Biología, la vida en la tierra con fisiología Tomo 01-páginas-61

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E s tu d io de caso
Músculos, mutaciones 
y miostatina
NO. E L TO RO que ap arece en la parte superio r 
de la fo tografía no levan ta pesas: e s un to ro de 
raza Belg ian B lue, una raza que tiene m úsculos 
prom inentes. ¿A qué se d eb e que un Belg ian Blue 
parezca un fis icoconstructiv ista en com paración 
con las reses o rd inarias , com o el H erfo rd d e la parte 
inferior d e la fo tografía?
Cuando un mamífero se desarrolla, sus células se 
d iv iden muchas veces, se agrandan y se especializan 
para una función determ inada. El tam año, forma y 
tipo de las células d e los órganos están regulados 
con precisión durante e l desarrollo, d e m odo que 
uno no adquiere una cabeza de l tam año d e una 
pelota de basquetbol ni le crece pelo en e l hígado. El 
desarrollo m uscular no es la excepción. Cuando eras 
pequeño, las células destinadas a formar tus músculos 
se dividieron, se unieron y formaron células largas 
y relativam ente gruesas con num erosos núcleos y 
sintetizaron las proteínas especializadas que hacen que 
los músculos se contraigan para m over el esqueleto. 
Una proteína llam ada miostatina, que se encuentra en 
todos los mamíferos, detiene este proceso. La palabra 
“miostatina" significa d e forma literal “ hacer que los 
músculos se queden iguales" y eso es exactamente 
lo que hace. Cuando los músculos se desarrollan, la 
miostatina lentifica y al final detiene las divisiones 
de estas células prem usculares. La m iostatina regula 
tam bién e l tamaño definitivo d e las células musculares 
y , p o r tanto, su fuerza. Un fisicoconstructivista aumenta 
su vo lum en m uscular levantando pesas, lo cual 
a g ra n d a sus células musculares pero, p o r lo regular, 
no adiciona muchas células nuevas.
0 Belgian Blue tiene más células musculares que 
son m ás grandes que las de las reses comunes. ¿Por 
qué? Es posible que ya lo hayas imaginado: porque 
no producen miostatina normal. ¿Y por qué no? Como 
varem os en este capítulo, las proteínas se sintetizan 
según las instrucciones genéticas contenidas en el 
á c id o d e so x i r r ib o n u c le ic o (A D N ). EJ ADN de l Belgian 
Blue es significativam ente diferente de l ADN de l ganado 
com ún: tiene un cam bio, una mutación en e l ADN 
del gen d e la m iostatina. Por consiguiente, produce 
miostatina defectuosa. Las célu las premusculares del 
Belgian Blue se d iv iden más d e lo normal y se hacen 
m uy grandes a m edida que se diferencian, lo que 
produce este ganado de gran tamaño.
¿Zóm o e s que e l ADN contiene las instrucciones 
de rasgos com o el tam año de los m úsculos, 
co lo r de las flores o la determ inación del sexo?
£ ó m o se transm iten estas instrucciones de 
generación en generación sin a lterarse? ¿P o r q u é a 
veces estas instrucciones cam b ian? Las respuestas se 
encuentran en la estructura y la func ión de l ADN .
k
▲ ¿Toro com ún o e l increíble Hulk? Un cambio diminuto del ADN 
m arca toda la diferencia.
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A D N : b molécub de b herencia 2 0 1
De un v is ta z o
Estu d io do caso M úscu los, m utaciones y m iostatína
1 1 .1 ¿ C ó m o d e s c u b r ie r o n lo s c ie n t í f i c o s 
q u e lo s g e n e s e s t á n h e c h o s d e A D N ?
Bacterias transform adas revelaron e l vínculo entre genes 
y A D N
1 1 .2 L a e s t r u c t u r a d e l A D N
El A D N está com puesto p o r cuatro nudeótidos 
El A D N es un a doble hélice co n d o s hebras de nudeótidos 
Investigación c ian ú rica El ADN e s la m olécula 
d e la herencia d e los bacterió fagos 
Enlaces d e hidrógeno entre bases com plem entarias 
mantienen unidas b s d o s cadenas d e A D N en b doble 
hélice
1 1 .3 ¿ C ó m o c o d i f i c a la in f o r m a c ió n e l A D N ? 
Investigación c ien tífica El descubrim ien to d e la doble
hélice
Estu d io do caso continuación M úscu los, m utaciones 
y m iostatína
1 1 .4 ¿ C ó m o es q u e la re p ü c a c ió n d e l A D N 
g a ra n t iz a la c o n s ta n c ia g e n é t ic a d u ra n te
la d iv is ió n c e lu la r?
La rep licadón del A D N es un acontecim iento fundam ental en 
el c ic lo celular
La rep licadón del A D N produce dos dob les hélices de A D N , 
ca d a un a con b hebra orig ina l y una nueva
Estu d io de caso continuación M úsculos, m utaciones 
y m iostatína
D e cerca Estructura y rep licad ó n d e l ADN 
P io F lix D N A R e p lica ro n (d ispon ib le en inglés)
1 1 .5 ¿ C ó m o o cu rre n la s m u ta c io n e s ?
La repücación precisa y b revisión producen A D N casi sin errores 
Los errores pueden ocurrir
Las m utaciones van de cam bios en pares de nudeótidos 
sim ples a desplazam ientos d e grandes piezas de crom osom as 
Las m utaciones óenen efectos diversos en la s fundones
Estud io d e caso o tro v is taz o M úscu los, m utaciones y 
m iostatína
 /
11.1 ¿C Ó M O D E S C U B R IE R O N 
LO S C IE N T ÍF IC O S Q U E LO S G E N E S 
E ST Á N H E C H O S D E A D N ?
A fina les d e l s ig lo X IX , los científicos hab ían ap ren d id o que la 
in fo n n a d ó n genética se en cu en tra e n un idad es in d iv id u a le s q ue 
llam aro n genes. S in em bargo, n o sab ían q ué eran los genes; só lo 
sab ían q u e los genes d ete rm inan m uchas d iferencias hereditarias 
e n los o rgan ism os d e un a espede. P o r e je m p lo , los genes d e l c o ­
lo r d e las flores d ete rm inan s i las rosas son rojas, rosas, am arillas 
o blancas. A com ienzos del s ig lo X X , los estud ios sobre la d iv is ió n 
ce lu lar p rop o rrio n aro n ev id en d as só lid as d e q u e los genes son 
pa ite d e los crom osom as (véanse las pág inas 149-150, 174-175). 
Po c o después, los b io q u ím ico s e n co n tra ro n que los a o m o so m a s 
eucariontes están com puestos ún icam en te d e proteínas y A D N . 
l in o de estos com puestos d eb ía lleva r el p lano hered ita rio d e las 
célu las, p e to ¿cuál?
Bacterias transform adas revelaron 
el víncu lo entre genes y A D N
A fina les d e la década d e 1920, u n d e n t if ic o inglés d e nom bre 
ftederick C r iffith trataba d e e lab o ra r un a vacuna para preven ir la 
n eu m o n ía b aae r ian a , un a de las p r in ap a le s causas de m uerte e n 
la época. Es m u y d if ía l p repara r un a vacun a contra d erto s tipos de 
bacterias in fecdosas (p o r e jem p lo , las vacunas m odernas contra 
el ántrax n o so n to ta lm en te seguras n i eficaces p o r co m p le to ), 
peto e s to n o se sab ía e n 1920. A lgunas vacunas antibacterianas 
constan d e un a ce p a deb ilitad a de las bacterias, q ue n o causan la 
enferm edad. A l inyectar esta cepa deb ilitad a p ero v iva e n u n an i­
m al, se estim u la la in m u n id a d contra el patógeno. O tra s vacunas
están hechas d e bacterias v in ilen tas q u e fu eron m uertas m ediante 
exp o s ir ió n al ca lo r o a com puestos quím icos.
C r iíf ith trataba d e hacer un a vacuna con dos cepas de la bac­
teria SoepUxocrus pneum oniae. U n a cepa, R, n o causó n eu m o n ía al 
inyectarla e n ratones (F IG U R A 11 -1 a ) 1.a otra cepa, S , resultó m or­
ta l al inyectarla: causó n e u m o n ía y m ató a los ratones e n u n o o 
dos d ías (F IG U R A 11- Ib ). C o m o era d e op e rarse , cuando se m ató 
a las bacterias de la cepa S y se inyectaron e n los ratones, n o causa­
ron la enferm edad (F IG U R A 11-1c). Po r desgrada, n i la cepa v iva R 
n i la cepa m uerta S p rop o rdo naron in m u n id ad contra las bacterias 
vivas d e la cepa S.
C riffith trató igualm ente de m ezd ar bacterias de la cepa R 
con bacterias d e la cepa S muertas por ca lo r e inyectar la m ezcla a ra­
tones (R G U R A 11-1 d ). C o m o n inguna d e estas cepas causaba neu ­
m o n ía por s í in ia n a , esperaba que los ratones conservaran la salud. 
Para su sorpresa, los ratones se enferm aron y m urie ron . C u an d o 
h iz o la autopsia d e los an im a les , o b tu vo bacterias vivas d e la cepa S. 
C riffith p lan teó la hipótesis d e q ue algo d e las b aaerias muertas por 
ca lo r d e la cepa S hab ía cam b iad o las b aaerias vivas e inofensivas 
d e la cepa R y las hab ía convertido e n la mortífera cepa S , por un 
p roceso llam ad o transfo rm adón . A co n tin uad ó n , las célu las de la 
cepa S transformadas se m u ltip licaron y causaron neum onía.
C r iffith nunca descub rió un a vacun a eficaz co n tra la neu ­
m o n ía y, e n ese sen tid o , sus experim entos fu eron u n fracaso 
(d e hecho , hasta fina les d e la década d e 1970 n o se d esarro lló 
u n a vacun a eficaz y segura co n tra la m ayo r parte de las form as 
d e SOeplococcus pneum oniae). S in em bargo, los experim entos de 
C r iíf ith fu eron u n p u n to d e in flex ión en nuestra com prensión 
d e la genética, porque otros investigadores sospechaban q u e aque­
l lo q u e causó la tran sfo rm ad ó n p o d ía ser la m u y buscada m o­
lécu la de la h e ren da .
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C ep as d e b acte ria s Inyectad os a ra to n es R esu ltad os C onclu sion es
t ®
\ R v iv a / 11 T * j m
' 0 ratón está 
1 sano
L a copa R 
no causa 
neum onía
-
\ S v iva /
B ratón contrae 
neum onía y 
mu oro L a ce p a S causa 
neum onía
-
\ C o p a S m uerta J j O 
\ por ca lo r / ^
' B ratón está 
| sano
L a cep a S m ie rta 
por ca lo r no 
ca u sa neum onía
----
( M ezcla d e ) m 
co p a R vtva y J ^ <
\ c e p o 8 n u e r ta /
B ratón contrae 
neum onía y 
m uere
A lgo d e la ce p a S 
m uerta por calor 
transform a la 
ce p a R rio fenstva 
on un a co p a S 
m ortal
A F IG U R A 11-1 L a tra n s fo rm a c ió n “ b a c te r ia n a " 0 descubrim iento de Grlffith d e que las bacterias 
pueden transformarse de Inofensivas e n mortales estableció las bases para el hallazgo de que los genes 
están compuestos de ADN.
La m o lécu la d e la tran s fo rm ac ió n es e l A D N 
Kn 1933, J . L A llo w ay descubrió q ue los ratones n o desem peñaron 
n inguna func ión e n la transform ación, co m o lo q ue ocurrió e n las 
rajas de Petri de cu ltivo , cuando las bacterias v ivas d e la cepa R 
se m ezclaron con las bacterias muertas d e la cepa S. U n a década 
m ás tarde, O sw a ld Avery, C o lin M a c le o d y M ac lyn M cC arty des­
cubrie ron que la m o lécu la d e la transform ación es el A D N . Avery, 
M acLco d y M cC arty a is la ron el A D N d e bacterias d e la cepa S , m ez­
cladas co n bacterias d e la cepa R y produjeron bacterias vivas de la 
cepa S . Para m ostrar q ue la transform ación era causada p o r A D N y 
n o p o r restos de proteínas q ue hub ieran con tam inad o e l A D N , 
trataron algunas muestras co n enzim as que destruyeron las p ro ­
teínas. listas enzim as n o evitaron la transform ación; e n cam b io , al 
tratar las muestras con enzim as que destruyen el A D N , se im p id ió 
la transform ación.
Este d escub rim ien to n o s s irve para in terp retar los resu lta­
dos d e los experim entos d e G riffith . A l ca len ta r las célu las d e la 
cepa S , m urie ron , p ero n o se destruyó com p le tam en te su A D N . 
C u a n d o las bacterias m uertas de la cepa S s e m ezclaron co n bacte­
rias v ivas de l a cepa R, fragm entos d e l A D N d e las célu las muertas
d e la cepa S pasaron a a lgunas células d e la cepa R y se in corp o ­
ra ro n a l crom o so m a d e las bacterias d e la cepa R (F IG U R A 11-2). 
S i estos fragm entos de A D N co n ten ían los genes necesarios para 
causar la en ferm edad , un a célu la de la cepa R se transfo rm aría en 
un a cé lu la d e la cepa S . Así, Avery, M acLeo d y M c C a rty concluye ­
ro n q u e los genes están hechos d e A D N .
E l A D N , n o la p ro te ín a , es la m o lécu la d e la herencia 
A ho ra bien, n o todos se s in tie ro n convencidos. A lgunos pensaban 
todav ía que los genes estaban hechos d e proteinas y q ue la transfor­
m ación d e las m o lécu las d e A D N d e bacterias de la cepa S hab ían 
causado un3 m utación e n los genes d e las bacterias d e la cepa R. 
O tros form ularon la h ipótesis de q u e e l A D N pod ría ser la m olécu­
la de la herencia d e las bacterias, pero n o d e otros organism os. S in 
embargo, se s igu ieron acum u land o las evidencias de q ue e l A D N es 
e l m aterial genético d e m uchos, o qu izá d e todos los organism os. 
Po r e jem p lo , antes d e d ivid irse, un a cé lu la eucarionte dup lica sus 
crom osom as (léanse las páginas 151-152) y replica exactam ente el 
co n ten id o d e A D N , co m o sería d e esperar s i lo s jp n ra están hechos 
d e A D N . P o r últim o, casi todos los escépticos que quedaban se
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ADN: Ij molécula de Ij herencia 2 0 3
un fragm onto do 
AD N so incorpora 
a l crom osom a
A F IG U R A 11-2 M e c a n is m o m o le c u la r d e la tra n s fo rm a c ió n
Casi todas las bacterias tienen un único cromosoma circular 
hecho de ADN. Ocurre la transformación cuando una bacteria 
v iva tom a parte del ADN d e su ambiente y lo incorpora e n su 
cromosoma.
convencieron con u n grupo soberb io de experim entos de Alfred 
H ershey y M artha C hase, e n los cuales dem ostraron e n forma con­
cluyente q ue e l A D N es la m o lécu la de la herencia d e ciertos v in is 
( véase e l ap añ ad o 'In ves tig ac ió n científica: * F J A D N es la m olécula 
de la herencia d e los bacteriófagos', en las páginas 204-205).
11.2 LA E ST R U C T U R A D E L A D N
Saber que los genes están hechos d e A D N n o responde pregun­
tas m íd a le s sobre la h e ren da . ¿C ó m o codifica la in fo rm ación el 
A D N ? ¿C ó m o se replica e l A D N d e m o do q ue la cé lu la transm ita 
la in fo rm arió n hereditaria a sus célu las h ijas? lo s secretos d e l fun­
c io nam ien to del A D N y, p o r consigu iente, de la h e ren d a e n s í, se 
encuentran e n la estructura trid im ensiona l de la m o lécu la d e A D N .
E l A D N está com puesto p o r cuatro nucleótidos 
C o m o v im o s e n e l cap ítu lo 3, e l A D N consta d e cuatro pequeñas 
un idades llam adas n u c le ó tid o s C ad a nucleótido d e l A D N tiene 
tres partes: un gm po fosfato, u n azúcar llam ad o desoxirribosa y 
una de cuatro b a se s nitrogenadas: a d c n ln a (A ) , g u a n in a (G ) , 
t im in a (T )o d t o s in a (C ) (R G U R A 11-3).
E n la década d e 1940, cu an d o el b io q u ím ico E rw in Chargaff 
d e la C o lu m b ia lln iv e rs ity (U n ive rs id ad C o lu m b ia ) an a liz ó las 
cantidades de las cu a tro bases d e l A D N d e organism os tan d ive r­
sos co m o bacterias, m orsas, peces y seres hu m an os , v io q ue m os­
traban un a curiosa constancia. E l A D N d e cu a lqu ier especie ten ia 
las m ism as cantidades d e ad e n in a y tim in a , a s í co m o las m ism as 
cantidades de g uan ina y citosina. Es ta constancia , q ue sue le lla-
A R G U R A 11-3 N u c le ó tid o s d e A D N
m arse la 'reg la d e Chargaff’ , pareció ser im portante, p ero pasaría 
casi o tra década hasta q ue a lgu ien en ten d ie ra lo q u e significaba 
con respecto a la estructura d e l A D N .
E l A D N es una doble hélice con dos cadenas 
de nucleótidos
N o es tarea facil determ inar la estructura de cualqu ier m olécula 
b io lóg ica, n i s iqu iera para los científicos contem poráneos. S in em ­
bargo, a fina les de la década d e 1940 varios científicos com enzaron 
a investigar la estructura del A D N . Los científicos ingleses M aurice 
W ilk in s y R osa lin d I ran k lin ap licaron e l m étodo d e la d ifracción 
p o r rayos X a l esntd io d e la m o lécu la d e A D N . Bom bardearon cris­
tales de A D N purificado co n rayos X y tom aron nota d e có m o re-
azúcar n
base «■ guanina
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Investigación científica
El ADN es la molécula de la herencia de los bacteriófagos
Qertos v irus Infectan sólo bacterias y se Haman b a c te rió fa g o s , 
b que significa 'com edores de bacterias' (R G U R A E1 1-1). Un 
bacteriófago ("fago" para abreviar) depende d e su bacteria 
huésped para cubrir todos los aspectos de su d e lo de vida 
(F IG U R A E l 1-1b). Cuando un fago encuentra una bacteria, 
se adhiere a la pared celular de ésta y le Inyecta su material 
genético. La envoltura externa d e l fago queda fuera de la pared 
celular. La bacteria no distingue los genes del fago d e sus 
propios genes, asi que In te rp re ta ' los genes del fago y usa la 
bform ación para producir más fagos. Por último, uno de los 
genes del fago dirige la síntesis de una enzima que rompe la 
bacteria, lo q ue deja e n libertad a los fagos recién constituidos.
Aunque muchos bacteriófagos tienen estructuras Intrincadas 
(véase la F IG U R A E l 1-1 a), quím icamente son muy simples, pues 
sólo constan de ADN y protelna. ftjr tanto, una de estas dos 
rroléculas debe ser el material genético d e l fago. A comienzos 
de la década de 1950, Alfred H ersheyy Martha Chase 
aprovecharon la sencillez quím ica de los bacteriófagos para 
deducir que su material genético e s e l ADN.
Hcrshey y Chase sabían que las bacterias infectadas deben 
contener material genético d e l fago, asi que s i pudieran "marcar" 
el ADN y la proteina del fago, y separar las bacterias Infectadas 
de la envoltura d e l fago que queda fuera, podrían ve r qué 
rrolécula entra en la bacteria (F IG U R A E11-2) Como vim os 
en e l capitulo 3, tanto el ADN como las proteínas contienen 
carbono, oxigeno, hidrógeno y nitrógeno. El ADN contiene
también fósforo, pero no azufre, m ientras que las proteínas 
contienen azufre (en los aminoácidos m etlonina y dstelna). pero 
no fósforo.
Hershey y Chase forzaron a una población de fagos a 
sintetizar ADN usando fósforo radiactivo, con lo cual marcaron 
su ADN. O tra población fue forzada a sintetizar proteínas 
con azufre radiactivo y asi quedaron marcadas. Cuando las 
bacterias fueron infectadas por los fagos que contenían proteínas 
marcadas radiactivamente, las bacterias no se volvieron 
radiactivas. En cambio, cuando las bacterias fueron infectadas 
por los fagos que contenían ADN radiactivo, las bacterias se 
hicieron radiactivas. Hershey y Chase concluyeron que el ADN, 
no las proteínas, e s el material genético d e los fagos.
Hershey y Chase también infirieron q ue parte del material 
genético marcado d e los fagos 'o rig ina les ' podría Incorporarse 
en el material genético de los fagos 'descendientes' (veremos 
más sobre este tema e n la sección 11.4). En un segundo grupo 
de experimentos, los Investigadores volvieron a marcar el 
ADN de una población de fagos y las proteínas en o tra población, 
y dejaron q ue los fagos infectaran bacterias. Cuando transcurrió 
el tiempo suficiente para que los fagos se reprodujeran, los 
Investigadores abrieron las bacterias y los fagos descendientes 
fueron separados d e entre los restos bacterianos. En los fagos 
descendientes encontraron ADN radiactivo, pero no las proteínas 
radiactivas. El segundo experimento confirmó los resultados del 
primero: e l ADN e s la molécula de la herencia.
fe) C ic lo d e vida d e un bacteriófago
(a) Estructu ra d e un bacteriófago
A R G U R A E11-1 B a c te rió fa g o s
(a ) Muchos bacteriófagos tienen 
una estructura compleja que 
comprende una cabeza con 
material genético y fibras caudales 
con las que se adhieren a la 
superficie de una bacteria, asi 
como un elaborado aparato para 
Inyectar en la bacteria su material 
genético, (b ) C iclo de vida de un 
bacteriófago. El bacteriófago usa 
el metabolismo d e la bacteria para 
producir más fagos.
2 0 4
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