos son los diversos factores de transcripción, que son proteínas que regulan la transcripción. Cada factor de transcripción se une a un conjunto particular de secuencias de ADN y activa o inhibe la transcripción de genes que tienen estas secuencias cercanas a sus promotores. Los factores de transcripción hacen esto de dos formas. En primer lugar, pueden unirse a la ARN polimerasa responsable de la transcripción, ya sea directamente o mediante otras proteínas mediadoras, lo que ubica a la polimerasa en el promotor y le permite comenzar la transcripción. [117] Alternativamente, los factores de transcripción pueden unirse a enzimas que modifican las histonas en el promotor. Esto cambia la accesibilidad de la plantilla de ADN a la polimerasa. [118]

    Como estos objetivos de ADN pueden ocurrir en todo el genoma de un organismo, los cambios en la actividad de un tipo de factor de transcripción pueden afectar a miles de genes. [119] En consecuencia, estas proteínas son a menudo los objetivos de los procesos de transducción de señales que controlan las respuestas a los cambios ambientales o la diferenciación y el desarrollo celular. La especificidad de las interacciones de estos factores de transcripción con el ADN proviene de las proteínas que hacen múltiples contactos con los bordes de las bases del ADN, lo que les permite "leer" la secuencia de ADN. La mayoría de estas interacciones de bases se realizan en el surco principal, donde las bases son más accesibles. [25]

    Enzimas modificadoras de ADN

    Nucleasas y ligasas

    Las nucleasas son enzimas que cortan las cadenas de ADN catalizando la hidrólisis de los enlaces fosfodiéster. Las nucleasas que hidrolizan los nucleótidos de los extremos de las cadenas de ADN se denominan exonucleasas, mientras que las endonucleasas cortan dentro de las cadenas. Las nucleasas más utilizadas en biología molecular son las endonucleasas de restricción, que cortan el ADN en secuencias específicas. Por ejemplo, la enzima EcoRV que se muestra a la izquierda reconoce la secuencia de 6 bases 5′-GATATC-3 ′ y hace un corte en la línea horizontal. En la naturaleza, estas enzimas protegen a las bacterias contra la infección por fagos al digerir el ADN del fago cuando ingresa a la célula bacteriana, actuando como parte del sistema de modificación de restricción. [121] En tecnología, estas nucleasas específicas de secuencia se utilizan en la clonación molecular y la toma de huellas dactilares de ADN.

    Las enzimas llamadas ADN ligasas pueden volver a unirse a las hebras de ADN cortadas o rotas. [122] Las ligasas son particularmente importantes en la replicación del ADN de la hebra rezagada, ya que unen los segmentos cortos de ADN producidos en la bifurcación de replicación en una copia completa de la plantilla de ADN. También se utilizan en la reparación del ADN y la recombinación genética. [122]

    Topoisomerasas y helicasas

    Las topoisomerasas son enzimas con actividad tanto nucleasa como ligasa. Estas proteínas cambian la cantidad de superenrollamiento del ADN. Algunas de estas enzimas funcionan cortando la hélice de ADN y permitiendo que una sección gire, lo que reduce su nivel de superenrollamiento de la enzima y luego sella la ruptura del ADN. [38] Otros tipos de estas enzimas son capaces de cortar una hélice de ADN y luego pasar una segunda hebra de ADN a través de esta ruptura, antes de volver a unirse a la hélice. [123] Las topoisomerasas son necesarias para muchos procesos que involucran al ADN, como la replicación y la transcripción del ADN. [39]

    Las helicasas son proteínas que son un tipo de motor molecular. Utilizan la energía química de los nucleósidos trifosfatos, predominantemente trifosfato de adenosina (ATP), para romper los enlaces de hidrógeno entre las bases y desenrollar la doble hélice del ADN en hebras simples. [124] Estas enzimas son esenciales para la mayoría de los procesos en los que las enzimas necesitan acceder a las bases del ADN.

    Polimerasas

    Las polimerasas son enzimas que sintetizan cadenas de polinucleótidos a partir de nucleósidos trifosfatos. La secuencia de sus productos se crea basándose en cadenas de polinucleótidos existentes, que se denominan plantillas. Estas enzimas funcionan agregando repetidamente un nucleótido al grupo hidroxilo 3 'al final de la cadena polinucleotídica en crecimiento. Como consecuencia, todas las polimerasas funcionan en una dirección de 5 ′ a 3 ′. [125] En el sitio activo de estas enzimas, los pares de bases de nucleósido trifosfato entrantes a la plantilla: esto permite que las polimerasas sinteticen con precisión la hebra complementaria de su plantilla. Las polimerasas se clasifican según el tipo de plantilla que utilizan.

    En la replicación del ADN, las ADN polimerasas dependientes de ADN hacen copias de cadenas polinucleotídicas de ADN. Para preservar la información biológica, es esencial que la secuencia de bases en cada copia sea precisamente complementaria a la secuencia de bases en la hebra molde. Muchas ADN polimerasas tienen una actividad de corrección de pruebas. Aquí, la polimerasa reconoce los errores ocasionales en la reacción de síntesis por la falta de apareamiento de bases entre los nucleótidos mal emparejados. Si se detecta un desajuste, se activa una actividad exonucleasa de 3 'a 5' y se elimina la base incorrecta. [126] En la mayoría de los organismos, las ADN polimerasas funcionan en un gran complejo llamado replisoma que contiene múltiples subunidades accesorias, como la pinza de ADN o las helicasas. [127]

    Las ADN polimerasas dependientes de ARN son una clase especializada de polimerasas que copian la secuencia de una cadena de ARN en ADN. Incluyen la transcriptasa inversa, que es una enzima viral involucrada en la infección de las células por retrovirus, y la telomerasa, que es necesaria para la replicación de los telómeros. [56] [128] Por ejemplo, la transcriptasa inversa del VIH es una enzima para la replicación del virus del SIDA. [128] La telomerasa es una polimerasa inusual porque contiene su propia plantilla de ARN como parte de su estructura. Sintetiza telómeros en los extremos de los cromosomas. Los telómeros evitan la fusión de los extremos de los cromosomas vecinos y protegen los extremos de los cromosomas del daño. [57]

    La transcripción se lleva a cabo mediante una ARN polimerasa dependiente de ADN que copia la secuencia de una hebra de ADN en ARN. Para comenzar a transcribir un gen, la ARN polimerasa se une a una secuencia de ADN llamada promotor y separa las hebras de ADN. Luego copia la secuencia del gen en una transcripción de ARN mensajero hasta que alcanza una región de ADN llamada terminador, donde se detiene y se separa del ADN. Al igual que con las ADN polimerasas dependientes de ADN humano, la ARN polimerasa II, la enzima que transcribe la mayoría de los genes en el genoma humano, opera como parte de un gran complejo de proteínas con múltiples subunidades reguladoras y accesorias. [129]

    Una hélice de ADN generalmente no interactúa con otros segmentos de ADN, y en las células humanas, los diferentes cromosomas incluso ocupan áreas separadas en el núcleo llamadas "territorios cromosómicos". [131] Esta separación física de diferentes cromosomas es importante para que el ADN funcione como un depósito estable de información, ya que una de las pocas veces que los cromosomas interactúan es en el cruce cromosómico que ocurre durante la reproducción sexual, cuando ocurre la recombinación genética. El cruce cromosómico es cuando dos hélices de ADN se rompen, intercambian una sección y luego se vuelven a unir.

    La recombinación permite que los cromosomas intercambien información genética y produce nuevas combinaciones de genes, lo que aumenta la eficiencia de la selección natural y puede ser importante en la rápida evolución de nuevas proteínas. [132] La recombinación genética también puede estar involucrada en la reparación del ADN, particularmente en la respuesta de la célula a las roturas de doble hebra. [133]

    La forma más común de cruce cromosómico es la recombinación homóloga, donde los dos cromosomas involucrados comparten secuencias muy similares. La recombinación no homóloga puede dañar las células, ya que puede producir translocaciones cromosómicas y anomalías genéticas. La reacción de recombinación es catalizada por enzimas conocidas como recombinasas, como RAD51. [134] El primer paso en la recombinación es una ruptura de doble hebra causada por una endonucleasa o daño al ADN. [135] Una serie de pasos catalizados en parte por la recombinasa conduce a la unión de las dos hélices por al menos una unión Holliday, en la que un segmento de una sola hebra en cada hélice se hibrida con la hebra complementaria en la otra hélice. La unión de Holliday es una estructura de unión tetraédrica que se puede mover a lo largo del par de cromosomas, intercambiando una hebra por otra. A continuación, la reacción de recombinación se detiene mediante la escisión de la unión y el reenlace del ADN liberado. [136] Sólo hebras de ADN de intercambio de polaridad similar durante la recombinación. Hay dos tipos de hendidura: hendidura este-oeste y hendidura norte-sur. La división norte-sur corta ambas cadenas de ADN, mientras que la división este-oeste tiene una cadena de ADN intacta. La formación de una unión de Holliday durante la recombinación hace posible que la diversidad genética, el intercambio de genes en los cromosomas y la expresión de genomas virales de tipo salvaje.

    El ADN contiene la información genética que permite que todas las formas de vida funcionen, crezcan y se reproduzcan. Sin embargo, no está claro cuánto tiempo en los 4 mil millones de años de historia de la vida, el ADN ha realizado esta función, ya que se ha propuesto que las primeras formas de vida pueden haber utilizado ARN como su material genético. [137] [138] El ARN puede haber actuado como la parte central del metabolismo celular temprano, ya que puede transmitir información genética y llevar a cabo catálisis como parte de las ribozimas. [139] Este antiguo mundo de ARN donde el ácido nucleico se habría utilizado tanto para la catálisis como para la genética puede haber influido en la evolución del código genético actual basado en cuatro bases de nucleótidos. Esto ocurriría, ya que el número de bases diferentes en tal organismo es un compromiso entre un pequeño número de bases que aumentan la precisión de la replicación y un gran número de bases que aumentan la eficacia catalítica de las ribozimas. [140] Sin embargo, no hay evidencia directa de sistemas genéticos antiguos, ya que la recuperación del ADN de la mayoría de los fósiles es imposible porque el ADN sobrevive en el medio ambiente durante menos de un millón de años y se degrada lentamente en pequeños fragmentos en solución. [141] Se han hecho afirmaciones de ADN más antiguo, en particular un informe del aislamiento de una bacteria viable a partir de un cristal de sal de 250 millones de años, [142] pero estas afirmaciones son controvertidas. [143] [144]

    Los bloques de construcción de ADN (adenina, guanina y moléculas orgánicas relacionadas) pueden haberse formado extraterrestre en el espacio exterior. [145] [146] [147] Los compuestos orgánicos complejos de ADN y ARN de la vida, incluidos uracilo, citosina y timina, también se han formado en el laboratorio en condiciones que imitan las que se encuentran en el espacio exterior, utilizando sustancias químicas iniciales, como pirimidina, encontrado en meteoritos.La pirimidina, como los hidrocarburos aromáticos policíclicos (HAP), el químico más rico en carbono que se encuentra en el universo, puede haberse formado en gigantes rojas o en nubes de gas y polvo cósmico interestelar. [148]

    En febrero de 2021, los científicos informaron, por primera vez, de la secuenciación del ADN de los restos de animales, un mamut en este caso de más de un millón de años, el ADN más antiguo secuenciado hasta la fecha. [149] [150]

    Ingeniería genética

    Se han desarrollado métodos para purificar el ADN de organismos, como la extracción con fenol-cloroformo, y para manipularlo en el laboratorio, como la digestión de restricción y la reacción en cadena de la polimerasa. La biología y la bioquímica modernas hacen un uso intensivo de estas técnicas en la tecnología del ADN recombinante. El ADN recombinante es una secuencia de ADN artificial que se ha ensamblado a partir de otras secuencias de ADN. Pueden transformarse en organismos en forma de plásmidos o en el formato apropiado, utilizando un vector viral. [151] Los organismos modificados genéticamente producidos pueden utilizarse para producir productos como proteínas recombinantes, utilizarse en investigación médica [152] o cultivarse en la agricultura. [153] [154]

    Perfil de ADN

    Los científicos forenses pueden usar el ADN de la sangre, el semen, la piel, la saliva o el cabello que se encuentran en la escena del crimen para identificar un ADN coincidente de un individuo, como un perpetrador. [155] Este proceso se denomina formalmente perfil de ADN, también llamado huella de ADN. En el perfil de ADN, las longitudes de secciones variables de ADN repetitivo, como las repeticiones cortas en tándem y los minisatélites, se comparan entre personas. Este método suele ser una técnica extremadamente confiable para identificar un ADN coincidente. [156] Sin embargo, la identificación puede ser complicada si la escena está contaminada con ADN de varias personas. [157] La ​​elaboración de perfiles de ADN fue desarrollada en 1984 por el genetista británico Sir Alec Jeffreys, [158] y se utilizó por primera vez en la ciencia forense para condenar a Colin Pitchfork en el caso de asesinatos de Enderby de 1988. [159]

    El desarrollo de la ciencia forense y la capacidad de obtener ahora compatibilidad genética en muestras diminutas de sangre, piel, saliva o cabello ha llevado a volver a examinar muchos casos. Ahora se pueden descubrir pruebas que eran científicamente imposibles en el momento del examen original. Combinado con la eliminación de la ley de doble incriminación en algunos lugares, esto puede permitir la reapertura de casos en los que los juicios anteriores no han producido pruebas suficientes para convencer a un jurado. Es posible que se solicite a las personas acusadas de delitos graves que proporcionen una muestra de ADN para fines de comparación. La defensa más obvia para las coincidencias de ADN obtenidas de forma forense es afirmar que se ha producido una contaminación cruzada de las pruebas. Esto ha resultado en procedimientos meticulosos y estrictos de manejo con nuevos casos de delitos graves.

    La elaboración de perfiles de ADN también se utiliza con éxito para identificar positivamente a las víctimas de incidentes con víctimas en masa, [160] cuerpos o partes de cuerpos en accidentes graves y víctimas individuales en fosas comunes de guerra, mediante el emparejamiento con miembros de la familia.

    El perfil de ADN también se usa en las pruebas de paternidad de ADN para determinar si alguien es el padre biológico o el abuelo de un niño con la probabilidad de que la paternidad sea típicamente del 99,99% cuando el presunto padre está relacionado biológicamente con el niño. Los métodos normales de secuenciación del ADN ocurren después del nacimiento, pero existen nuevos métodos para probar la paternidad mientras la madre aún está embarazada. [161]

    Enzimas de ADN o ADN catalítico

    Las desoxirribozimas, también llamadas ADNzimas o ADN catalítico, se descubrieron por primera vez en 1994. [162] En su mayoría son secuencias de ADN monocatenarias aisladas de un gran conjunto de secuencias de ADN aleatorias mediante un enfoque combinatorio llamado selección in vitro o evolución sistemática de ligandos por enriquecimiento exponencial. (SELEX). Las ADNzimas catalizan una variedad de reacciones químicas, incluida la escisión de ARN-ADN, la ligadura de ARN-ADN, la fosforilación-desfosforilación de aminoácidos, la formación de enlaces carbono-carbono, etc. Las ADNzimas pueden mejorar la velocidad catalítica de las reacciones químicas hasta 100.000.000.000 veces más que la reacción no catalizada. [163] La clase de ADNzimas más estudiada son los tipos de escisión de ARN que se han utilizado para detectar diferentes iones metálicos y diseñar agentes terapéuticos. Se han informado varias ADNzimas específicas de metales, incluida la ADNzima GR-5 (específica del plomo), [162] las ADNzimas CA1-3 (específicas del cobre), [164] la ADNzima 39E (específica de uranilo) y la ADNzima NaA43 ( específico de sodio). [165] La ADNzima NaA43, que se informa que es más de 10.000 veces selectiva para el sodio sobre otros iones metálicos, se utilizó para fabricar un sensor de sodio en tiempo real en las células.

    Bioinformática

    La bioinformática implica el desarrollo de técnicas para almacenar, extraer datos, buscar y manipular datos biológicos, incluidos los datos de la secuencia de ácidos nucleicos del ADN. Estos han llevado a avances ampliamente aplicados en informática, especialmente algoritmos de búsqueda de cadenas, aprendizaje automático y teoría de bases de datos. [166] Se desarrollaron algoritmos de búsqueda o coincidencia de cadenas, que encuentran una ocurrencia de una secuencia de letras dentro de una secuencia de letras más grande, para buscar secuencias específicas de nucleótidos. [167] La ​​secuencia de ADN puede alinearse con otras secuencias de ADN para identificar secuencias homólogas y localizar las mutaciones específicas que las hacen distintas. Estas técnicas, especialmente la alineación de secuencias múltiples, se utilizan para estudiar las relaciones filogenéticas y la función de las proteínas. [168] Los conjuntos de datos que representan el valor de secuencias de ADN de genomas completos, como los producidos por el Proyecto del Genoma Humano, son difíciles de usar sin las anotaciones que identifican la ubicación de los genes y los elementos reguladores en cada cromosoma. Las regiones de la secuencia de ADN que tienen los patrones característicos asociados con genes que codifican proteínas o ARN pueden identificarse mediante algoritmos de búsqueda de genes, que permiten a los investigadores predecir la presencia de productos genéticos particulares y sus posibles funciones en un organismo incluso antes de que hayan sido aislados. experimentalmente. [169] También se pueden comparar genomas completos, lo que puede arrojar luz sobre la historia evolutiva de un organismo en particular y permitir el examen de eventos evolutivos complejos.

    Nanotecnología de ADN

    La nanotecnología del ADN utiliza las propiedades únicas de reconocimiento molecular del ADN y otros ácidos nucleicos para crear complejos de ADN ramificado autoensamblados con propiedades útiles. [170] Por tanto, el ADN se utiliza como material estructural más que como portador de información biológica. Esto ha llevado a la creación de celosías periódicas bidimensionales (tanto basadas en mosaicos como utilizando el Origami de ADN método) y estructuras tridimensionales en forma de poliedros. [171] También se han demostrado dispositivos nanomecánicos y autoensamblaje algorítmico, [172] y estas estructuras de ADN se han utilizado para moldear la disposición de otras moléculas, como nanopartículas de oro y proteínas de estreptavidina. [173]

    Historia y antropología

    Debido a que el ADN recopila mutaciones a lo largo del tiempo, que luego se heredan, contiene información histórica y, al comparar las secuencias de ADN, los genetistas pueden inferir la historia evolutiva de los organismos, su filogenia. [174] Este campo de la filogenética es una herramienta poderosa en biología evolutiva. Si se comparan las secuencias de ADN dentro de una especie, los genetistas de poblaciones pueden aprender la historia de poblaciones particulares. Esto se puede utilizar en estudios que van desde la genética ecológica hasta la antropología.

    Almacenamiento de informacion

    El ADN como dispositivo de almacenamiento de información tiene un potencial enorme, ya que tiene una densidad de almacenamiento mucho mayor en comparación con los dispositivos electrónicos. Sin embargo, los altos costos, los tiempos de lectura y escritura lentos (latencia de la memoria) y la confiabilidad insuficiente han impedido su uso práctico. [175] [176]

    El ADN fue aislado por primera vez por el médico suizo Friedrich Miescher, quien, en 1869, descubrió una sustancia microscópica en el pus de los vendajes quirúrgicos desechados. Como residía en los núcleos de las células, lo llamó "nucleína". [177] [178] En 1878, Albrecht Kossel aisló el componente no proteico de "nucleína", el ácido nucleico, y luego aisló sus cinco nucleobases primarias. [179] [180]

    En 1909, Phoebus Levene identificó la unidad de nucleótidos base, azúcar y fosfato del ARN (entonces llamado "ácido nucleico de levadura"). [181] [182] [183] ​​En 1929, Levene identificó el azúcar desoxirribosa en el "ácido nucleico del timo" (ADN). [184] Levene sugirió que el ADN consistía en una cadena de cuatro unidades de nucleótidos unidas entre sí a través de los grupos fosfato ("hipótesis del tetranucleótido"). Levene pensó que la cadena era corta y las bases se repetían en un orden fijo. En 1927, Nikolai Koltsov propuso que los rasgos heredados se heredarían a través de una "molécula hereditaria gigante" formada por "dos hebras espejo que se replicarían de forma semiconservadora utilizando cada hebra como plantilla". [185] [186] En 1928, Frederick Griffith en su experimento descubrió que los rasgos de la forma "suave" de Neumococo podría transferirse a la forma "rugosa" de la misma bacteria mezclando bacterias "lisas" muertas con la forma viva "rugosa". [187] [188] Este sistema proporcionó la primera sugerencia clara de que el ADN transporta información genética.

    En 1933, mientras estudiaba huevos vírgenes de erizo de mar, Jean Brachet sugirió que el ADN se encuentra en el núcleo celular y que el ARN está presente exclusivamente en el citoplasma. En ese momento, se pensaba que el "ácido nucleico de levadura" (ARN) se producía solo en plantas, mientras que el "ácido nucleico del timo" (ADN) solo en animales. Se pensaba que este último era un tetrámero, con la función de amortiguar el pH celular. [189] [190]

    En 1937, William Astbury produjo los primeros patrones de difracción de rayos X que mostraron que el ADN tenía una estructura regular. [191]

    En 1943, Oswald Avery, junto con sus colaboradores Colin MacLeod y Maclyn McCarty, identificaron el ADN como el principio transformador, apoyando la sugerencia de Griffith (experimento de Avery-MacLeod-McCarty). [192] A fines de 1951, Francis Crick comenzó a trabajar con James Watson en el Laboratorio Cavendish de la Universidad de Cambridge. El papel del ADN en la herencia se confirmó en 1952 cuando Alfred Hershey y Martha Chase en el experimento Hershey-Chase demostraron que el ADN es el material genético del fago T2 de las enterobacterias. [193]

    En mayo de 1952, Raymond Gosling, un estudiante de posgrado que trabajaba bajo la supervisión de Rosalind Franklin, tomó una imagen de difracción de rayos X, etiquetada como "Foto 51", [194] con altos niveles de hidratación del ADN. Esta foto fue entregada a Watson y Crick por Maurice Wilkins y fue fundamental para que obtengan la estructura correcta del ADN. Franklin les dijo a Crick y Watson que la columna vertebral tenía que estar en el exterior. Antes de eso, Linus Pauling, Watson y Crick, tenían modelos erróneos con las cadenas adentro y las bases apuntando hacia afuera. Su identificación del grupo espacial para los cristales de ADN le reveló a Crick que las dos cadenas de ADN eran antiparalelas. [195]

    En febrero de 1953, Linus Pauling y Robert Corey propusieron un modelo para ácidos nucleicos que contiene tres cadenas entrelazadas, con los fosfatos cerca del eje y las bases en el exterior. [196] Watson y Crick completaron su modelo, que ahora se acepta como el primer modelo correcto de la doble hélice del ADN. El 28 de febrero de 1953, Crick interrumpió la hora del almuerzo de los clientes en el pub The Eagle en Cambridge para anunciar que él y Watson habían "descubierto el secreto de la vida". [197]

    El número de la revista del 25 de abril de 1953 Naturaleza publicó una serie de cinco artículos que proporcionan el ADN de estructura de doble hélice de Watson y Crick y la evidencia que lo respalda. [198] La estructura se informó en una carta titulada "ESTRUCTURA MOLECULAR DE LOS ÁCIDOS NUCLEICOS Una estructura para el ácido nucleico desoxirribosa", en el que dijeron:" No ha pasado desapercibido que el emparejamiento específico que hemos postulado sugiere inmediatamente un posible mecanismo de copia del material genético ". [9] Esta carta fue seguida por una carta de Franklin y Gosling, que fue la primera publicación de sus propios datos de difracción de rayos X y de su método de análisis original. [42] [199] Luego siguió una carta de Wilkins y dos de sus colegas, que contenía un análisis de en vivo Patrones de rayos X de ADN B, y que respaldaron la presencia en vivo de la estructura de Watson y Crick. [43]

    En 1962, después de la muerte de Franklin, Watson, Crick y Wilkins recibieron conjuntamente el Premio Nobel de Fisiología o Medicina. [200] Los premios Nobel se otorgan solo a los beneficiarios vivos. Continúa el debate sobre quién debería recibir crédito por el descubrimiento. [201]

    En una influyente presentación en 1957, Crick expuso el dogma central de la biología molecular, que predijo la relación entre el ADN, el ARN y las proteínas, y articuló la "hipótesis del adaptador". [202] La confirmación final del mecanismo de replicación que estaba implícito en la estructura de doble hélice siguió en 1958 a través del experimento Meselson-Stahl. [203] Otros trabajos de Crick y colaboradores mostraron que el código genético se basaba en tripletes de bases que no se superponen, llamados codones, lo que permite a Har Gobind Khorana, Robert W. Holley y Marshall Warren Nirenberg descifrar el código genético. [204] Estos hallazgos representan el nacimiento de la biología molecular. [205]


    4.2: Crecimiento mejorado por densidad - Biología

    Hueso, o tejido óseo, es un tejido conectivo que constituye el endoesqueleto. Contiene células especializadas y una matriz de sales minerales y fibras de colágeno.

    Las sales minerales incluyen principalmente hidroxiapatita, un mineral formado a partir de fosfato de calcio. Calcificación es el proceso de deposición de sales minerales sobre la matriz de fibra de colágeno que cristaliza y endurece el tejido. El proceso de calcificación solo ocurre en presencia de fibras de colágeno.

    Los huesos del esqueleto humano se clasifican por su forma: huesos largos, huesos cortos, huesos planos, huesos suturales, huesos sesamoideos y huesos irregulares (Figura 1).

    Figura 1. Se muestran diferentes tipos de huesos: planos, irregulares, largos, cortos y sesamoideos.

    Figura 2. El hueso largo está cubierto por cartílago articular en cada extremo y contiene médula ósea (que se muestra en amarillo en esta ilustración) en la cavidad medular.

    Huesos largos son más largos que anchos y tienen un eje y dos extremos. los diáfisis, o eje central, contiene médula ósea en una cavidad medular. Los extremos redondeados, el epífisis, están cubiertos de cartílago articular y están llenos de médula ósea roja, que produce glóbulos (Figura 2). La mayoría de los huesos de las extremidades son huesos largos, por ejemplo, el fémur, la tibia, el cúbito y el radio. Las excepciones a esto incluyen la rótula y los huesos de la muñeca y el tobillo.

    Huesos cortos, o huesos cuboidales, son huesos que tienen el mismo ancho y largo, lo que les da una forma de cubo. Por ejemplo, los huesos de la muñeca (carpo) y el tobillo (tarso) son huesos cortos (Figura 1).

    Huesos planos son huesos delgados y relativamente anchos que se encuentran donde se requiere una amplia protección de los órganos o donde se requieren amplias superficies de inserción muscular. Ejemplos de huesos planos son el esternón (hueso del pecho), las costillas, la escápula (omóplatos) y el techo del cráneo (Figura 1).

    Huesos irregulares son huesos con formas complejas. Estos huesos pueden tener superficies cortas, planas, con muescas o estrías. Ejemplos de huesos irregulares son las vértebras, los huesos de la cadera y varios huesos del cráneo.

    Huesos sesamoideos son huesos pequeños y planos y tienen una forma similar a la de una semilla de sésamo. Las rótulas son huesos sesamoideos. Los huesos sesamoideos se desarrollan dentro de los tendones y se pueden encontrar cerca de las articulaciones de las rodillas, las manos y los pies (consulte la Figura 3).

    Figura 3. La rótula de la rodilla es un ejemplo de hueso sesamoideo.

    Huesos suturales son huesos pequeños, planos y de forma irregular. Pueden encontrarse entre los huesos planos del cráneo. Varían en número, forma, tamaño y posición.


    4.5 Otras tecnicas

    La tinción se puede utilizar para intensificar las discontinuidades estructurales o para hacer visibles aquellas que no están disponibles con la luz ordinaria. Galstaff (1952) describe un método para teñir las vértebras de atún con alizarina, pero su preparación requiere hasta 12 días. Esto demuestra la desventaja de los métodos basados ​​en la tinción: consumen demasiado tiempo para procesar grandes cantidades de material, aunque el procesamiento por lotes permitirá un rendimiento más rápido. Sin embargo, si la tinción es el único método que mostrará discontinuidades, entonces debe usarse, incluso si resulta en un número menor de determinaciones de edad.

    La luz polarizada y la diferenciación de fase también son técnicas que se pueden utilizar.


    Manuel J Santos, editor en jefe

    El Dr. Santos es Profesor Asociado de la Facultad de Ciencias Biológicas y Medicina de la Pontificia Universidad Católica de Chile.

    El Dr. Santos recibió su doctorado en medicina de la Universidad de Chile y su doctorado en Biología Celular y Molecular de la Pontificia Universidad Católica de Chile. Se licenció en Genética Médica en la Universidad John Hopkins (EE. UU.) Y en la Universidad René Descartes de París (Francia), y ocupó un puesto de posdoctorado en Biología Celular y Genética en la Universidad Rockefeller (EE. UU.).

    Su investigación se ha centrado en la biogénesis de orgánulos celulares, en particular peroxisomas. Pionero en este campo, su investigación lo llevó a descubrir un nuevo tipo de enfermedad genética humana, los trastornos de la biogénesis peroxisomal, entre los que se encuentra el Síndrome de Zellweger. Más recientemente, su investigación se ha centrado en estudiar el papel de los peroxisomas en la enfermedad de Alzheimer, y también trabaja en el campo de la bioética.

    A lo largo de su carrera, el Dr. Santos ha publicado más de 70 artículos revisados ​​por pares y ha sido Presidente de la Sociedad de Biología de Chile, la Sociedad de Genética de Chile y la Sociedad de Bioética de Chile.


    A dependiente La variable es la medida que cambia en respuesta a lo que cambió en el experimento. Esta variable es depende de otras variables de ahí el nombre! Por ejemplo, en el experimento de crecimiento de plantas, la variable dependiente sería el crecimiento de plantas.

    Puede medir esto midiendo cuánto crece la planta cada dos días. También puede medirlo midiendo la tasa de fotosíntesis. Cualquiera de estas medidas depende del tipo de luz que le dé a la planta.


    Estudio de caso: Vacunas contra la hepatitis B: un producto de técnicas de ADNr

    Universiteit abierto, Thames Polytechnic, en Innovaciones biotecnológicas en el cuidado de la salud, 1991

    Control de calidad de las células

    Un vial de semillas madre derivado de una sola colonia se cultiva en caldo de fermentación durante un período de aproximadamente dos días. Durante este intervalo, la levadura fabrica y almacena continuamente HBsAg. Debido a que muchas divisiones celulares ocurren durante la fermentación a gran escala, varios parámetros se consideran importantes en la evaluación y comparación de plásmidos dentro del vial de semilla maestra con plásmidos dentro de las células al final de la fermentación.

    estabilidad estructural general

    integridad de la secuencia del gen S

    Estabilidad estructural

    La estabilidad estructural general se evalúa mediante mapeo de endonucleasas de restricción. Este ensayo detectará deleciones o reordenamientos (más de 0,1 kilopares de bases).Con un panel de endonucleasas de restricción, es posible confirmar la identidad en los tamaños de los fragmentos de restricción de ADN plasmídico purificado aislado de células en la semilla maestra o al final de la fermentación a gran escala.

    Integridad del gen S en la semilla maestra

    Para confirmar la integridad de la región codificante del gen S, se realiza un análisis de la secuencia de ADN tanto para la semilla maestra como para las células de una muestra de tiempo final de una fermentación a gran escala.

    Estabilidad mitótica

    En la mitosis, los plásmidos de levadura pueden segregarse asimétricamente a las células hijas. Este proceso de segregación está influenciado por productos génicos codificados por el plásmido 2μ. En el curso de la fermentación a gran escala, puede ocurrir alguna pérdida de plásmido. Debido a que es deseable que un porcentaje grande y constante de las células retenga plásmidos, el grado de pérdida se mide mediante ensayos de replicación en placa. La fracción de células que retienen el plásmido se puede determinar probando el crecimiento celular en un medio deficiente en leucina. Las células que han perdido el plásmido de expresión no pueden crecer en este medio.

    Número de copia

    Un último parámetro es el cálculo del número de plásmidos de expresión en las células de la semilla maestra en comparación con el número de células después de la fermentación a gran escala. Después de la extracción de células y la digestión de ADN con endonucleasas de restricción seguida de electroforesis en gel de agarosa, el número de plásmidos puede cuantificarse en relación con un control interno apropiado mediante barrido densitométrico después de tinción o hibridación por transferencia Southern.

    Durante las primeras etapas de la fermentación, es deseable mantener un alto número de plásmidos. Esto se logra utilizando un medio selectivo definido, por ejemplo, un medio deficiente en leucina. Durante las últimas etapas, en los recipientes de fermentación más grandes, es deseable utilizar un medio más enriquecido que favorecerá la acumulación de una alta densidad celular y grandes cantidades de HBsAg. El mantenimiento de números de plásmidos en la fermentación final tan altos como en la semilla maestra no es crítico, pero es importante desde la perspectiva de las agencias reguladoras que el número de copias sea consistente entre todas las fermentaciones.

    Control de procesos

    Para desarrollar un proceso de fermentación eficiente, se debe prestar atención a:

    el método mediante el cual las células de la semilla madre se propagan a través de las etapas iniciales de crecimiento hasta la etapa de crecimiento en la fermentación grande

    los medios de crecimiento, tanto selectivos como enriquecidos

    curvas de crecimiento celular, para mantener las células durante períodos de tiempo significativos en su fase logarítmica

    volúmenes definidos transferidos durante la ampliación

    parámetros físicos de la fermentación, por ejemplo, pH, velocidad de agitación del oxígeno disuelto.

    Todo lo anterior debe controlarse para garantizar una alta viabilidad celular, una buena producción de HBsAg y la reproducibilidad del proceso.

    Al comparar el vial de semillas de reserva y la fermentación a gran escala utilizada en la producción de la vacuna contra la hepatitis B, seleccione las técnicas más apropiadas de la lista proporcionada para lograr los siguientes objetivos: i)

    una comparación de la proporción de células que llevan los plásmidos deseados

    una comparación del número de plásmidos por célula

    una comparación de la región codificante del gen del producto deseado

    una comparación de la estructura general de los plásmidos

    ¿Cuál de las técnicas descritas sería adecuada para determinar la calidad del producto proteico?


    Ver el vídeo: Factores denso dependientes y denso independientes (Agosto 2022).