- biologia molecular

Fundamentos y aplicacionesen las ciencias de la salud

Adriana Mara Salazar MontesInstituto de Biologa Molecular en Medicina, Centro Universitario de Ciencias de la Salud

Universidad de Guadalajara

Ana Soledad Sandoval RodrguezInstituto de Biologa Molecular en Medicina, Centro Universitario de Ciencias de la Salud

Universidad de Guadalajara

Juan Socorro Armendriz BorundaInstituto de Biologa Molecular en Medicina, Centro Universitario de Ciencias de la Salud

Universidad de GuadalajaraO.P.D. Hospital Civil de Guadalajara Dr. Juan I. Menchaca

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Director editorial: Javier de Len FragaEditor sponsor: Emilio Salas CastilloEditor de desarrollo: Hctor F. Guerrero AguilarSupervisor de produccin: Juan Jos Manjarrez de la Vega

BIOLOGA MOLECULARFundamentos y aplicaciones en las ciencias de la salud

Prohibida la reproduccin total o parcial de esta obra,por cualquier medio, sin autorizacin escrita del editor.

DERECHOS RESERVADOS 2013, respecto a la primera edicin en espaol por,McGRAW-HILL INTERAMERICANA EDITORES, S.A. de C. V. Prolongacin Paseo de la Reforma 1015, Torre A, Piso 17, Col. Desarrollo Santa Fe, Delegacin lvaro Obregn C. P. 01376, Mxico, D. F. Miembro de la Cmara Nacional de la Industria Editorial Mexicana Reg. No. 736

ISBN: 978-607-15-0912-3

1234567890 2456789013

Impreso en Mxico Printed in Mexico

NOTALa medicina es una ciencia en constante desarrollo. Conforme surjan nuevos conocimientos, se requerirn cambios de la teraputica. El(los) autor(es) y los editores se han esforzado para que los cuadros de dosifi cacin medicamentosa sean preci-sos y acordes con lo establecido en la fecha de publicacin. Sin embargo, ante los posibles errores humanos y cambios en la medicina, ni los editores ni cualquier otra persona que haya participado en la preparacin de la obra garantizan que la infor-macin contenida en ella sea precisa o completa, tampoco son responsables de errores u omisiones, ni de los resultados que con dicha informacin se obtengan. Convendra recurrir a otras fuentes de datos, por ejemplo, y de manera particular, habr que consultar la hoja informativa que se adjunta con cada medicamento, para tener certeza de que la informacin de esta obra es precisa y no se han introducido cambios en la dosis recomendada o en las contraindicaciones para su administracin. Esto es de particular importancia con respecto a frmacos nuevos o de uso no frecuente. Tambin deber consultarse a los laboratorios para recabar informacin sobre los valores normales.

Adriana Mara Salazar MontesLicenciada en Biologa. Maestra en Ciencias en Biologa Celular. Doctorado en Ciencias en Biologa Molecular en Medicina. Universidad de Guadalajara. Posdoctorado en la Universidad de Tu s, Boston, Estados Unidos.

Obtuvo Doctorado en la Universidad de Guadalajara en el rea de Biologa Molecular y realiz su estancia posdoc-toral en la Universidad de Tu s, en Boston, Estados Unidos. Es profesora investigadora y en este momento encargada del Instituto de Biologa Molecular en Medicina y Terapia Gnica. Es profesora del Doctorado en Ciencias en Biologa Molecular en Medicina y del Doctorado en Farmacologa de la Universidad de Guadalajara. En la actualidad es edito-ra asociada de la Revista Archivos de Ciencias, rgano o -cial del Centro Universitario de Ciencias de la Salud.

Ana Soledad Sandoval RodrguezQuimicofarmacobiloga de formacin con Doctorado en Ciencias Biomdicas, con orientacin en Inmunologa. Universidad de Guadalajara. Posdoctorado en el Centro de Investigaciones Mdicas Aplicadas de la Universidad de Navarra, en Espaa.

Obtuvo Doctorado en la Universidad de Guadalajara en el rea de las Ciencias Biomdicas. Realiz su estancia pos-doctoral en la Universidad de Navarra, en Espaa, en el

Centro de Investigaciones Mdicas Aplicadas. Es profesora investigadora del Instituto de Biologa Molecular en Medi-cina y Terapia Gnica, responsable del rea de Terapia Celular. Es profesora del Doctorado en Ciencias en Biologa Molecular en Medicina de la Universidad de Guadalajara. En la actualidad es editora asociada de la Revista Archivos de Ciencias, rgano o cial del Centro Universitario de Ciencias de la Salud.

Juan Armendriz BorundaLicenciado en Farmacologa. Maestra y Doctorado en Bio-qumica en el Centro de Investigaciones y Estudios Avanza-dos del Instituto Politcnico Nacional. Posdoctorado en la Universidad de Tennessee, Memphis, Estados Unidos.

Obtuvo Doctorado en Bioqumica en el Centro de Investigaciones y Estudios Avanzados del Instituto Politc-nico Nacional, y Posdoctoral en la Universidad de Tennes-see, Memphis, Estados Unidos. Es profesor investigador del Instituto de Biologa Molecular en Medicina y Terapia Gnica y actualmente jefe del Departamento de Biologa Molecul ar y Genmica. Es profesor del Doctorado en Cien-cias en Biologa Molecular en Medicina, del Doctorado en Gentica y del Doctorado en Ciencias Biomdicas de la Universidad de Guadalajara. En la actualidad es editor de la Revista Archivos de Ciencias, rgano o cial del Centro Uni-versitario de Ciencias de la Salud.

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Editores

Blanca Estela Alcntar DazDoctora en Ciencias en Biologa Molecular en Medicina.

Universidad Autnoma de Nayarit.

Bertha Adriana lvarez RodrguezDoctora en Gentica. Departamento de Biologa

Molecular y Genmica, Centro Universitario de Ciencias de la Salud, Universidad de Guadalajara.

Juan Armendriz BorundaDoctor en Bioqumica. Instituto de Biologa Molecular en

Medicina y Terapia Gnica, Departamento de Biologa Molecular y Genmica, Centro Universitario de Ciencias de la Salud, Universidad de Guadalajara.

Blanca Estela Bastidas RamrezDoctora en Ciencias en Biologa Molecular en Medicina.

Instituto de Enfermedades Crnico Degenerativas, Departamento de Biologa Molecular y Genmica, Centro Universitario de Ciencias de la Salud, Universidad de Guadalajara.

scar Gabriel Bjar MejaLicenciatura en Deportes. Especialidad en Natacin.

Consejo Municipal del Deporte de Guadalajara.

Miriam Ruth Bueno TopeteDoctora en Ciencias en Biologa Molecular en Medicina.

Instituto de Enfermedades Crnico Degenerativas, Centro Universitario de Ciencias de la Salud, Universidad de Guadalajara.

Paola B. Castro Garca Doctora en Neurociencias. Posdoctoral en Division of

Stem Cell Biology. Institute for Genetic Medicine, Hokkaido University.

Adriana Daz RiveraLicenciatura en Biologa. Doctorado en Ciencias en

Biologa Molecular en Medicina. Centro Universitario de Ciencias de la Salud, Universidad de Guadalajara.

Martha Escoto DelgadilloDoctora en Ciencias en Biologa Celular. Instituto de

Patologa Infecciosa y Experimental Dr. Francisco Ruiz Snchez de la Universidad de Guadalajara. Centro de Investigaciones Biomdicas de Occidente, Instituto Mexicano del Seguro Social.

Luca Flores ContrerasLicenciatura en Biologa. Doctorado en Gentica. Centro

Universitario de Ciencias de la Salud, Universidad de Guadalajara.

Jorge Fernando Floresvillar MosquedaLicenciatura en Microbiologa. Doctorado en Ciencias

Biomdicas. Orientacin Inmunolgica. Centro Universitario de Ciencias de la Salud, Universidad de Guadalajara.

Jess Javier Garca BauelosDoctor en Ciencias en Biologa Molecular en Medicina.

Instituto de Biologa Molecular y Terapia Gnica, Departamento de Biologa Molecular y Genmica, Centro Universitario de Ciencias de la Salud, Universidad de Guadalajara.

Belinda Claudia Gmez MedaDoctora en Gentica. Instituto de Biologa Molecular en

Medicina y Terapia Gnica, Departamento de Biologa Molecular y Genmica, Centro Universitario de Ciencias de la Salud, Universidad de Guadalajara.

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Colaboradores

Colaboradores v

Jaime Gonzlez CuevasDoctor en Ciencias en Biologa Molecular en Medicina.

Instituto de Biologa Molecular en Medicina y Terapia Gnica, Departamento de Biologa Molecular y Genmica, Centro Universitario de Ciencias de la Salud, Universidad de Guadalajara.

Anglica Sofa Gonzlez GaribayLicenciatura en Nutricin. Doctorado en Ciencias en


Daniela Gordillo BastidasDoctora en Ciencias en Biologa Molecular en Medicina.

Coordinacin de la Carrera de Nutricin, Instituto Tecnolgico y de Estudios Superiores de Monterrey.

Elizabeth Gordillo BastidasDoctora en Ciencias en Biologa Molecular en Medicina.

Departamento de Biologa Molecular y Genmica, Centro Universitario de Ciencias de la Salud, Universidad de Guadalajara.

Csar Guardado MoraLicenciatura en Quimicofarmacobilogo. Instituto de

Biologa Molecular en Medicina y Terapia Gnica, Departamento de Biologa Molecular y Genmica, Centro Universitario de Ciencias de la Salud, Universidad de Guadalajara.

Carmen Magdalena Gurrola DazDoctorado en Ciencias, Patologa Molecular y Biologa

Molecular del Cncer. Instituto de Enfermedades Crnico Degenerativas, Departamento de Biologa Molecular y Genmica, Centro Universitario de Ciencias de la Salud, Universidad de Guadalajara.

Zamira Helena Hernndez NazarDoctora en Ciencias en Biologa Molecular en Medicina.

Instituto de Enfermedades Crnico Degenerativas, Departamento de Biologa Molecular y Genmica, Centro Universitario de Ciencias de la Salud, Universidad de Guadalajara.

Luis Daniel Hernndez OrtegaLicenciatura en Quimicofarmacobilogo. Doctorado en

Ciencias en Biologa Molecular en Medicina. Centro Universitario de Ciencias de la Salud, Universidad de Guadalajara.

Selene Guadalupe Huerta OlveraDoctora en Toxicologa. Departamento de Ciencias

Mdicas y de la Vida, Centro Universitario de la Cinega, Universidad de Guadalajara. OPD Hospital Civil de Guadalajara Dr. Juan I. Menchaca.

Mara Cristina Islas CarbajalDoctora en Ciencias en Biologa Molecular en

Medicina. Instituto de Investigacin Cardiovascular, Departamento de Fisiologa, Centro Universitario de Ciencias de la Salud, Universidad de Guadalajara.

David Alejandro Lpez de la MoraLicenciatura en Quimicofarmacobilogo. Doctorado en


Alfonso Lpez VzquezLicenciatura en Mdico Cirujano Partero. Doctorado en


Jos Guadalupe Macas BarragnDoctor en Ciencias Biomdicas. Orientacin

Inmunolgica. Departamento de Ciencias Naturales y Exactas, Centro Universitario de los Valles, Universidad de Guadalajara.

Ana Laura Mrquez AguirreDoctorado en Ciencias Biomdicas con Orientacin en

Inmunologa. Centro de Investigacin y Asistencia en Tecnologa y Diseo del Estado de Jalisco.

Abril Bernardette Martnez RizoDoctora en Ciencias Biomdicas. Orientacin

Inmunolgica. Universidad Autnoma de Nayarit.

Carlos Mata MunguaDoctor en Gentica. Centro de Investigaciones Biomdicas

de Occidente, Instituto Mexicano del Seguro Social.

Mayra Guadalupe Mena EnrquezLicenciatura en Biologa. Doctorado en Gentica. Centro


vi Colaboradores

Alejandra Meza RosLicenciatura en Quimicofarmacobilogo. Doctorado en


Silvia Mora LeeDoctora en Neurociencias. Laboratorio de Ciencias

Biomdicas y Biotecnologa, Departamento de Ciencias Naturales y Exactas, Centro Universitario de los Valles, Universidad de Guadalajara.

Jos Navarro PartidaDoctor en Ciencias en Biologa Molecular en Medicina.


Viviana Carolina Nez ValdezLicenciatura en Biologa. Doctorado en Ciencias en


Ana Rosa Rincn SnchezDoctora en Farmacologa. Instituto de Investigacin

Cardiovascular, Departamento de Fisiologa, Centro Universitario de Ciencias de la Salud, Universidad de Guadalajara.

Samantha Rivero-Borrel SandovalLicenciatura en Mdico Cirujano Partero. Centro


Adriana Mara Salazar MontesDoctora en Ciencias en Biologa Molecular en Medicina.


Laura Vernica Snchez OrozcoDoctora en Ciencias en Biologa Molecular en Medicina.

Instituto de Enfermedades Crnico Degenerativas, Centro Universitario de Ciencias de la Salud, Universidad de Guadalajara.

Mara Guadalupe Snchez ParadaLicenciatura en Mdico Cirujano Partero. Doctorado en

Gentica. Centro Universitario de Ciencias de la Salud, Universidad de Guadalajara.

Ana Soledad Sandoval RodrguezDoctora en Ciencias Biomdicas. Orientacin

Inmunolgica. Instituto de Biologa Molecular en Medicina y Terapia Gnica, Departamento de Biologa Molecular y Genmica, Centro Universitario de Ciencias de la Salud, Universidad de Guadalajara.

Pablo Manuel Saucedo GalindoEntrenador.

Eduardo Vzquez VallsMaestro en Ciencias en Biologa Celular. Instituto de

Patologa Infecciosa y Experimental Dr. Francisco Ruiz Snchez de la Universidad de Guadalajara. Centro de Investigaciones Biomdicas de Occidente, Instituto Mexicano del Seguro Social.

Jos Mara Vera CruzDoctor en Ciencias en Biologa Molecular en Medicina.


Ana Lourdes Zamora PrezDoctora en Gentica. Instituto de Investigacin en

Odontologa, Departamento de Clnicas Odontolgicas Integrales, Centro Universitario de Ciencias de la Salud, Universidad de Guadalajara.

Guillermo Moiss Ziga GonzlezDoctor en Gentica. Laboratorio de Mutagnesis, Divisin

de Medicina Molecular, Centro de Investigacin Biomdica de Occidente, Instituto Mexicano del Seguro Social.

Prlogo

Parte IConceptos bsicos de biologa molecular 1

Captulo 1Historia de la biologa molecular 3

Jos Mara Vera CruzAdriana Mara Salazar MontesCsar Guardado MoraJuan Armendriz Borunda

Captulo 2Ciclo celular 15

Blanca Estela Alcntar DazLuis Daniel Hernndez OrtegaAdriana Mara Salazar Montes

Captulo 3Estructura de cidos nucleicos 25

Jos Navarro PartidaMayra Mena Enrquez

Captulo 4Replicacin 36

Jorge Fernando Floresvillar MosquedaJos Guadalupe Macas Barragn

Captulo 5Transcripcin 44

Zamira Helena Hernndez Nazar

Captulo 6Traduccin 52

Jos Mara Vera CruzBertha Adriana lvarez RodrguezBelinda Claudia Gmez Meda

Captulo 7Regulacin de la expresin gnica 66

Adriana Mara Salazar MontesAna Soledad Sandoval RodrguezJuan Armendriz Borunda

Captulo 8Mutaciones 75

Mara Guadalupe Snchez ParadaBelinda Claudia Gmez Meda

Captulo 9Mecanismos de reparacin del ADN 82

Mayra Guadalupe Mena EnrquezLuca Flores ContrerasAna Soledad Sandoval RodrguezJuan Armendriz Borunda

vii

Contenido

viii Contenido

Parte IIMetodologa del ADN recombinante 91

Captulo 10Manejo de muestras para estudios moleculares 93

Jess Javier Garca BauelosBlanca Estela Bastidas RamrezElizabeth Gordillo BastidasDaniela Gordillo Bastidas

Captulo 11Mtodos de extracccin de cidos nucleicos 99

Ana Soledad Sandoval RodrguezAbril Bernardette Martnez RizoDavid Alejandro Lpez de la Mora

Captulo 12Electroforesis 110

David Alejandro Lpez de la MoraAna Soledad Sandoval Rodrguez

Captulo 13Enzimas de restriccin 120

Jaime Gonzlez CuevasMiriam Ruth Bueno TopeteAna Soledad Sandoval Rodrguez

Captulo 14Vectores de clonacin y expresin 127

Ana Soledad Sandoval RodrguezMayra Mena EnrquezAna Laura Mrquez Aguirre

Captulo 15Tcnicas de hibridacin 139

Miriam Ruth Bueno TopeteJaime Gonzlez Cuevas

Captulo 16Reaccin en cadenade la polimerasa 145

Ana Soledad Sandoval RodrguezAlejandra Meza RosJorge Fernando Floresvillar Mosqueda

Captulo 17Secuenciacin del ADNy microarreglos 160

Belinda Claudia Gmez MedaGuillermo Moiss Ziga GonzlezJos Mara Vera CruzBertha Adriana lvarez Rodrguez

Captulo 18Polimor smos de ADNy huella gentica 171

Belinda Claudia Gmez MedaAna Lourdes Zamora PrezMara Guadalupe Snchez Parada

Parte IIIBases moleculares de las enfermedades 181

Captulo 19Bases moleculares de las patologas humanas 183

Jos Macas BarragnSelene Guadalupe Huerta Olvera

Captulo 20Enfermedades monognicas 191

Silvia Mora LeePaola B. Castro Garca

Captulo 21Bases moleculares del cncer 197

Carmen Magdalena Gurrola Daz

Contenido ix

Captulo 22Bases moleculares de la diabetes mellitus 204

Ana Rosa Rincn SnchezMara Cristina Islas Carvajal

Captulo 23Bases moleculares de la obesidad 218

Blanca Estela Bastidas RamrezAnglica Sof a Gonzlez GaribayAlfonso Lpez VzquezViviana Carolina Nez Valdez

Captulo 24Bases moleculares de la hepatitis B 227

Laura Vernica Snchez OrozcoMiriam Ruth Bueno TopeteJuan Armendriz Borunda

Captulo 25Bases moleculares de la hepatitis C 235C

Laura Vernica Snchez OrozcoDavid A. Fernndez GalindoMiriam Ruth Bueno TopeteJuan Armendriz Borunda

Captulo 26Bases moleculares del virus de la inmunode ciencia humana 241

Martha Escoto DelgadilloCarlos Mata MunguaEduardo Vzquez Valls

Parte IVTpicos selectos 255

Captulo 27Terapia gnica 257

Ana Soledad Sandoval RodrguezJuan Armendriz Borunda

Adriana Mara Salazar MontesAdriana Daz Rivera

Captulo 28Animales transgnicosy clonacin 268

Jess Javier Garca BauelosBlanca Estela Bastidas RamrezJuan Armendriz Borunda

Captulo 29Nutrigenmica y nutrigentica 277

Blanca Estela Bastidas RamrezJess Javier Garca BauelosElizabeth Gordillo BastidasDaniela Gordillo Bastidas

Captulo 30Biologa molecular del deporte 287

scar Gabriel Bjar MejaAna Soledad Sandoval RodrguezPablo Manuel Saucedo GalindoSamantha Rivero-Borrel Sandoval

Captulo 31Dopaje gnico 298

Ana Soledad Sandoval Rodrguezscar Gabriel Bjar MejaAdriana Mara Salazar MontesJess Javier Garca Bauelos

Captulo 32Proyecto del Genoma Humano: aportaciones a la medicina 305

Adriana Mara Salazar MontesLuis Daniel Hernndez OrtegaJuan Armendriz Borunda

ndice alfabtico

Escribir un libro de texto es tarea muy complicada, pero si este trabajo se concluye de manera exitosa es en buena medida gracias a las personas que in uyen en su realiza-cin. Queremos manifestar nuestro agradecimiento a quie-nes, de forma directa o indirecta, contribuyeron al resultado que el lector tiene en sus manos.

En primer lugar, a los miembros del comit editorial, con cuyos comentarios y nuestras discusiones sobre los temas y captulos estuvieron siempre solcitos a enriquecer el contenido con sus puntos de vista, a cualquier hora del da.

A todos y cada uno de los colaboradores de los cap-tulos que conforman esta obra, por el tiempo dedicado y el empeo dispuesto para que este libro de texto sea com-prensible al alumno de pregrado, donde comparten sus

conocimientos en las diferentes ramas y aplicaciones de la Biologa Molecular.

A los alumnos de los cursos de Biologa Molecular de pregrado y posgrado, quienes con sus preguntas, dudas y comentarios enriquecieron los temas que abarca este libro. Mucho de lo que aprendimos respecto de la manera de redactar dichos temas con mayor claridad fue impartiendo estos cursos. Gracias a todos ellos.

A la editorial McGraw-Hill, que tuvo gran paciencia con este proyecto y persever en su edicin, correccin y elaboracin. Por su enorme entusiasmo y dedicacin, nues-tro sincero agradecimiento.

Los autores

x

Agradecimientos

El enorme avance de la biologa molecular en los ltimos sesenta aos ha venido a revolucionar la manera de visuali-zar la medicina y la biologa en general. En el rea de la bio-loga molecular, todos los das se publican datos nuevos que nos permiten una mejor comprensin y un entendimiento ms amplio de los procesos biolgicos. Aunque la estruc-tura y funcin de los genes en el genoma humano parece simple, al adentrarnos un poco ms en su estudio nos asom-bramos de cun complejos son. Los estudios logrados en el campo de la biologa molecular aplicados a la medicina y a la ingeniera gentica han generado enormes avances como consecuencia del entendimiento de las bases moleculares de los fenmenos biolgicos que suceden en el organismo, lo que en el campo de la medicina ha permitido ofrecer a los pacientes diagnsticos y tratamientos ms certeros, logran-do as establecer una conexin estrecha antes inexistente entre las ciencias bsicas y las disciplinas clnicas. Podemos nalmente entender la importancia que ha cobrado la bio-loga molecular en el desarrollo de la vida moderna, por lo cual mltiples universidades la han incluido dentro de sus planes de estudios como una materia obligatoria. Esta medida pretende que los estudiantes de las ciencias de la salud, tanto de licenciatura como de maestra y doctora-do, conjunten los conocimientos pasados con los actuales y sean capaces de entender los mecanismos moleculares que suceden dentro de las clulas de todos los organismos vivos, y cmo un agente gentico, un microorganismo o un factor ambiental puede modi carlos, ocasionando as una patologa.

Este libro ofrece al lector adentrarse en el campo de la biologa molecular al presentarle un panorama general y a la vez profundo de cada uno de los temas planteados, con un abordaje sencillo y didctico de los eventos moleculares

que ocurren dentro de nuestras clulas, de las principales tcnicas empleadas en un laboratorio de biologa molecular para su estudio y aplicadas al diagnstico, y de qu manera, con ayuda de la biotecnologa y la ingeniera gentica, estos procesos pueden ser modi cados con la nalidad de mejo-rar o revertir el curso de un proceso siolgico anormal, con intencin de regresar al organismo a la homeostasis.

El texto est dividido en cuatro partes: la primera se enfoca a estudiar los aspectos bsicos de la biologa mo-lecular, la estructura y funcin de las principales molculas que participan en el ujo de la informacin gentica como lo son el ADN, el ARN y las protenas, as como los meca-nismos que controlan su sntesis. Tambin se expone con detalle aquellos mecanismos involucrados en el control de la expresin de los genes de manera positiva y negativa. La segunda parte presenta las principales tcnicas de biologa molecular e ingeniera gentica aplicadas a la medicina, con el n de ofrecer a los pacientes diagnsticos ms certe-ros y oportunos. La tercera seccin muestra un panorama amplio de las bases moleculares implicadas en el desarrollo de diversas patologas humanas, y por ltimo, la cuarta par-te brinda una revisin actual de temas especializados y de inters general, como terapia gnica, organismos transgni-cos, dopaje gnico, nutrigenmica y proyecto del genoma humano. Sin lugar a dudas, el presente libro representa una herramienta muy til para el estudio de la biologa molecu-lar en el rea de las ciencias de la salud, y estamos seguros de que su lectura desarrollar en los estudiantes el gusto por esta fascinante rama de la ciencia.

Rui Prez Tamayo

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Prlogo

Conceptos bsicos de biologa molecular

Parte IContenidoCaptulo 1 Historia de la biologa molecular

Captulo 2 Ciclo celular

Captulo 3 cidos nucleicos

Captulo 4 Replicacin

Captulo 5 Transcripcin

Captulo 6 Traduccin

Captulo 7 Regulacin de la expresin gnica

Captulo 8 Mutaciones

Captulo 9 Mecanismos de reparacin del ADN

Captulo 1

IntroduccinLa historia de la biologa molecular implica muchas historias y todas ellas se encuentran entrelazadas. Sera muy compli-cado tratar de describirlas de manera individual y ms si se presta atencin a todos los acontecimientos que han tenido impacto en esta ciencia. Por ello, en este captulo slo se van a considerar algunos de los sucesos que han dejado huella de manera signi cativa en el desarrollo del rea de la biologa que hoy se conoce como biologa molecular.

Charles DarwinEsta historia comienza a principios del siglo xix, cuando Charles Darwin ( gura 1-1) propuso la teora del origen de las especies, en la que se plantea la preservacin de las caractersticas ms favorables de un organismo como con-secuencia de un cambio en la secuencia del ADN, lo que en la actualidad se conoce como mutacin.

Gregor MendelPosteriormente, en 1865, Johann Gregor Mendel, un monje agustino ( gura 1-2), publica sus experimentos con plantas hbridas, y llama a los resultados de su investigacin Leyes de la herencia, por lo que se le considera el padre de la gentica.

Estos experimentos causaron un gran impacto en la comunidad cient ca, y le permitieron deducir que las caractersticas del organismo estn determinadas por un par de factores, aportados por cada progenitor. Estas uni-dades hereditarias (genes) no se mezclan sino que se transmiten con toda la informacin, y uno de los factores resulta dominante sobre el otro (recesivo), lo que da origen a la formulacin de las leyes fundamentales de la herencia. Sin embargo, nunca se pregunt por la naturaleza qumica de los genes ni por su localizacin dentro de las clulas.

Friedrich MiescherEntre 1868 y 1869, el qumico suizo Friedrich Miescher ( gura 1-3), siendo posdoctorado en el laboratorio de Hoppe-Seyler (el acuador del trmino biochimie), aisl los ncleos a partir de clulas presentes en pus de vendajes quirrgicos, y comprob que los ncleos contenan una sustancia qumica homognea y no proteica a la que deno-min nuclena (el trmino cido nucleico fue acuado posteriormente, en 1889, por Richard Altman). Segn sus palabras, la nuclena es una sustancia rica en fsforo loca-lizada exclusivamente en el ncleo celular; as, prepar el camino para la identi cacin de la molcula portadora de la informacin hereditaria, el ADN. Ese hecho excepcional hizo que Hoppe-Seyler decidiera demorar hasta 1871 la publicacin de estos resultados, a la espera de la con rma-cin de nitiva. Al principio esta investigacin no pareci relevante, hasta que Albrecht Kossel llev a cabo sus pri-meras investigaciones sobre la estructura qumica de la nuclena. En 1888, Kossel demostr que la nuclena de Mies-cher contena protenas y molculas bsicas ricas en nitrge-no, lo que llev a la identi cacin de lo que hoy se conoce como bases nitrogenadas. Tambin demostr la presencia de un glcido de cinco tomos de carbono. Por este trabajo se le otorg el Premio Nobel de Fisiologa en 1910. Su voca-cin investigadora le introdujo en el rea de la siologa celular, donde destac la importancia de las enzimas e intu-y el papel de los cidos nucleicos en la herencia.

Thomas Hunt MorganEn 1909, Th omas Hunt Morgan ( gura 1-4), en la Universi-dad de Columbia, realiz unos experimentos hoy conside-rados clsicos sobre los rasgos genticos ligados al sexo, lo que le hizo acreedor del Premio Nobel en 1933. Sus contri-buciones cient cas ms importantes se centraron en el campo de la gentica, y demostr que los cromosomas son

Historia de la biologa molecular

Jos Mara Vera Cruz / Adriana Mara Salazar MontesCsar Guardado Mora / Juan Armendriz Borunda

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4 PARTE I Conceptos bsicos de biologa molecular

portadores de los genes, lo que dio lugar a lo que se conoce como la teora cromosmica de Sutton y Boveri. Gracias a su trabajo, la Drosophila melanogaster se convirti en uno de los principales modelos en gentica.

En 1910 descubri una mosca mutante de ojos blancos entre individuos de estirpe silvestre de ojos rojos. La proge-nie del cruzamiento de un macho de ojos blancos con una hembra de ojos rojos present ojos rojos, lo que indicaba que el caracter ojos blancos era recesivo. Morgan denomi-n white al gen correspondiente, e inici as la tradicin de nombrar a los genes segn el fenotipo causado por sus ale-los. Al cruzar estas moscas entre s, se percat de que slo los machos mostraban el caracter ojos blancos. De sus expe-rimentos, concluy que: 1. Algunos caracteres se heredan ligados al sexo.2. El gen responsable del caracter ojos blancos est en el

cromosoma X.3. Existe la posibilidad de que otros genes tambin residan

en cromosomas espec cos.

Hunt y sus estudiantes analizaron las caractersticas de miles de moscas y estudiaron su herencia. Empleando la recombinacin de los cromosomas, Morgan y Alfred Stur-tevant prepararon un mapa con la localizacin de los genes en el cromosoma. Los resultados de sus investigaciones les permitieron escribir el libro El mecanismo de la herencia mendeliana.

Morgan tambin descubri que algunas enfermedades, como la alcaptonuria, tienen su origen en una enzima defectuosa, fenmeno descrito por el f sico ingls Archi-bald Garrod, que observ que las personas con ciertas anormalidades genticas (errores innatos del metabolismo) carecan de ciertas enzimas. Con esta observacin se rela-cion a las protenas (enzimas) con los cambios genticos. En 1913, Calvin Bridges demostr que los genes estn en los cromosomas; asimismo, Alfred Henry Sturtevant (como

Figura 1-1. Charles Darwin.

Figura 1-3. Friedrich Miescher.

Figura 1-4. Thomas Hunt Morgan. Figura 1-2. Gregor Mendel.

CAPTULO 1 Historia de la biologa molecular 5

Bridges, alumno de Morgan), demostr que algunos genes tienden a heredarse juntos y dedujo que se localizan en el mismo cromosoma.

En 1915 quedaron de nitivamente establecidas las bases fundamentales de la herencia fenotpica y se public el libro El mecanismo de la herencia mendeliana, escrito por Th omas H. Morgan, Alfred Sturtevant, Hermann Muller y Calvin Bridges, en el que se establecan de forma de nitiva las bases fundamentales de la herencia genotpi-ca, se iniciaba la teora cromosmica de la herencia y se consolidaba la edad de oro de la gentica clsica.

ADN como material gentico

Frederick Grif thO cial mdico y genetista britnico. En 1928 realiz lo que se conoce como experimento de Gri th, en el que descubri el principio transformante, que hoy se conoce como ADN.

El experimento de Gri th ( gura 1-6) tuvo lugar mien-tras investigaba una vacuna para prevenir la neumona durante la pandemia de gripe que se produjo tras la Primera Guerra Mundial. Para ello us dos cepas de la bacteria Streptococcus pneumoniae: la cepa S (virulenta), que conte-na una cpsula de polisacridos, y la R (no virulenta), que careca de ella. Cuando se inyectaba a ratones la cepa S cau-saba neumona y muerte en un da o dos, ya que la cpsula permita a la bacteria resistir los ataques del sistema inmu-ne del hospedero. Cuando se inyectaba la cepa R no causaba neumona. Si la cepa S se calentaba para matarla y se inyec-taba en ratones perda su virulencia y los ratones no desa-rrollaban neumona. Sin embargo, si se inyectaban bacterias muertas de la cepa S mezcladas con bacterias vivas de la cepa R (S/R), los ratones infectados moran.

Al aislar la bacteria en la sangre de estos ratones se des-cubri que la cepa R, anteriormente avirulenta, presentaba cpsula y se transformaba en S. As, Gri th hipotetiz que exista un principio transformante presente en las bacterias muertas de la cepa S que haca que las bacterias de la cepa R se transformaran en bacterias de tipo S.

William Thomas AstburyEn 1938, sir William Th omas Astbury ( gura 1-7) y Floren-ce Bell, de la Universidad de Leeds, en Inglaterra, al realizar

Figura 1-5. Frederick Grif th.

Figura 1-6. Experimento del principio transformante.

Bacteriasvirulentas (S)encapsuladas

1 2

Bacteriasavirulentas (R) no

encapsuladas

S1 S1 R S/R S


estudios de difraccin por rayos X, propusieron que el ADN era una bra compuesta de bases nitrogenadas apiladas a 0.33 nm unas de otras, perpendiculares al eje de la molcu-la. Astbury sigui trabajando en el estudio de la estructura de protenas brosas, como las queratinas, en lana. Su per-severancia y dedicacin lograron que en 1945 consiguiera la primera ctedra de Estructura Biomolecular. Adems, fue el primer cient co en autodenominarse bilogo molecular, aprovechando que en 1938, Warren Weaver haba acuado el trmino biologa molecular. El nombramiento de Astbury marc el nacimiento de la biologa molecular como un rea de conocimiento independiente.

George Wells Beadle y Edward Lawrie TatumEn 1941, George Wells Beadle y Edward Lawrie Tatum ( gura 1-8), en la Universidad de Stanford, California, encontraron slidas evidencias de una correlacin entre los genes y las enzimas en el hongo Neurospora crassa, median-te el estudio de rutas metablicas implicadas en la sntesis de los aminocidos. Sus experimentos consistan en expo-ner a Neurospora crassa a rayos X que causaban mutaciones que originaban cambios en las enzimas implicadas en rutas metablicas. Sus resultados, publicados en 1941, proponan un vnculo directo entre los genes y las enzimas, conocido como la hiptesis Un gen, una enzima. Posteriormente, en 1943, el mdico italiano Salvador E. Luria, conocido por el medio de cultivo para E. coli LB (Luria broth), y Max Del-brck demostraron que las mutaciones en E. coli ocurran de forma espontnea, sin necesidad de exposicin a agentes mutagnicos, y que stas se transmitan siguiendo las leyes de la herencia. Estos autores postularon que las mutaciones son las causantes de la resistencia de las bacterias a frma-cos. A Luria, Delbrck y Alfred Day Hershey se les otorg el

Premio Nobel de Fisiologa en 1963 por sus descubrimien-tos acerca del mecanismo de replicacin de los virus y su estructura gentica.

Oswald Theodore Avery, Colin MacLeod y Maclyn McCartyEn 1944, Avery, MacLeod y McCarty ( gura 1-9) demostra-ron que las cepas inocuas de neumococo estudiadas por Gri th se transformaban en patgenas al adquirir la mo-lcula de ADN y no protenas, como se crey en un principio, y demostraron as que el principio transformante era ADN. MacLeod, empleando re nadas tcnicas desarrolladas por l mismo, aisl el principio transformante de muestras de neu-mococos biolgicamente activo. Este compuesto se trat con proteasas (enzimas que degradan protenas), lipasas (enzimas que degradan lpidos) y glucosidasas (enzimas que degradan carbohidratos), con la nalidad de conocer su naturaleza qumica. El tratamiento con estas enzimas no logr inactivar su accin. El anlisis permiti suponer que el factor transformante podra estar compuesto por cidos nucleicos, ya que su peso molecular era alto y se precipitaba en presencia de alcohol. El tratamiento con ribonucleasa (enzima que degrada el ARN), tampoco produca su inacti-vacin. Slo cuando el principio se trataba con desoxirribo-

Figura 1-7. William Thomas Astbury.

Figura 1-8. George Wells Beadle y Edward Lawrie Tatum.

Figura 1-9. Oswald Theodore Avery, Colin MacLeod y Maclyn McCarty.


nucleasa (enzima que degrada el ADN) se perda su accin. De esta manera se demostr que la naturaleza qumica del principio transformante era ADN y era el causante de pro-ducir los cambios permanentes heredables.

Erwin ChargaffEn 1950, Erwin Charga ( gura 1-10) descubre las leyes que rigen la complementariedad de bases de los cidos nucleicos. Mediante cromatograf a en papel, Charga demostr que el ADN aislado de diferentes organismos contiene la misma proporcin de Adeninas y de Timinas, as como de citosinas y de guaninas. Asimismo, demostr que el porcentaje de bases purinas era igual al de bases piri-midinas (vase el captulo 3). Con estos descubrimientos se fundament el principio de complementariedad de las bases de los cidos nucleicos ( gura 1-11).

Esta regla tuvo sentido slo hasta que James Dewey Watson y Francis Harry Compton Crick propusieron su modelo de la estructura del ADN. En ese mismo ao, lord Alexander Robertus demostr que los nucletidos se unan al ADN a travs de enlaces fosfodister, por lo que propuso una estructura lineal para la cadena de ADN.

Alfred Hershey y Martha ChaseEn 1952, Alfred Hershey y Martha Chase (tambin conoci-da como Martha C. Epstein; gura 1-12), utilizando bacte-rifagos (virus que infectan bacterias) marcados con istopos radiactivos 35S o 32P (el azufre como elemento qu-mico propio de las protenas y el fsforo del ADN), demos-traron que cuando un virus infecta a una bacteria solamente penetra el ADN viral. La cpside viral no se introduce a la bacteria y, por lo tanto, no participa en la formacin de nuevas partculas virales, y concluyeron que el ADN, y no las protenas, contiene la informacin genti-ca para la sntesis de nuevos viriones.

Rosalind FranklinEntre 1950 y 1953, la mayor parte de la comunidad cient -ca comenzaba a admitir que el material gentico es el ADN. La quimicof sica Rosalind Elsie Franklin, mediante estudios de difraccin de rayos X, descubri que el ADN presentaba los grupos fosfato hacia el exterior y poda hallarse de dos formas helicoidales distintas: las que hoy conocemos como ADN-A y ADN-B (vase el captulo 3).

Figura 1-10. Erwin Chargaff. Figura 1-12. Martha Chase y Alfred Hershey.

Figura 1-11. Reglas de Chargaff.

Citosina

CH2

CH2

CH2

CH2

CH2

CH2

CH3

HC

HC

NH

NH

NH

NH

NH

NH

N

NH HO

CH CH

CHN

CH

CH

CHCH

CHCO

NN

H

H

NH

NH

NH

NH

H

C

O

O

H

Guanina

TiminaAdenina

A

B


James Dewey Watson y Francis Harry Compton CrickEn 1953, el bioqumico estadounidense Watson y el biof si-co ingls Crick ( gura 1-14) elaboraron el famoso modelo de la doble hlice de ADN, que explicaba de manera clara que el ADN poda duplicarse y transmitirse de una clula a otra. Su maqueta representaba al ADN formado por dos cadenas antiparalelas: una que corre en direccin 5-3, y la otra que lo hace en la direccin opuesta 3-5 (vase el cap-tulo 3). Estas cadenas tienen una estructura de -hlice y se hallan unidas por dos y tres puentes de hidrgeno entre las bases A-T y G-C, respectivamente. En cambio, hacia la par-te externa de la cadena se localizan las desoxirribosas, uni-das por enlaces fosfodister, formando una especie de barandal o pasamanos de una escalera que deja expuestos a los grupos fosfato ( gura 1-15).

Era moderna de la biologa molecularEl hallazgo de la estructura del ADN es uno de los descubri-mientos esenciales en las ciencias de la vida y marc el inicio de la biologa molecular moderna. En 1955, Crick, siguien-do el modelo de la doble hlice, propuso la existencia de la tautomera y la replicacin semiconservadora del ADN, y propuso que para la sntesis de protenas debe existir una molcula mediadora entre las protenas y el ADN, funcin que hoy se sabe realiza el ARN. En ese mismo ao, propuso el dogma central de la biologa molecular: El ADN dirige su propia replicacin y su trascripcin para formar ARN complementario a su secuencia; el ARN es traducido en aminocidos para formar una protena ( gura 1-16). En 1957 propuso que el cdigo gentico debe leerse en triple-tes.

Mathew Stanley Meselson y Franklin StahlEn 1958, Mathew Stanley Meselson y Franklin Stahl ( gura 1-17) con rmaron la replicacin semiconservadora pro-puesta por Crick. En su experimento utilizaron centrifuga-cin con gradientes de soluciones de cloruro de cesio (CsCl). Cultivaron bacterias en un medio que contena el istopo 15N (pesado) para marcar las cadenas de ADN pro-genitoras. Despus cambiaron el medio por uno que conte-na 14N (ligero) y se permiti que las clulas se replicaran

Figura 1-13. Rosalind Franklin.

Figura 1-15. Modelo de la doble hlice del ADN.

Figura 1-14. James Dewey Watson y Francis Harry Compton Crick.

Pares de bases

Adenina

Guanina

Esqueleto deazcar-fosfatos

Citosina

Timina


una sola vez con la nalidad de que el ADN recin replicado incorporara este nitrgeno. Si la replicacin del ADN con-templaba la separacin de las dos cadenas, era posible pre-decir la densidad de las molculas de ADN despus de una replicacin. Si la replicacin fuera semiconservadora, des-pus de una replicacin, todas las molculas de ADN resul-tantes tendran que contener una cadena pesada y una ligera, y en consecuencia su densidad sera intermedia. Este resultado fue observado por Meselson y Stahl. Despus de dos replicaciones en 14N la mitad de las molculas de ADN eran ligeras y la otra mitad, hbridas, es decir, con densidad intermedia, justo como lo predice la replicacin semicon-servadora. De esta manera se demostr que la replicacin del ADN es semiconservadora y el nuevo ADN preserva una de las cadenas originales y se sintetiza una de novo ( gura 1-18).

Hamilton Smith, Daniel Nathans, Werner ArberEn 1968, Steward Lynn y Werner Arber ( gura 1-19) descu-brieron los sistemas de restriccin de las bacterias.

Hamilton Smith, a principios de la dcada de 1960, en la Universidad de Ginebra, Suiza, descubri que las bacterias infectadas por virus liberaban unas enzimas (enzimas de restriccin), que los inactivan al cortar sus secuenciasde ADN. Simultneamente a este ataque molecular, la bac-teria libera otra enzima que modi ca qumicamente las bases de su propio ADN evitando que la enzima de restric-cin lo corte, produciendo su autodestruccin. Este proceso en dos pasos se denomina sistema controlado de restric-cin-modi cacin del hospedero. En 1970, se asla la pri-mera enzima de restriccin Hind II, a partir de Haemophilus in uenzae (vase el captulo 13).

El enorme potencial del empleo de las enzimas de res-triccin qued demostrado por un colega de Smith, Daniel Nathans, de la Universidad Johns-Hopkins, que logr cor-tar el ADN del virus SV40 (que induce la formacin de tumores cancerosos en los simios) a 11 fragmentos. Nathans

describi sus genes espec cos y, lo que es ms importante, las funciones que desempean. En 1971, Nathans elabor el primer mapa de restriccin del ADN que detallaba los genes de una molcula de ADN. Un ao ms tarde, en 1972, Janet Mertz y Ron Davis demostraron que un fragmento de res-triccin poda insertarse y ligarse a otro ADN cortado por la misma enzima.

Por las excepcionales contribuciones al nacimiento de las tcnicas de la ingeniera gentica, Arber, Smith y Nathans recibieron el Premio Nobel de Fisiologa y Medici-na en 1978.

Howard Martin Temin y David BaltimoreEn 1970, Howard Martin Temin, de la Universidad de Wis-consin-Madison, y David Baltimore, del Instituto de Tecno-loga de Massachusetts (MIT), de manera independiente descubrieron una nueva enzima denominada transcriptasa inversa o retrotranscriptasa, con funcin de ADN polime-rasa dependiente de ARN. Temin y Baltimore ( gura 1-20) demostraron que el genoma de ARN de los retrovirus era copiado a una molcula de ADN de doble cadena por la accin de la transcriptasa inversa, durante la infeccin de

Figura 1-17. Mathew Stanley Meselson y Franklin Stahl.

Figura 1-16. Flujo de la informacin gentica.

REPLICACINADN polimerasa

TRADUCCINARNm, ARNt y ARNm

TRANSCRIPCINARN polimerasa

RETROTRANSCRIPCINRetrotranscriptasa

ADN

ADNARN

cADN

PROTENA


estos virus. Temin y Baltimore, junto con Dulbecco, fueron galardonados con el Premio Nobel de Fisiologa en 1975.

El principal cuestionamiento acerca de los virus de ARN era si el genoma de estos virus pasaba de padres a hijos como ARN o se integraba al ADN de la clula husped en alguna etapa de su ciclo viral. Las pruebas de infeccin y de transformacin indicaban que estos virus requeran de la sntesis de ADN. Temin sugiri que la replicacin de los virus de ARN ocurra mediante una molcula intermediaria de ADN (un provirus) que serva como molde para la snte-sis de ARN viral. Sin embargo, este molde necesita de una ADN polimerasa dependiente de ARN que nunca se haba encontrado en ningn tipo de clulas. Por su parte, Balti-more examin los viriones (partculas virales maduras) de virus de ARN. Incub el virus en condiciones en que se indujera la actividad del ADN polimerasa y los cuatro

dNTP (ATP, CTP, GTP, TTP), uno de los cuales (TTP) era radiactivo. El producto resultante fue una molcula insolu-ble en cido, que mostraba las propiedades del ADN. Este producto era degradado por una DNasa pero no se afect por la RNasa ni por hidrlisis alcalina (a la cual es sensible el ARN). Sin embargo, si los viriones se trataban con RNasa antes de la reaccin, la molcula molde se degradaba. Se observ, tambin, que la enzima que sintetizaba el ADN se sedimentaba junto con las partculas virales maduras, lo que sugiere que era parte del virus y no de la clula husped. Estos resultados reforzaron la idea de que el ARN viral se copiaba a una molcula de ADN de doble cadena, que a su vez serva como molde para la sntesis del ARN viral nece-sario para la infeccin y la transformacin. Estos experi-mentos no slo sugirieron que la transformacin celular por los virus de ARN ocurra a travs de un intermediario

Figura 1-18. Replicacin semiconservadora del ADN.

Figura 1-19. Hamilton Smith, Daniel Nathans, Werner Arber. Figura 1-20. Howard Martin Temin y David Baltimore.


de ADN sino que tambin contradijeron el antiguo concep-to del dogma de la biologa molecular propuesto por Fran-cis Crick, que postulaba que la informacin de una clula ua del ADN al ARN y a la protena.

Kary MullisKary Banks Mullis ( gura 1-21) desarroll una tcnica inno-vadora que revolucion la investigacin en biologa molecu-lar: la reaccin en cadena de la polimerasa (polymerase chain reaction, PCR). En 1985, mientras trabajaba en la compaa Cetus, desarroll la PCR, que permite la ampli cacin de

una secuencia espec ca de ADN mediante nucletidos tri-fosfatados y un ADN polimerasa. La idea de multiplicar una hebra de ADN millones de veces le surgi en 1983 pero no convenci a sus colegas de la compaa, por lo que tuvo que desarrollarla solo. La versin de la tcnica propuesta inicial-mente por Mullis, aunque efectiva, era poco e ciente, hasta que se le ocurri emplear ADN polimerasas termoestables, extradas de microorganismos termof licos, como la Taq polimerasa procedente de Th ermus aquaticus (vase el cap-tulo 16, sobre PCR) ( gura 1-22).

Por esta invencin, de gran valor en biotecnologa y como herramienta de investigacin cient ca y forense, en 1993 recibi el Premio Japn y el Premio Nobel de Qumi-ca, compartido con el canadiense Michael Smith. Cetus, la compaa en que trabajaba Mullis, le dio una recompensa de 10 000 dlares por la invencin de la PCR y luego vendi la patente por 300 millones de dlares a Roche Molecular Systems. La PCR tiene mltiples aplicaciones, como la identi cacin de individuos a partir de muestras de sangre o saliva (utilizada en ciencia forense) y la secuenciacin de genes de todo tipo de organismos. La secuenciacin genti-ca era, hasta entonces, un proceso muy complicado, aplica-ble slo cuando se podan obtener de manera natural muchas copias del mismo ADN. La PCR convirti en una rutina la secuenciacin gnica y permiti la lectura comple-ta del genoma humano, as como de muchos organismos que se toman como modelos de problemas biolgicos en la investigacin. La tcnica ha permitido tambin investigarla logenia (historia evolutiva), mediante la comparacin de las secuencias genticas de distintas especies.

Figura 1-21. Kary Mullis.

Figura 1-22. Reaccin en cadena de la polimerasa (PCR).

PRIMER CICLO

94C

CICLO 35 = 235 MOLCULAS

SEGUNDO CICLO

60C 72C

94C 60C 72C


Primer tratamiento de terapia gnica con xito en nios (1989)En la dcada de 1980 se propici el advenimiento de la tera-pia gnica, el uso de genes para el tratamiento de enferme-dades. Esta estrategia teraputica se consolid en 1989, cuando se llev a cabo el primer protocolo clnico.

El sndrome de inmunode ciencia combinada grave por d cit de la enzima adenosn deaminasa (ADA) fue la pri-mera enfermedad tratada con terapia gnica. Las razones de su eleccin para este tratamiento son las siguientes:1. La de ciencia de ADA es la enfermedad congnita de

inmunode ciencia ms estudiada, ya que la secuencia del ARNm y del gen que codi ca para ADA se identi -caron tempranamente (1983).

2. La funcin de la enzima est perfectamente dilucidada.3. La produccin de tan slo el 10% de los niveles normales

de la enzima ADA es su ciente para establecer una fun-cin inmune en el paciente. Por el otro lado, la sobrepro-duccin de ADA superior a 50 veces los valores normales slo ocasiona una ligera anemia hemoltica.

4. Se ha demostrado que las clulas genticamente corre-gidas tienen una ventaja selectiva en cuanto al creci-miento frente a las clulas no modi cadas.En este estudio se incluy a dos pacientes, uno de cuatro

aos y otro de nueve. Antes de incluirse en el ensayo se haba demostrado que estos nios tenan una respuesta incompleta al tratamiento con reemplazamiento enzimti-co y no haba ningn donante de mdula sea compatible.

Se les realiz una extraccin de sangre y se aislaron por afresis los linfocitos T perifricos, que se estimularon con interleucina-2 (IL-2) y anticuerpos anti-CD3 durante 72 h y se transdujeron con un vector retroviral que contena el gen ADA. Se cultivaron durante 9 a 12 das y posteriormente se reincorporaron al paciente (vase captulo de terapia gnica). Los pacientes recibieron 10 a 12 infusiones durante dos aos. Como resultado, la funcin inmunolgica de ambos lleg a niveles mucho ms altos que durante el periodo de trata-miento con sustitucin enzimtica, y se mantuvieron estables dos aos despus del ltimo tratamiento. Ambos pacientes tuvieron una respuesta variable a los antgenos, mantuvieron un crecimiento normal de linfocitos T y tuvieron el mismo tipo de infecciones que los dems nios de su edad. Los efec-tos adversos asociados a esta terapia fueron mnimos.

Proyecto del Genoma Humano (1990)El Proyecto del Genoma Humano (PGH) fue un proyecto internacional de investigacin cient ca con el objetivo fun-damental de determinar la secuencia de pares de bases que componen el ADN e identi car los aproximadamente 30 000 genes del genoma humano, desde un punto de vista f sico y funcional. El debate pblico que suscit la idea capt la aten-cin de los responsables polticos de muchos pases, no slo porque el PGH supona un gran reto tcnico-cient co, sino

tambin por las tecnologas de vanguardia que podan surgir, as como porque el conocimiento obtenido podra asegurar la superioridad tecnolgica y comercial del pas que lo desa-rrollara. Se nombr responsable del proyecto a James D. Watson (uno de los dos investigadores que propusieron el modelo de la doble hlice del ADN en 1953). En 1990 se inau-gur de nitivamente el PGH y se calcularon 15 aos de tra-bajo. En una primera etapa, la elaboracin de mapas genticos exigi el desarrollo de nuevas tcnicas de secuenciacin para poder abordar todo el genoma. Para su desarrollo se destin un presupuesto de 3000 millones de dlares y se calcul que iba a terminar en 2005.

En 2001 se elabor y public el primer borrador del geno-ma. En abril de 2003 se public la secuencia completa del genoma humano, dos aos antes de lo previsto. Las conclusio-nes obtenidas al nalizar este proyecto fueron las siguientes: El genoma humano est constituido por 3000 millones

de pares de bases. Existen 25000 genes codi cantes. La homologa en la secuencia de ADN entre individuos

es del 99.99%. La especie ms cercana logenticamente al ser huma-

no es el chimpanc, con 99.9% de homologa en su secuencia de ADN.

Clonacin del primer mamfero (1997)La oveja Dolly, que vivi del 5 de junio de 1996 al 2 de enero de 2003, fue el primer mamfero clonado a partir de una clu-la adulta. Sus creadores fueron Ian Wilmut y Keith Campbell, cient cos del Instituto Roslin de Edimburgo (Escocia). Dolly fue una oveja resultado de una transferencia nuclear desde una clula donante diferenciada (de glndula mamaria) a un vulo no fecundado y anucleado. Cinco meses despus naca Dolly, la nica cra resultante de 277 fusiones de vulos anu-cleados con ncleos de clulas mamarias.

Dolly vivi siempre en el Instituto Roslin, donde fue estudiada conforme envejeca. Demostr ser frtil y tuvo cras en tres ocasiones. A los cinco aos de edad, Dolly desarroll enfermedades crnico-degenerativas propias de individuos seniles, como artritis ( gura 1-23).

A pesar de que la expectativa de vida de la raza Finn Dorset, a la que perteneca Dolly, es de 11 a 12 aos, tuvo que ser sacri cada debido a una enfermedad progresiva pul-monar a los ocho aos de edad. La necropsia demostr que tena cncer de pulmn, causado por un retrovirus. Los tc-nicos de Roslin no han podido certi car si hubo conexin entre su muerte prematura y el hecho de ser un clon, pues otras ovejas del mismo rebao sufrieron la misma enferme-dad y murieron a causa de ella. Sin embargo, algunos autores han especulado que haba un factor agravante en la muerte de Dolly: al nacer tena una edad gentica de seis aos, la misma edad de la oveja de la cual fue clonada. Esta asevera-cin se sustenta en el hallazgo de que los telmeros de su ADN eran cortos, caracterstica presente en clulas viejas.


Figura 1-23. Clonacin de la oveja Dolly.

1. Complete la informacin que corresponde en los recuadros vacos.

Nombre Aporte (experimento) Caractersticas Ao

Gregor Mendel Leyes fundamentales de la herencia. 1865

Temin y Baltimore Se demuestra cmo los virus con ARN como genoma sintetizan ADN y se replican.

Principio transformante. Explica cmo una cepa avirulenta puede transformar-se en una virulenta.

Erwin Chargaff 1950

Watson y Crick Elaboran el modelo de la doble hlice de ADN.

Desarrolla la tcnica de la reaccin en cadena de la polimerasa (PCR).

Permite la ampli cacin de una secuencia espec ca de ADN mediante nucletidos trifosfatados y un ADN polimerasa termoestable.

Con el uso de 14N y 15N comprueban que el ADN se replica de manera semiconservadora.

1958

Ejercicios de integracin

Implantacin enmadre sustituta ovejaScottish (cara negra)

Embrin concaracteres de laoveja donante

Remocin delncleo delovocito

Ovocito (n) deotra clula

adulta

Dolly con fenotipode la oveja

de donde se obtuvola clula mamaria

Oveja donante del vuloScottish (cara negra)

Oveja donante del tejidomamario Finn Dorset

Ncleodonante (2n)

Fusinmediada por

shock elctrico

Formacin delembrin


2. De acuerdo con los experimentos del principio transformante de Grif th, complete la informacin que corresponde en los recuadros vacos.

Cepa Experimento Resultado

Cepa S El ratn muere.

Inyectada al ratn. El ratn vive.

Cepa S Tratada con calor e inyectada al ratn.

Cepa S Tratada con calor, incubada con cepa R e inyectada al ratn.

Grif th F. Th e signi cance of pneumococcal types. J Hyg, 1928;27:113-159.

Karp G. Biologa celular y molecular, conceptos y experimentos, 4 ed. Mxico, DF: McGraw-Hill, 2006.

Luque J., Herrez A. Texto ilustrado de Biologa Molecular e Ingenie-ra Gentica, 1 ed. Madrid: Elsevier, 2001.

Meselson M, Stahl F.W. Th e replication of DNA in Escherichia coli. Proc Natl Acad Sci, 1958;44:671-682.

Mullis K.B. Reaccin en cadena de la polimerasa. Investigacin y Ciencia. 1990;165:30-37.

Venter J.C., Adams M.D., Myer E.W,. et al. Th e sequence of the human genome. Science, 2001;291:1304-1351.

Watson J.D. Biologa Molecular del gen, 5 ed. Madrid: Mdica Pana-mericana, 2006:7-46.

Watson J.D, Crick F.H.C. A structure for deoxyribose nucleics acids. Nature, 1953;171:737-738.

Bibliografa

Captulo 2

IntroduccinEn 1858, Rudolf Virchow estableci lo que puede conside-rarse el segundo principio de la teora celular: Toda clula procede de otra clula preexistente por divisin de sta (omnis cellula e cellula). Por esto, se considera que la clula es la unidad de origen de todos los seres vivos.

Para que esta accin pueda llevarse a cabo es necesario que la clula pase por un proceso denominado divisin celular. En los organismos unicelulares, como las bacterias y las levaduras, cada divisin celular produce un organismo nuevo completo, mientras que para dar origen a un organis-mo pluricelular como el ser humano, a partir de un cigoto (originado por la unin de dos gametos sexuales), se necesi-tar una gran cantidad de divisiones celulares. Sin embargo, stas no se detienen una vez que el organismo est comple-to, sino que continan durante toda la vida del individuo y son necesarias para reponer las clulas muertas o senescen-tes, as como en situaciones de traumatismo o lesin.

El ciclo celularEl ciclo celular representa el mecanismo fundamental sub-yacente a la reproduccin de todos los seres vivos, y se divi-de en etapas, a travs de las cuales la clula pasa de una divisin celular a la siguiente. Estos acontecimientos se rea-lizan mediante una secuencia ordenada de procesos en los que la clula duplica su contenido y luego se divide en dos.

El ciclo celular se divide en dos fases principales: la fase M, o fase mittica, y la interfase, o periodo preparatorio. La fase M, a su vez, se subdivide en mitosis, en la cual los cromosomas duplicados se dividen en dos ncleos, y cito-cinesis, donde toda la clula se divide en dos clulas hijas. Por otra parte, la interfase se subdivide en: fase G1, fase S y fase G2. Durante la interfase vara el grado de condensa-cin del material gentico as como el contenido de ADN,

sin modi carse el nmero de cromosomas, mientras que la fase M suele durar aproximadamente 1 h en las clulas de mamferos ( gura 2-1). La interfase puede tener una dura-cin de das, semanas o incluso ms tiempo, segn el linaje celular y las condiciones ambientales o siolgicas impe-rantes ( gura 2-2).

De acuerdo con su potencial proliferativo, las clulas pueden categorizarse en:

Clulas lbiles, que en condiciones normales tienen una alta actividad mittica. Se encuentran en tejidos que se renuevan constantemente (por ejemplo, el revestimiento epitelial de las cavidades y la super cie corporal, los precur-sores hematopoyticos en la mdula sea y las espermato-gonias, que dan origen a los espermatozoides).

Clulas estables, que en condiciones normales no se dividen, pero cuya divisin puede inducirse mediante el estmulo apropiado. Estas clulas renuevan de manera lenta los tejidos menos expuestos, pero pueden aumentar la velo-cidad de renovacin en caso de prdida tisular, como suce-de con el hgado, los tbulos renales proximales y las clulas endoteliales de vasos sanguneos.

Clulas permanentes, que carecen de la capacidad de divisin. Son clulas totalmente diferenciadas, muy espe-cializadas, incapaces de entrar nuevamente al ciclo celular; un ejemplo representativo son los eritrocitos, que se origi-nan de su precursor y pasan por un proceso de maduracin en el cual pierden su ncleo y con ello su capacidad de divi-sin.

Una visin global del ciclo celular permite observar cmo la clula transcurre de manera ordenada y sin discon-tinuidad por dos grandes etapas bien diferenciadas: la fase M (mitosis en clulas somticas y meiosis en clulas germi-nales) y la interfase (comn en ambas).

Durante esta etapa, la clula se prepara para la siguiente divisin y duplica su material gentico, es decir el ADN, y todo su contenido (protenas, ARN, organelos, membra-

Ciclo celular

Blanca Estela Alcntar Daz / Luis Daniel Hernndez OrtegaAdriana Mara Salazar Montes

15


nas), de manera que duplica su tamao antes de dividirse en dos clulas hijas.

La mayor parte de la vida celular, ya sea en la interfase o en quiescencia (reposo), la molcula de ADN no est pre-sente en la forma extendida de doble hlice ni tampoco en la forma compacta de cromosomas, sino en un estado par-cialmente condensado conocido como cromatina.

El ciclo celular transcurre entre dos divisiones celulares sucesivas; se divide en cuatro fases, con una duracin des-igual, que se exponen a continuacin.

Fase de descompactacin (G1)Tras la mitosis, la clula entra en la fase G1 (G, de gap, intervalo), durante la cual se dedica a sus actividades especializadas. La principal diferencia entre las clulas de divisin rpida y las de divisin lenta es la duracin de la fase G1, que proporciona tiempo adicional de crecimiento.

De las tres etapas de la interfase, la G1 es la ms variable. Con notables excepciones, las clulas que han detenido su divisin de manera transitoria o permanente, en el cuerpo o en el medio de cultivo, se encuentran en una etapa previa al inicio de la sntesis de ADN.

Durante la fase G1, las clulas mantienen un nmero constante de cromosomas diploides (2n) y su contenido en el ADN no est duplicado, por lo que se a rma que equiva-le a 2c (dos copias). La cromatina se descondensa de forma gradual hasta adoptar una conformacin totalmente exten-

dida (correspondiente a la doble hlice), necesaria para la separacin de las dos hebras en la siguiente fase. En este periodo la clula determina si las condiciones ambientales e internas son adecuadas para la divisin celular.

Interfase

G1: la clulacrece y realizasus actividadesespecializadas.

Fase

M

Citocine

sis

Telofa

se

Anafa

se

Metaf

ase

Prom

etaf

ase

Prof

ase

G2: la clulacrece y condensagradualmente su

cromatina.

S: replicacin delADN y duplicacinde cromosomas.

1 hora

Figura 2-1. Fases del ciclo celular. El ciclo celular se divide en dos fases: interfase y M. La fase M, a su vez, incluye mitosis y cariocinesis, mientras que la interfase incluye las fases G1, S y G2; la fase M tiene una duracin aproximada de una hora en las clulas de mamferos, mientras que la interfase puede tener una duracin de das, semanas o incluso ms tiempo.

Figura 2-2. Duracin del ciclo celular. El ciclo celular tiene diferente duracin. En la gura puede observarse la duracin del ciclo celular en diferentes estirpes celulares; en hepatoci-tos la duracin es de aproximadamente un ao, aunque con un estmulo (prdida o dao tisular) el tiempo se acorta. Las clulas embrionarias tienen etapas G1 y G2 muy cortas, por lo que se dice que pasan de S a M, y viceversa, sin pasar por G1 y G2, lo que acelera la velocidad de divisin.

Hepatocito1 ao

Epitelio del pncreas50 das

Espermatogonias25 das

Epitelio intestinalDe 2 a 5 das

Clulas embrionarias60 minutos

CAPTULO 2 Ciclo celular 17

En el caso de que las condiciones sean favorables, la clula atraviesa el punto de inicio (start) que compromete de forma irreversible el comienzo del ciclo celular. Si las condiciones ambientales vuelven a ser favorables, la clula puede repetir el ciclo varias veces ms.

Fase de duplicacin o sntesis (S)En la fase S, o de sntesis, se produce la replicacin del ADN de los cromosomas individuales. Cada hebra de este ADN sir-ve de molde para la sntesis o produccin de la hebra nueva, que permanece asociada por apareamiento de bases. Las dos molculas de ADN resultantes permanecen unidas por el centrmero, con lo que dan lugar a cromosomas con cuatro hebras de ADN. Cada doble hebra constituye una cromti-da; de esta forma el nmero de cromosomas es constante-mente diploide en el ncleo (2n), pero el contenido de ADN se duplica de dos copias (2c) hasta cuatro (4c).

Las dos copias de cada cromosoma replicado permane-cen ntimamente unidas entre s como cromtidas herma-nas idnticas. stas se mantienen juntas debido a complejos proteicos denominados cohesinas, que se ensamblan a lo largo de cada una de ellas a medida que el ADN se va repli-cando. La cohesin de las cromtidas es fundamental para la segregacin adecuada de los cromosomas, misma que desaparece en la fase tarda de la mitosis, para permitir la separacin de las cromtidas hermanas. Al terminar la re-plicacin, la clula entra en la fase G2.

Fase de preparacin para la divisin de la cromatina (G2)En la fase G2 la clula veri ca si se ha completado la fase S de forma correcta y decide entre permitir el paso a mitosis, o en caso contrario, esperar a que se realicen las reparacio-nes necesarias.

En la fase G2 se inicia la condensacin gradual de la cro-matina (proceso inverso a la fase G1 o de descondensacin), que se completa en las primeras etapas de la mitosis, lo que da lugar a cromosomas visibles al microscopio, con un aspecto tpico de dos cromtidas y cuatro brazos. Aunque puede considerarse que cada molcula de ADN es un cro-mosoma en cualquier momento del ciclo, el trmino cro-mosoma corresponde estrictamente a esta forma de mxima condensacin. En cambio, los trminos cromosoma meta-fsico y cromosoma interfsico se utilizan para referirse a las formas de la cromatina condensada y descondensada, res-pectivamente.

Fase de compactacin o divisin (M)La fase M es, en s, un proceso continuo, que para su estu-dio se divide en seis etapas. Las primeras cinco (profase, prometafase, metafase, anafase y telofase) constituyen la

mitosis, que originalmente se de ni como el periodo en el que los cromosomas se condensan visiblemente. La citoci-nesis se produce en la sexta etapa, que se superpone con el nal de la mitosis. En conjunto, estas etapas constituyen una secuencia dinmica en la que varios ciclos indepen-dientes se desarrollan de forma coordinada para producir dos clulas hijas genticamente idnticas y en las que parti-cipan los cromosomas: el citoesqueleto y los centrosomas.

Cuando la clula est por ingresar en la fase M, los cro-mosomas replicados se condensan y se visualizan como estructuras liformes; un conjunto de complejos proteicos denominados condensinas ayudan a producir esta conden-sacin. Las cohesinas y las condensinas estn relacionadas de forma estructural y trabajan en conjunto para ayudar a con gurar los cromosomas replicados para la mitosis. Las cohesinas se unen a dos molculas paralelas de ADN (cro-mtidas hermanas idnticas) y las mantienen juntas, en tan-to que las condensinas se unen a una molcula individual de ADN para ayudar a condensarla.

Antes de que comience la fase M tienen que completarse dos eventos bsicos: el ADN tiene que replicarse totalmente y en las clulas animales debe duplicarse el centrosoma. El centrosoma es el principal centro organizador de los micro-tbulos, que en las clulas animales debe duplicarse para poder contribuir a la formacin de los dos polos del huso mittico, que luego separarn los cromosomas duplicados y los distribuirn en las dos clulas hijas, que debern tener su propio centrosoma.

En las clulas animales el centrosoma tambin contiene un par de centrolos, cada uno constituido por una estruc-tura cilndrica de microtbulos cortos.

Durante la interfase de cada ciclo de una clula animal, el centrosoma se duplica, y ambas copias permanecen jun-tas como un complejo nico a un lado del ncleo. Cuando se inicia la mitosis, los dos centrosomas se separan y cada uno origina una estructura radial de microtbulos denomi-nada ster. Los dos steres se desplazan en direcciones opuestas del ncleo para formar los dos polos del huso mittico; cuando se rompe la envoltura nuclear el huso cap-tura los cromosomas y nalmente los separa en una fase ms tarda de la mitosis. Cuando la mitosis termina y la envoltura nuclear se reconstituye alrededor de los cromo-somas separados, cada clula hija recibe un centrosoma junto con sus cromosomas. El proceso de duplicacin y separacin del centrosoma se conoce como ciclo del cen-trosoma.

MitosisEl eje central de la mitosis consiste en separar y distribuir de manera equitativa los cromosomas, ya replicados en la fase S que le precede, con la nalidad de que cada clula hija reciba una copia idntica del genoma. sta es una etapa del ciclo celular en la que la clula cesa la mayor parte de sus actividades metablicas y presenta una falta relativa de res-puesta a estmulos externos, debido a que dedica toda su


energa a la separacin cromosmica. La mitosis, a su vez, se subdivide en cinco fases, llamadas profase, prometafase, metafase, anafase y telofase, acompaadas de un proceso denominado citocinesis, en el cual la clula en divisin se separa en dos.

ProfaseDurante la profase los cromosomas replicados se conden-san y se preparan para separarse, y el huso mittico comien-za a formarse afuera del ncleo. La envoltura nuclear se rompe, el citoesqueleto se desensambla, el complejo de Golgi y el retculo endoplsmico se fragmentan, y la envol-tura nuclear se dispersa, lo que marca el inicio de la prome-tafase.

PrometafaseEn esta fase se forma el huso mittico de nitivo que permi-te a los microtbulos del huso entrar en contacto con los cromosomas, mismos que se mueven a una posicin en el centro de la clula.

MetafaseEn la metafase los cromosomas se encuentran alineados en el ecuador del huso, con una cromtide de cada cromosoma conectada a un polo opuesto. El plano de alineacin de los cromosomas se conoce como placa de la metafase. El huso mittico de la clula en metafase se encuentra altamente organizado para separar los cromosomas duplicados. Los microtbulos del huso en esta fase tienen la misma pola-ridad pero funcionalmente se dividen en tres grupos: 1) microtbulos astrales, que irradian hacia fuera a partir del centrosoma en la regin situada por fuera del cuerpo del huso, y es probable que ayuden en la colocacin del aparato del huso dentro de las clulas y determinen el plano de la citocinesis; 2) microtbulos cromosmicos, que se extien-den desde el centrosoma hacia una estructura proteica localizada en el centrmero del cromosoma, que permite el anclaje de los microtbulos del huso a los cromosomas y se denomina cinetocoro; este proceso es necesario para el des-plazamiento de los cromosomas hacia los polos durante la anafase, y 3) microtbulos polares (o interpolares), que se extienden desde el centrosoma hasta pasar los cromosomas y forman una canastilla estructural que mantiene la integri-dad del huso.

Las dos cromtides hermanas de cada cromosoma replicado se comprimen una contra otra a lo largo de las super cies internas y aparentemente se mantienen juntas por unas protenas de pegamento no cromosmicas denominadas cohesinas.

Anafasesta se inicia cuando se separan en forma sincrnica y sbi-ta las cromtides hermanas, y se acompaa de la liberacin de la protena pegamento dentro del citoplasma; todos los

cromosomas de la placa metafsica se separan de manera sincronizada, y las cromtides (ahora conocidas como cro-mosomas, pues ya no se encuentran jas a su duplicado) inician su migracin hacia los polos. El movimiento de cada cromosoma hacia un polo se acompaa del acortamiento de los microtbulos jos al cinetocoro.

TelofaseDurante la telofase los cromosomas se acercan a sus respec-tivos polos y tienden a reunirse en una sola masa marcando el inicio de esta etapa nal de la mitosis. La envoltura nuclear se reconstituye conforme las vesculas membranosas se unen a la super cie de los cromosomas y luego se fusionan lateralmente para formar una cubierta de doble membrana cada vez ms grande. La envoltura nuclear reconstituida se acomoda alrededor de cada uno de los dos conjuntos de cromosomas separados para formar dos ncleos ( gura 2-3).

Citocinesis o citodiresisLa divisin del citoplasma se inicia al nal de la anafase y contina durante la telofase.

1. El material gentico se condensa.2. El citoesqueleto se desensambla y

el uso mittico se ensambla.3. La envoltura nuclear se dispersa

1. Los microtbulos cromosmicosse unen a los cinetocoros.

2. Los cromosomas se alinean alecuador del hueso.

1. Los cromosomas se encuentranalineados al ecuador en la placa de la metafase, unidos por microtbulos cromosmicos por ambos polos.

Anafase1. Los centrmeros se dividen.2. Las cromatides hermanas se separan.3. Los cromosomas migran a polos

opuestos del huso.

1. Los cromosomas se aglomeran enpolos opuestos.

2. Los cromosomas se dispersan.3. La envoltura nuclear se ensambla.4. Las clulas hijas se forman por citocinesis.

Profase

PrometafasePrometafase

Metafase

Telofase

Figura 2-3. Fases de la mitosis. La mitosis est conformada por varias etapas: profase, prometafase, metafase, anafase y telofa-se. En este esquema pueden observarse las caractersticas de cada una de ellas en relacin con los cambios experimentados por el material gentico y la clula en general.


La citocinesis, o citodiresis, es la separacin f sica del citoplasma en dos clulas hijas durante la divisin celular y se produce despus de la cariocinesis, al nal de la telofase. El mecanismo de las clulas animales y el de las vegetales es distinto. En las clulas animales tiene lugar por estrangula-cin de la clula en el ecuador del huso, y se lleva a cabo mediante la participacin de protenas ligadas a la membra-na (actina y miosina), que forman un anillo contrctil.

El primer indicio de citocinesis en animales se observa durante la anafase tarda como una depresin en la super -cie de la clula dentro de una banda estrecha alrededor de sta. Conforme avanza el tiempo, la indentacin se profun-diza y se convierte en un surco que rodea por completo a la clula. El plano del surco se sita en el mismo plano que ocupaban previamente los cromosomas de la placa de la metafase; en otras palabras, el plano del surco es perpen-dicular al eje del huso mittico, lo que garantiza que los dos conjuntos de cromosomas se separen nalmente en dos c-lulas. El surco contina profundizndose hasta que las super cies opuestas hacen contacto en el centro de la clula y sta se separa en dos. Este proceso se lleva a cabo por el impulso de contracciones progresivas causadas por un ani-llo perifrico contrctil.

Las clulas vegetales tienen un proceso diferente de divisin que consiste en la acumulacin de vesculas proce-dentes del aparato de Golgi, que contienen elementos de la pared celular, en la zona media de la clula. Las vesculas se fusionan y entran en contacto con las paredes laterales de la clula. De esta forma se origina el tabique o fragmoplasto, que har posible la divisin celular ( gura 2-4).

Fase G0 o de quiescenciaAlgunas clulas permanecen en reposo tras la fase M, que puede ser una etapa transitoria, durar largo tiempo o no dividirse de nitivamente, a menos que se estimulen para ello. En el cuerpo o en un medio de cultivo se encuentran detenidas, y cuando se produce un estmulo adecuado, o si las condiciones ambientales son las idneas, pueden pro-seguir a la fase G1 del ciclo y continuar hasta la mitosis.

Control del ciclo celularEn el control del ciclo celular participan complejos de pro-tenas que actan en cada una de las etapas y permiten, o no, el avance del ciclo. Estas protenas se denominan cicli-nas y cinasas dependientes de ciclinas (Cdk), que se unen formando complejos de dos subunidades: una posee activi-dad cinasa y trans ere grupos fosfato del adenosn trifosfa-to (ATP) a residuos serina y treonina de protenas diana o blanco, implicadas en la progresin del ciclo celular, y la otra acta como una subunidad reguladora llamada ciclina. Cuando la concentracin de ciclina es baja, la cinasa per-manece inactiva, pero si la concentracin de ciclina se ele-

va, la cinasa se activa y la clula avanza dentro del ciclo celular. Debido a esto a las enzimas con actividad cinasa se las denomin Cdk, y se descubri que dirigen diversas acti-vidades durante el ciclo celular.

Figura 2-4. Citocinesis. La formacin del anillo contrctil se produce durante la etapa de citocinesis. Dicho anillo es el en-cargado de estrangular el citoplasma de la clula hasta dividirla en dos. La composicin del anillo contrctil es principalmente de lamentos de actina y miosina.

Filamentosde actina

Filamentosde miosina

Formacin del anillocontrctil

Surco de divisin

Como resultado se originandos clulas hijas


Estudios en levaduras permitieron observar que el ciclo celular en una clula eucariota se regula en distintas etapas. El primer punto de transicin, denominado START, ocurre antes del nal de G1. Una vez que la clula ha pasado este punto, est destinada en forma irrevocable a replicar su ADN y a completar el ciclo celular. El paso por START requiere la activacin de Cdk por una o ms ciclinas G1, cuyos niveles se elevan al nal de G1.

El paso de G2 a la mitosis requiere de la activacin de Cdk por un grupo diferente de ciclinas, las ciclinas mitti-cas. A este complejo se lo denomina factor promotor de la mitosis (MPF), y se encarga de fosforilar los sustratos nece-sarios para que la clula inicie la mitosis. La salida de la mitosis y el ingreso a G1 depende de un descenso rpido en la actividad de Cdk, consecuencia de una cada en la con-centracin de ciclinas mitticas.

Puntos de revisin (check points)Los puntos de revisin son mecanismos que detienen la progresin del ciclo celular en caso de que cualquier ADN cromosmico se dae o si ciertos procesos no se llevaron a cabo de manera correcta, como la replicacin del ADN en la fase S o la alineacin cromosmica durante la fase M.

En estos puntos participan protenas que, a manera de sensores, reconocen el dao en el ADN y las anormalidades celulares. Si una de estas protenas detecta un defecto, ini-cia una respuesta que detiene de forma transitoria el pro-greso del ciclo celular. Entonces la clula puede reparar el dao o corregir el defecto antes de ingresar a una nueva etapa. En caso de que el dao sea mayor y no sea posible repararlo, el mecanismo de revisin transmite una seal que conduce a la muerte de la clula daada. Los principa-les puntos de control se encuentran ubicados en G1 antes de la sntesis de ADN, en G2 antes de la mitosis y en la mitosis durante la metafase ( gura 2-5).

Dos de las principales protenas que funcionan como sensores en estos puntos de control son ATM (ataxia-telangiectasia mutada) y ATR (protena relacionada con ataxia-telangiectasia y Rad3), que son parte de complejos multiproteicos capaces de unirse al ADN daado. ATM es el principal mediador de la respuesta a las roturas de ambas cadenas del ADN, un tipo de dao caracterstico de las radiaciones ionizantes, mientras que ATR interviene en respuesta al dao inducido por radiacin ultravioleta (UV). Una vez unidas pueden fosforilar una variedad de protenas que participan en los puntos de revisin del ciclo celular.

Otro tipo de protenas con capacidad de regular el ciclo celular son las conocidas como protenas supresoras de tumores. Entre las ms importantes se encuentran Rb (pro-tena del retinoblastoma) y p53. Rb se encarga de detener la clula en la fase G1, contiene pocos aminocidos fosforila-dos, e impide la entrada a la fase S al unirse al factor de transcripcin E2F, evitando que ste se asocie a secuencias potenciadoras en sus genes blanco. A medida que avanza el ciclo celular, Rb se hiperfosforila de manera progresiva, lo que provoca que Rb se desprenda de E2F, y le permite comenzar la sntesis de ADN. Por otra parte, p53 desempe-a su funcin reguladora en la fase G1. Las lesiones del ADN nuclear dan lugar a la fosforilacin, la estabilizacin y la activacin de p53. Al ser activada, esta protena estimula la transcripcin de la protena p21 que detiene la progresin del ciclo celular para permitir la reparacin del dao. Si ste es irreparable, p53 desencadena la apoptosis ( gura 2-6).

MeiosisLa meiosis es el proceso durante el cual el nmero de cro-mosomas se reduce de modo que se forman clulas que slo contienen un miembro de cada par de cromosomas hom-logos. As, la meiosis garantiza la produccin de una fase haploide en el ciclo de vida, y la fertilizacin asegura una

CiclinaB/A + Cdk1

Todos los cromosomas estn alineados adecuadamente

CiclinaA + Cdk2 Ciclina

E + Cdk2

CiclinaDs + Cdk4

o Cdk6

Entradaa S

Salida de M

M G2

G1S

Todo el ADN est replicado La clula es lo suficientemente grande El medio ambiente es favorable

Entrada a M

La clula es lo suficientemente grande

El medio ambiente favorable

Punto de control en G2

Punto de control en la metafase

Punto de control en G1

Figura 2-5. Regulacin del ciclo celular. En este esquema se presenta la ubicacin de los principales puntos de control que regulan el ciclo celular. El paso de una etapa a otra est regu-lado por complejos ciclina-cinasa. La actividad de Cdk en G1 temprana es muy baja, pero se incrementa conforme avanza la fase. Tambin se observa actividad de Cdk4 y Cdk6 acopladas a las ciclinas D (D1, D2 y D3). El principal sustrato de estas Cdk es la protena reguladora Rb; su fosforilacin conlleva la transcripcin de varios genes como los que codi can para las ciclinas E y A, Cdk1 y varias protenas que participan en la replicacin. El paso de la fase G1 a S, es impulsada por la actividad de la Cdk2 con ciclina E y ciclina A. La transicin de G2 a M comienza con la activacin de la ciclina A y Cdk1, ade-ms de los complejos ciclina B1-Cdk1, los cuales se cree que fosforilan sustratos como protenas citoesquelticas, histonas y protenas de la envoltura nuclear.


P

I

II

P

PP

P

p53

p53

p21

p21

Cdc25

CdK

Cdc25

Protenaadaptadora

Cdc25

p53

P21 genP

P

P

P

E2F

Chk1

Chk1

Rb

Radiacinionizante

ATM

ATR

Chk2

a

b

d

e1

2

3

4

5

c

Chk2

Ciclina D

InactivaInactiva

Inactiva

Activa

Activa

Paro del ciclocelular

Progresin delciclo celular

Citoplasma

ARNm p21

RadiacinUV Cdk 4/6

Cdk

Cdk

C

B

A

Rb

DP

1/2

DP

1/2

DP

1/2

E2F

E2F

P

Figura 2-6. Control del ciclo celular. En este esquema se muestran tres de las principales vas que controlan la progresin del ci-clo celular. En la va A se muestra cmo ATR se activa tras un dao espec co; ste, a su vez, fosforila y activa la cinasa del punto de revisin Chk1 1), que fosforila y desactiva la fosfatasa Cdc25 2), la cual, en condiciones normales, se desplaza entre el ncleo y el citoplasma 3), pero una vez fosforilada se une a una protena adaptadora en el citoplasma 4) y no puede importarse de nuevo al ncleo, lo que deja a Cdk en su estado inactivo 5). En la va B se observa cmo ATM, tras activarse por un dao espec co, se activa y fosforila y activa la cinasa del punto de revisin Chk2 a) que fosforila p53 b), el cual activa la transcripcin de P21 c), y la protena p21 producida inhibe de forma directa la Cdk e) en ambas vas, resultando en el paro del ciclo celular. En la va C se muestra la protena Rb que, en condiciones normales se encuentra parcialmente fosforilada y unida al factor transcripcional E2F (I); sta se hiperfosforila por el complejo D-Cdk 4/6, lo que provoca que se desprenda de E2F permitindole a la clula entrar a la fase S.


fase diploide. Sin meiosis, la reproduccin sexual sera im-posible. A diferencia de la mitosis, en la meiosis la duplica-cin de los cromosomas va seguida por dos divisiones en secuencia que distribuyen los cromosomas entre cuatro ncleos.

Para asegurar que cada ncleo hijo, formado durante la meiosis, posea un miembro de cada par de cromosomas homlogos, ocurre un elaborado proceso de formacin de pares de cromosomas que no tienen contraparte en la mito-sis. A medida que se alinean los pares de cromosomas se desarrolla un proceso de recombinacin gentica entre las cromtidas hermanas con intercambio de fragmentos de ADN entre un cromosoma paterno y su correspondiente cromosoma materno, dando como resultado la produccin de cromosomas en donde ninguno de ellos es idntico a otro.

Fases de la meiosisLa meiosis es un tipo especial de divisin celular que origi-na gametos o clulas germinales masculinas y femeninas (espermatozoides y vulos, respectivamente), cada una de las cuales contiene la mitad de la dotacin cromosmica normal. A esta dotacin media de cromosomas de cada gameto se la conoce como nmero haploide (n). Por lo tan-to, esta divisin, tambin conocida como gametognesis, termina produciendo cuatro clulas hijas (gametos), que ms tarde se fusionarn para formar cigotos, que ya tienen el nmero diploide de cromosomas (2n).

La meiosis se divide en dos fases separadas:

Meiosis I (o divisin reductora)En ella tienen lugar algunos sucesos importantes: A diferencia de la mitosis, no ocurre separacin de cro-

mtidas, sino que cada cromosoma duplicado de cada par homlogo emigra a cada polo del huso.

Durante esta primera divisin meitica hay un intercam-bio de alelos (genes alternos que representan el cdigo para una misma caracterstica) entre las cromtidas de los pares homlogos de los cromosomas duplicados. Este intercambio supondr la formacin de cromtidas con diferente constitucin gentica en la clula madre.

Profase Ista es la fase ms larga de la meiosis, y en ella los cromoso-mas homlogos intercambian fragmentos de material gen-tico. Se divide en cinco subfases: Leptoteno: los cromosomas individuales, compuestos

por dos cromtidas unidas por el centrmero, empiezan a condensarse y hacerse visibles, y forman largas tiras en el ncleo.

Cigoteno: los pares de cromosomas homlogos se aproximan entre s, y tiene lugar la sinapsis o aparea-miento, que suele comenzar por los extremos y se extiende a lo largo de los cromosomas. Esta sinapsis,

que se establece por medio del complejo sinaptonmi-co, forma una ttrada.

Paquiteno: se completa la sinapsis en todos los cromo-somas. Tiene lugar un entrecruzamiento cromosmico mediante quiasmas, y como consecuencia tiene lugar una recombinacin gentica. Suelen darse dos o tres de estos entrecruzamientos por cada par bivalente.

Diploteno: comienza la separacin de los cromosomas homlogos, y pone an ms de mani esto los quiasmas.

Diacinesis: los cromosomas se condensan al mximo y desaparecen el ncleo y la membrana nuclear, por lo que quedan libres en el citoplasma. Se puede apreciar cmo cada bivalente est unido por cuatro cromtidas (ttradas).

Metafase I Durante esta fase los cromosomas homlogos se alinean en el plano ecuatorial completamente al azar, lo que garantiza la reunin de los cromosomas maternos y paternos.

InterfaseLa clula duplica su materialgentico

Profase IEntrecruzamiento cromosmico

Metafase IAlineamiento de los cromosomasen el plano ecuatorial

Anafase IDesplazamiento de loscromosomas hacia polosopuestos

Telofase ISe forma la membrana nuclear ycomienza la citocinesis

Metafase IIAlineacin de los cromosomasen el plano ecuatorial

Anafase IISe separan las cromtidas decada cromosoma

Telofase IISe forma la membrana nuclear ycomienza la citocinesis

Como resultado se obtienen 4clulas haploides

Profase ISe rompe la membrana nucleary se forma el nuevo huso

Figura 2-7. Etapas de la meiosis. Esquema general de las fases involucradas en la meiosis.


Anafase IEs la separacin de cada bivalente, que se desplazan hacia los polos opuestos de la clula. Cada cromosoma sigue constituido an por dos cromtidas.

Telofase IEsta fase es parecida a la de la mitosis: los cromosomas lle-gan hasta los polos opuestos, se vuelven a formar los ncleos y comienza la citocinesis. Cada clula hija recibe 23 cromosomas (n), pero como cada c

- biologia molecular

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