ADN, ARN, Bacterias y Microscopía: Estructura y Funciones Celulares

Estructura del ADN

En 1953, Watson y Crick, basándose en aportaciones científicas sobre la estructura del ADN, establecieron el modelo de doble hélice. El ADN es una doble hélice de 20 Å de diámetro formada por dos cadenas de polinucleótidos enrolladas, como si imagináramos una escalera de caracol.

Los grupos hidrófobos de las bases se disponen en el interior y establecen interacciones que, junto con los enlaces de hidrógeno, proporcionan estabilidad. Las pentosas y los grupos fosfato quedan en el exterior y, por su ionización, les confieren su carácter ácido.

Las cadenas de ADN son antiparalelas y complementarias. El enrollamiento de la doble hélice es dextrógiro y plectonémico. La doble hélice es muy estable, pero si la calentamos hasta 100 °C se separa y se desnaturaliza.

Niveles de estructura del ADN

Estructura primaria

Es la secuencia de nucleótidos, que puede presentarse como una simple cadena filamentosa extendida o ligeramente doblada sobre sí misma. Está formada por el esqueleto de polidesoxirribosa-fosfato y la secuencia de bases nitrogenadas. Número de hebras elevado.

Estructura secundaria

Es la disposición en el espacio de las dos cadenas de polinucleótidos que forman la doble hélice. Se deduce: densidad y viscosidad altas, complementariedad y estructura fibrilar de 20 Å.

Primer nivel de empaquetamiento

Se conoce como collar de perlas: fibra de 20 Å de ADN + histonas. Hay la misma cantidad en masa de histonas que de ADN en el núcleo durante la interfase celular en eucariotas. Está constituida por una sucesión de partículas de 100 Å llamadas nucleosomas (octámero de histonas y una fibra de ADN de 200 pares de bases), de forma laxa. Si el nucleosoma se asocia con la H1, forma el cromatosoma.

Segundo nivel de empaquetamiento

Es el solenoide: enrollamiento sobre sí misma de la cromatina de 100 Å condensada por la H1. En cada vuelta hay 6 cromatosomas y 6 H1, que se agrupan y forman un eje central, acortando la longitud. Durante la interfase, en el núcleo se encuentra la mayor parte de la cromatina como fibras de 100 Å, aunque a un nivel más bajo está en fibras de 300 Å.

Dominios de bucle y nivel superior

Estructura del ARN

El ARN está formado por nucleótidos de ribosa y bases nitrogenadas (A, G, C, U), unidos por enlaces fosfodiéster. Es monocatenario y se encuentra en virus, células procariotas y eucariotas.

Tipos de ARN

• ARNm (mensajero): monocatenario y lineal. Copia la información del ADN y la lleva hasta los ribosomas para que sinteticen proteínas a partir de los aminoácidos aportados por el ARNt. En eucariotas es doble hélice con zonas monocatenarias en forma de lazos en horquilla, monocistrónico, con intrones, y con caperuza. En procariotas no tiene intrones ni caperuza y es policistrónico. Maduración: los genes se fragmentan, se eliminan los intrones y se unen los exones. El ARN polimerasa se fija en el promotor y continúa en sentido 5'→3'. Los transcritos de 30 nucleótidos se añaden a la caperuza m7GpppN en el extremo 5'. Al llegar a la secuencia de fin, la poli-A polimerasa añade 200 nucleótidos de adenina (cola poli-A) al ARNhn. La maduración se produce en el núcleo por acción de ribonucleoproteínas nucleares pequeñas, que forman el espliceosoma, que separa los intrones y une los exones.
• ARNt (de transferencia): de 70 a 90 nucleótidos, se encuentra en el citoplasma. Transporta aminoácidos determinados hasta los ribosomas, donde se sintetizan las proteínas. Presenta dos zonas distintas: unas con estructura secundaria debida a la complementariedad y otras monocatenarias que forman asas o bucles. En 3D tiene forma de L. Contiene bases como NH2, T, I.
• ARNr (ribosómico): forma parte de los ribosomas. Se expresa en unidades Svedberg. Las células procariotas tienen ribosomas 70S y las eucariotas 80S. Su componente principal se encuentra en el nucléolo y se origina a partir del ADN. El ARN de 45S se asocia a proteínas formando ribonucleoproteínas; se divide en 3 ARN y se añade uno de 5S, surgiendo las 2 subunidades ribosómicas.
• ARNpn (pequeño nuclear): pequeño, se encuentra en el núcleo de las células eucariotas y se une a ciertas proteínas formando ribonucleoproteínas.

Bacterias

Formación de endosporas

Es la respuesta ante cambios del medio. Las bacterias viven en el suelo, en condiciones adversas, con periodos de metabolismo reducido, y protegen su ADN formando una cubierta llamada endospora. Quedan libres en el suelo formando exosporas, que sobreviven largo tiempo. En buenas condiciones, la exospora germina y da lugar a nuevas bacterias.

Reproducción

• Asexual: por bipartición o fisión binaria, precedida de una duplicación del ADN bacteriano y la separación de las dos moléculas. Las bacterias hijas son genéticamente idénticas, formando colonias de individuos clónicos.
• Parasexual: intercambio de información genética con otras bacterias.

Tipos de intercambio genético

• Conjugación: la bacteria donadora transmite ADN por contacto a la bacteria receptora. La donadora tiene plásmidos (plásmido F o factor F) que contienen genes que informan la producción de pelos sexuales. Las bacterias con plásmidos F se llaman F+. Las bacterias Hfr transmiten parte del plásmido F y algunos genes adyacentes de su cromosoma, que se recombinan con el ADN de la bacteria receptora y quedan integrados en ella.
• Transducción: intercambio genético accidental a través de un agente transmisor (virus), que transmite fragmentos de ADN de una última bacteria parasitada.
• Transformación: la bacteria introduce en su interior fragmentos de ADN que aparecen libres en el medio por lisis celular.

Pared bacteriana

Es una cubierta rígida que da forma a la célula, de 50 a 100 Å, compuesta por mureína. Es permeable a sales y moléculas orgánicas de baja masa molecular. La destrucción indefinida de la bacteria puede deberse a cambios de salinidad. La ruptura de la pared por lisozima es posible. Su composición distinta explica que las bacterias reaccionen de forma diferente a la tinción de Gram:

• Gram positivas: pared monoestratificada asociada a proteínas y polisacáridos.
• Gram negativas: pared biestratificada, con una capa basal de mureína y una membrana externa.

Membrana plasmática

Es una envoltura de tipo unitario de 75 Å. Su estructura y composición se asemejan a las de las células eucariotas, pero sin colesterol. Delimita la bacteria y regula el paso de sustancias nutritivas. Contiene mesosomas, con funciones en la replicación del ADN, la respiración bacteriana, la fotosíntesis y la asimilación de N2.

Citoesqueleto

• Microfilamentos (70 Å): formados por dos cadenas de actina y miosina. Mantienen la forma celular formando una estructura reticular densa situada bajo la membrana plasmática (córtex). Permiten a la célula acomodarse y generar pseudópodos, y estabilizan la prolongación y el movimiento contráctil celular, como en el músculo.
• Filamentos intermedios (150 Å): proteínas filamentosas de grosor intermedio. Su función es estructural, contribuyendo a mantener la forma celular.
• Microtúbulos (250 Å): filamentos tubulares formados por tubulina, que se originan a partir del centro organizador de microtúbulos (COM). A partir de ellos salen el huso, los centriolos, los cilios y los flagelos. Su estructura cilíndrica y hueca está constituida por dos polímeros proteicos globulares unidos: alfa y beta tubulina. Sus funciones son: movimiento celular, base estructural del citoesqueleto, determinación de la forma celular, organización de la distribución interna de los orgánulos y movilización de cromosomas.

Técnicas de microscopía

Microscopio óptico

Dispone de dos lentes (ocular y objetivo) y utiliza fotones de luz visible para realizar las observaciones. Los rayos de luz incidentes sobre la preparación atraviesan hasta el objetivo. Al proyectarse hacia el ocular, aumentan la imagen, que el ocular amplía de nuevo.

Existen dos tipos de preparaciones: temporales y permanentes, más duraderas, que se obtienen mediante técnicas especiales de elaboración: fijación, inclusión, corte, tinción y montaje.

Microscopio electrónico

Utiliza un haz de electrones. Sus lentes no son de vidrio, sino bobinas cilíndricas que generan un campo magnético que condensa el haz electrónico. Los electrones chocan con los átomos de la muestra y se dispersan. La imagen se observa en una pantalla fluorescente.

• Microscopio electrónico de transmisión: poder de resolución de 4 Å, aumento de 1 millón de veces. Preparación compleja.
• Microscopio electrónico de barrido (scanner): permite observar objetos en 3D, con un poder de resolución 50 veces menor y aumentos de 200 000 veces.