Las funciones biológicas del ADN incluyen el almacenamiento
de información (genes y genoma), la codificación de proteínas (transcripción y
traducción) y su autoduplicación (replicación del ADN) para asegurar la
transmisión de la información a las células hijas durante la división celular.
Genes y genoma
Véanse también: Núcleo celular, Cromatina, Cromosoma y
Genoma.
El ADN se puede considerar como un almacén cuyo contenido es
la información (mensaje) necesaria
para construir y sostener el organismo en el
que reside, la cual se transmite de generación en generación. El conjunto de
información que cumple esta función en un organismo dado se denomina genoma, y
el ADN que lo constituye, ADN genómico.
El ADN genómico (que se organiza en moléculas de cromatina
que a su vez se ensamblan en cromosomas) se encuentra en el núcleo celular de
los eucariotas, además de pequeñas cantidades en las mitocondrias y
cloroplastos. En procariotas, el ADN se encuentra en un cuerpo de forma
irregular denominado nucleoide.76
El ADN codificante
ARN polimerasa T7 (azul) produciendo un ARNm (verde) a
partir de un molde de ADN (naranja).77
Véase también: Gen
La información genética de un genoma está contenida en los
genes, y al conjunto de toda la información que corresponde a un organismo se
le denomina su genotipo. Un gen es una unidad de herencia y es una región de
ADN que influye en una característica particular de un organismo (como el color
de los ojos, por ejemplo). Los genes contienen un "marco de lectura
abierto" (open reading frame) que puede transcribirse, además de secuencias
reguladoras, tales como promotores y enhancers, que controlan la transcripción
del marco de lectura abierto.
Desde este punto de vista, las obreras de este mecanismo son
las proteínas. Estas pueden ser estructurales, como las proteínas de los
músculos, cartílagos, pelo, etc., o funcionales, como la hemoglobina o las
innumerables enzimas del organismo. La función principal de la herencia es la
especificación de las proteínas, siendo el ADN una especie de plano o receta
para producirlas. La mayor parte de las veces la modificación del ADN provocará
una disfunción proteica que dará lugar a la aparición de alguna enfermedad.
Pero en determinadas ocasiones, las modificaciones podrán provocar cambios
beneficiosos que darán lugar a individuos mejor adaptados a su entorno.
Las aproximadamente treinta mil proteínas diferentes en el
cuerpo humano están constituidas por veinte aminoácidos diferentes, y una
molécula de ADN debe especificar la secuencia en que se unen dichos
aminoácidos.
En el proceso de elaborar una proteína, el ADN de un gen se
lee y se transcribe a ARN. Este ARN sirve como mensajero entre el ADN y la
maquinaria que elaborará las proteínas y por eso recibe el nombre de ARN
mensajero o ARNm. El ARN mensajero sirve de molde a la maquinaria que elabora las
proteínas, para que ensamble los aminoácidos en el orden preciso para armar la
proteína.
El dogma central de la biología molecular establecía que el
flujo de actividad y de información era: ADN → ARN → proteína. No obstante, en
la actualidad ha quedado demostrado que este "dogma" debe ser
ampliado, pues se han encontrado otros flujos de información: en algunos
organismos (virus de ARN) la información fluye de ARN a ADN; este proceso se
conoce como "transcripción inversa o reversa", también llamada
"retrotranscripción". Además, se sabe que existen secuencias de ADN
que se transcriben a ARN y son funcionales como tales, sin llegar a traducirse
nunca a proteína: son los ARN no codificantes, como es el caso de los ARN
interferentes.34 35
El ADN no codificante
El ADN del genoma de un organismo puede dividirse
conceptualmente en dos: el que codifica las proteínas (los genes) y el que no
codifica. En muchas especies, solo una pequeña fracción del genoma codifica
proteínas. Por ejemplo, solo alrededor del 1,5 % del genoma humano consiste en
exones que codifican proteínas (20 000 a 25 000 genes), mientras que más del 90
% consiste en ADN no codificante.78
El ADN no codificante (también denominado ADN basura o junk
DNA) corresponde a secuencias del genoma que no generan una proteína
(procedentes de transposiciones, duplicaciones, translocaciones y recombinaciones
de virus, etc.), incluyendo los intrones. Hasta hace poco tiempo se pensaba que
el ADN no codificante no tenía utilidad alguna, pero estudios recientes indican
que eso es inexacto. Entre otras funciones, se postula que el llamado "ADN
basura" regula la expresión diferencial de los genes.79 Por ejemplo,
algunas secuencias tienen afinidad hacia proteínas especiales que tienen la
capacidad de unirse al ADN (como los homeodominios, los complejos receptores de
hormonas esteroides, etc.), con un papel importante en el control de los
mecanismos de trascripción y replicación. Estas secuencias se llaman
frecuentemente "secuencias reguladoras", y los investigadores suponen
que solo se ha identificado una pequeña fracción de las que realmente existen.
La presencia de tanto ADN no codificante en genomas eucarióticos y las
diferencias en tamaño del genoma entre especies representan un misterio que es
conocido como el "enigma del valor de C".80 Los elementos repetitivos
también son elementos funcionales. Si no se considerasen así, se excluiría más
del 50 % de los nucleótidos totales, ya que constituyen elementos de
repetición. Recientemente, un grupo de investigadores de la Universidad de Yale
ha descubierto una secuencia de ADN no codificante que sería la responsable de
que los seres humanos hayan desarrollado la capacidad de agarrar y/o manipular
objetos o herramientas.81
Por otro lado, algunas secuencias de ADN desempeñan un papel
estructural en los cromosomas: los telómeros y centrómeros contienen pocos o
ningún gen codificante de proteínas, pero son importantes para estabilizar la
estructura de los cromosomas. Algunos genes no codifican proteínas, pero sí se
transcriben en ARN: ARN ribosómico, ARN de transferencia y ARN de interferencia
(ARNi, que son ARN que bloquean la expresión de genes específicos). La
estructura de intrones y exones de algunos genes (como los de inmunoglobulinas
y protocadherinas) son importantes por permitir los cortes y empalmes
alternativos del pre-ARN mensajero que hacen posible la síntesis de diferentes
proteínas a partir de un mismo gen (sin esta capacidad no existiría el sistema
inmune, por ejemplo). Algunas secuencias de ADN no codificante representan
pseudogenes que tienen valor evolutivo, ya que permiten la creación de nuevos
genes con nuevas funciones.35 Otros ADN no codificantes proceden de la
duplicación de pequeñas regiones del ADN; esto tiene mucha utilidad, ya que el
rastreo de estas secuencias repetitivas permite estudios de filogenia.
Transcripción y traducción
Artículos principales: Transcripción (genética) y Traducción
(genética).
En un gen, la secuencia de nucleótidos a lo largo de una
hebra de ADN se transcribe a un ARN mensajero (ARNm) y esta secuencia a su vez
se traduce a una proteína que un organismo es capaz de sintetizar o
"expresar" en uno o varios momentos de su vida, usando la información
de dicha secuencia.
La relación entre la secuencia de nucleótidos y la secuencia
de aminoácidos de la proteína viene determinada por el código genético, que se
utiliza durante el proceso de traducción o síntesis de proteínas. La unidad
codificadora del código genético es un grupo de tres nucleótidos (triplete),
representado por las tres letras iniciales de las bases nitrogenadas (por ej.,
ACT, CAG, TTT). Los tripletes del ADN se transcriben en sus bases
complementarias en el ARN mensajero, y en este caso los tripletes se denominan
codones (para el ejemplo anterior, UGA, GUC, AAA). En el ribosoma cada codón
del ARN mensajero interacciona con una molécula de ARN de transferencia (ARNt o
tRNA) que contenga el triplete complementario, denominado anticodón. Cada ARNt
porta el aminoácido correspondiente al codón de acuerdo con el código genético,
de modo que el ribosoma va uniendo los aminoácidos para formar una nueva
proteína de acuerdo con las "instrucciones" de la secuencia del ARNm.
Existen 64 codones posibles, por lo cual corresponde más de uno para cada
aminoácido (por esta duplicidad de codones se dice que el código genético es un
código degenerado: no es unívoco); algunos codones indican la terminación de la
síntesis, el fin de la secuencia codificante; estos codones de terminación o
codones de parada son UAA, UGA y UAG (en inglés, nonsense codons o stop
codons).34
Replicación del ADN
Esquema representativo de la replicación del ADN.
Artículo principal: Replicación de ADN
La replicación del ADN es el proceso por el cual se obtienen
copias o réplicas idénticas de una
molécula de ADN. La replicación es
fundamental para la transferencia de la información genética de una generación
a la siguiente y, por ende, es la base de la herencia. El mecanismo consiste
esencialmente en la separación de las dos hebras de la doble hélice, las cuales
sirven de molde para la posterior síntesis de cadenas complementarias a cada
una de ellas, que llevará por nombre ARNm. El resultado final son dos moléculas
idénticas a la original. Este tipo de replicación se denomina semiconservativa
debido a que cada una de las dos moléculas resultantes de la duplicación
presenta una cadena procedente de la molécula "madre" y otra recién
sintetizada.
Hipótesis sobre la duplicación del ADN
En un principio, se propusieron tres hipótesis:
Semiconservativa: Según el experimento de Meselson-Stahl,
cada hebra sirve de molde para que se forme una hebra nueva, mediante la complentariedad
de bases, quedando al final dos dobles hélices formadas por una hebra antigua
(molde) y una nueva hebra (copia).
Conservativa: Tras la duplicación quedarían las dos hebras
antiguas juntas y, por otro lado, las dos hebras nuevas formando una doble
hélice.
Dispersiva: Según esta hipótesis, las hebras resultantes
estarían formadas por fragmentos en doble hélice ADN antiguo y ADN recién
sintetizado.