Análisis moleculares de ADN

El término sistemática molecular es utilizado para referirse a la sistemática macromolecular: el uso del ADN y del ARN para inferir relaciones de parentesco entre los organismos (también llamados, para evitar confusiones, análisis moleculares de ADN, que implican análisis de secuencias de ADN entre otros métodos). Si bien técnicamente, los métodos que implican el uso de isozimas y flavonoides también son moleculares, usualmente son tratados en apartados diferentes.

La aplicación de la información sobre los ácidos nucleicos a la Biología Sistemática ha tenido un desarrollo espectacular a partir de la década del '90. Los datos moleculares han revolucionado la forma en que la Sistemática establece relaciones de parentesco, aunque no por las razones sugeridas en un primer momento.

Introducción al ADN

Estructura del ADN.

El ADN está presente en todas las células y es el responsable de codificar la información genética del organismo, de una forma similar a que en los libros está codificada la información que contienen en forma de letras y palabras. La estructura del ADN es de una molécula lineal que se suele representar con forma de escalera de caracol, siendo los lados de la escalera cadenas lineales de nucleótidos (cada uno de ellos contiene una base nucleotídica), cada nucleótido está unido a un nucleótido del otro lado de la escalera por puentes de hidrógeno, que suelen ser representados por los peldaños de la escalera.

Para "leer" la información contenida en el ADN se suele tomar una sola de las hebras de la escalera, y leer su secuencia de nucleótidos. Sólo hay 4 posibles nucleótidos, normalmente representados por su inicial en mayúscula: A (adenina), T (timina), C (citosina) y G (guanina). Para formar los "peldaños de la escalera", la adenina sólo puede estar unida a la timina, y viceversa, y la citosina sólo puede estar unida a la guanina, y viceversa (regla mnemotécnica: Aníbal Troilo / Carlos Gardel). Por eso cuando se ha leído una sola de las hebras del ADN, ya se tiene también la información de la complementaria.

La cantidad de ADN leído se mide en número de bases nucleotídicas, así se pueden encontrar unidades de medición como las "kilobases" (una kilobase = mil bases de ADN leídas).

Las mutaciones del ADN

Las mutaciones a las que es sujeto el ADN son: las mutaciones que reemplazan una base por otra (por ejemplo una adenina por una guanina debido al efecto "túnel del protón" donde por acción de la luz UV se forma temporalmente un tercer enlace y si la duplicación del ADN sucede antes que su reparación el cambio de base se convierte en permanente), las mutaciones en que desaparece un trozo de ADN ("deleciones"), las mutaciones en que un trozo de ADN se escinde y se vuelve a unir al resto en otro lugar diferente ("traslocaciones"), las mutaciones en que se duplica una porción del ADN, entre otras. También hay mutaciones en que un trozo de ADN de otra especie es traído por vectores (por lo general virus) e integrado al ADN de la especie estudiada, las llamadas "transferencias horizontales de ADN".

Algunas circunstancias hacen que la tasa de mutaciones sea más alta en algunos organismos que en otros (por factores ambientales, por ejemplo exposición a agentes mutágenos; o por factores genéticos, por ejemplo una ineficiencia en los mecanismos de reparación del ADN).

Debido a que en una misma especie los organismos pueden intercambiar información genética en forma fluida (por ejemplo mediante la reproducción sexual en los que la poseen), las mutaciones que no inducen la muerte del organismo suelen ser transferidas a las generaciones siguientes, dispersándose en la población. Esto se conoce como "acumulación de mutaciones" dentro de una población. Como el intercambio de información genética entre organismos de especies diferentes es muy baja o nula, las mutaciones ocurridas dentro de una población (y a la larga, dentro de una especie) se mantienen dentro de esa población, y de esa especie.

Diferencias entre el ADN del núcleo, de las mitocondrias, y de los cloroplastos

El núcleo de las células de las plantas y los animales contiene genoma de tipo eucariota: el ADN está ordenado en cromosomas, cada cromosoma es una sola molécula de ADN lineal, empaquetada. En cambio, los dos orgánulos con ADN, que son las mitocondrias y en plantas también los cloroplastos, tienen genoma de tipo bacteriano: poseen una molécula de ADN circular por plástido, al igual que sus ancestros que eran bacterias. El tamaño del ADN es mucho mayor en el núcleo que en los orgánulos: en el núcleo es tan grande que se mide en "megabases", en las mitocondrias en cambio, es de unas 200 a 2.500 kilobases, en los cloroplastos es de unas 130 a 160 kbases (una kbase es igual a mil bases, o mil "peldaños de la escalera").

La forma de heredar el ADN también difiere en el núcleo y los orgánulos: mientras que el ADN núcleo se hereda de forma biparental (como el ADN del núcleo de los animales), el ADN de las mitocondrias y el de los cloroplastos de las plantas se hereda por parte de uno solo de los padres, en general por parte de la madre (al igual que las mitocondrias de los animales). Esto es debido a que en general los orgánulos que serán transmitidos a la generación siguiente son los que están albergados en el óvulo.

El orden en que se encuentran los genes en las mitocondrias es variable, y de hecho el genoma de las mitocondrias se reordena espontáneamente con mucha frecuencia (que se "reordene" quiere decir que se corta en pedazos y se vuelven a pegar de una forma distinta de la que estaban). Este reordenamiento ocurre con tanta frecuencia que incluso dentro de una misma planta se encuentran genomas diferentes en mitocondrias diferentes, y por lo tanto no son útiles para diferenciar especies o grupos de especies, ni para establecer parentescos.

En contraste, el ADN de los cloroplastos es estable (no se reordena con tanta frecuencia), tan estable que se encuentran los mismos arreglos de ADN en el genoma de los cloroplastos de todos los descendientes de un ancestro común. Por eso, el ADN de los cloroplastos es el más utilizado en los análisis moleculares de ADN, ya que en ellos, los reordenamientos son raros y por lo tanto por un lado, es más fácil rastrear mutaciones (que dan información de parentesco), y por otro lado, cuando sí ocurre un reordenamiento, al ser tan raros también dan información de parentesco.

El ADN de las mitocondrias se reordena con mucha frecuencia, pero las mutaciones ocurren con mucha menor frecuencia que en los cloroplastos. Por eso, a pesar de que es más difícil de analizar que el genoma de los cloroplastos debido a los reordenamientos, el genoma de las mitocondrias fue utilizado en los análisis moleculares de ADN en que se buscaban parentescos entre parientes lejanos (por ejemplo en las angiospermas basales, Qiu 1999).

El ADN del núcleo acumula muchas mutaciones y posee muchos polimorfismos, por lo que es utilizado para establecer diferencias entre especies cercanas o entre poblaciones de la misma especie. Es más difícil de analizar que el genoma de los orgánulos por lo que sólo se hacen los análisis moleculares del ADN del núcleo en las especies que tienen importancia agrícola.

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