Analizador de Ácido Nucleico

Este elemento es una expansión del contenido de los cursos y guías de Lawi. Ofrece hechos, comentarios y análisis sobre este tema. [aioseo_breadcrumbs] Nota: Puede interesar asimismo la información sobre el Ácido Ribonucleico.

El Ácido Nucleico

Macromolécula biológica ácida, en forma de cadena, formada por múltiples unidades repetidas de ácido fosfórico, azúcar y bases de purina y pirimidina. Los ácidos nucleicos participan colectivamente en la conservación, replicación y expresión de la información hereditaria en cada célula viva. Hay dos tipos de ácidos nucleicos: el ácido desoxirribonucleico (ADN) y el ácido ribonucleico (ARN). Véase también: Ácido desoxirribonucleico (ADN); Biología molecular; Purina; Pirimidina; Ácido ribonucleico (ARN); Célula (biología)

Ácido desoxirribonucleico

Cada cadena de ADN es una larga molécula polimérica formada por muchos nucleótidos individuales unidos de extremo a extremo. El gran tamaño y la complejidad del ADN vienen indicados por su peso molecular, que suele ser de cientos de millones. El ADN es el constituyente químico de los genes de un organismo; por tanto, es el objeto bioquímico por excelencia del estudio de la genética. La información está contenida en el ADN en forma de secuencia de bloques de construcción de nucleótidos en la cadena de ácido nucleico. Véase también: Gen; Genética

Nucleótidos

El número de bloques de construcción de nucleótidos en el ADN es relativamente pequeño: sólo cuatro nucleótidos constituyen la gran mayoría de las unidades poliméricas del ADN. Se trata de los ácidos desoxiadenílico, desoxiguanílico, desoxicidílico y desoxitimidílico. En aras de la brevedad, estos nucleótidos se simbolizan con las letras A, G, C y T, respectivamente. Cada uno de estos nucleótidos está formado por tres grupos químicos fundamentales: un grupo de ácido fosfórico, un grupo de azúcar de 5 carbonos de desoxirribosa y una base nitrogenada que es un derivado de una purina (adenina o guanina) o una pirimidina (citosina o timina). Véase también: Nucleótido

Estas son las únicas bases principales que se encuentran en la mayor parte del ADN; sin embargo, en secuencias específicas, también se pueden detectar ciertos derivados metilados de estas bases. En cada nucleótido, las subunidades están unidas en el siguiente orden: base de purina o pirimidina-azúcar de ribosa-ácido fosfórico. La eliminación del grupo de ácido fosfórico deja un compuesto de base-azúcar, que se denomina nucleósido. Los nucleósidos y nucleótidos reciben el nombre de la base que contienen.

Es necesario indicar la posición del residuo de ácido fosfórico al describir los nucleótidos. Los nucleótidos sintetizados por las células para su uso como bloques de construcción en los ácidos nucleicos tienen residuos de ácido fosfórico acoplados a la posición 5′ del anillo de azúcar de ribosa. Sin embargo, tras la hidrólisis del ADN, se pueden producir nucleótidos que tienen ácido fosfórico acoplado a la posición 3′ del anillo de azúcar.

En el ADN intacto, los nucleótidos se unen a través de grupos fosforilo que unen la posición 3′ de un grupo de azúcar a la posición 5′ del siguiente grupo de azúcar. Esta unión de 5′ a 3′ de los nucleótidos imparte una polaridad a cada cadena de ADN, que es un factor importante en la capacidad del ADN para formar las estructuras tridimensionales necesarias para su capacidad de replicación y para servir como plantilla genética.

Hélice

En 1953, James Watson y Francis Crick propusieron una estructura de doble hélice para el ADN basada en gran medida en estudios de difracción de rayos X. Anteriormente se sabía que, en la mayoría de los ADN, las proporciones de A a T y de G a C son aproximadamente 1:1. El modelo Watson-Crick atribuye estas proporciones al fenómeno del emparejamiento de bases, en el que cada base de purina de una hebra de ADN se une por hidrógeno a una base de pirimidina complementaria en una hebra de ADN opuesta.

El ADN puede adoptar una estructura llamada forma B, que es una configuración helicoidal derecha que se asemeja a un muelle enrollado. En la mayoría de los ADNs, hay dos hebras simples de ADN que componen cada hélice. Las hebras se enrollan entre sí, con sus cadenas de azúcar-fosfato formando la espiral de la hélice y con sus bases extendiéndose hacia el interior del eje de la hélice. La configuración de las bases permite el enlace de hidrógeno entre purinas y pirimidinas opuestas. Cada uno de los pares de bases se encuentra en un plano aproximadamente en ángulo recto con respecto al eje de la hélice, formando una pila con las dos cadenas de azúcar-fosfato enrolladas alrededor del exterior de la pila. En el modelo Watson-Crick, las dos cadenas de ADN opuestas tienen una polaridad opuesta; es decir, son antiparalelas, con sus extremos 5′ situados en los extremos opuestos de cada molécula de doble cadena. Además, el ADN puede existir en estructuras helicoidales distintas de la forma B. Una de las configuraciones, denominada forma Z, es una estructura helicoidal de mano izquierda. La forma Z puede existir en secuencias de ADN con bases de guanina y citosina alternas y puede ser funcional en regiones de ADN localizadas; sin embargo, se cree que la forma B predomina en la mayoría de los sistemas biológicos.

Secuencias

La secuencia de pares de nucleótidos en el ADN determina todas las características hereditarias de cualquier organismo. El ADN actúa como una plantilla que se copia, mediante el proceso de transcripción, para hacer ARN. El ARN, a su vez, sirve de plantilla en un proceso por el que su información codificada se traduce para determinar las secuencias de aminoácidos de las proteínas. Cada aminoácido de una cadena proteica está especificado por un triplete de nucleótidos (en el ARN) o pares de nucleótidos (en el ADN) conocido como codón. El conjunto de correlaciones entre los aminoácidos y los codones que los especifican se denomina código genético. Cada gen que codifica una proteína contiene, por tanto, una secuencia de tripletes de codones que corresponde a la secuencia de aminoácidos del polipéptido. Esta secuencia de codones puede verse interrumpida por secuencias de ADN intermedias, de modo que la secuencia codificadora completa no es continua. Además de las secuencias codificadoras, también existen secuencias reguladoras, que incluyen secuencias promotoras y operadoras que participan en el inicio de la transcripción del gen y secuencias terminadoras que participan en la detención de la transcripción. Las secuencias reguladoras no están necesariamente formadas por tripletes, como los codones. Para estudiar la regulación de un gen dado, es necesario determinar su secuencia de nucleótidos. Véase también: Aminoácido; Código genético; Proteína; Transcripción

Función

En todas las células vivas, así como en ciertos virus y orgánulos subcelulares, la función del ADN es similar, es decir, codifica la información genética y se replica para transmitirla a las generaciones siguientes. La secuencia de nucleótidos del ADN en cada organismo determina la naturaleza y el número de proteínas a sintetizar, así como la organización del aparato sintetizador de proteínas. Todo el proceso de expresión génica, por el que el flujo de información pasa del ADN al ARN y a la proteína, sigue siendo uno de los ámbitos más fértiles de la investigación biológica molecular.

Ácido ribonucleico

Los ARN son largas cadenas poliméricas de ribonucleótidos unidas de extremo a extremo en un enlace de 5′ a 3′. La principal diferencia química entre el ARN y el ADN radica en la estructura del azúcar ribosa de los bloques individuales de nucleótidos. En concreto, los nucleótidos del ARN poseen un grupo 2′-OH, mientras que los del ADN no. Otra diferencia química importante entre el ARN y el ADN es la sustitución del ácido uridílico, que contiene la base uracilo (2,6-dioxipirimidina) por el ácido timidílico como uno de los cuatro bloques de construcción de los nucleótidos. Así, la incorporación de uridina radiactiva puede utilizarse como medida específica de la síntesis de ARN en las células, mientras que la incorporación de timidina radiactiva puede utilizarse como medida de la síntesis de ADN. Existen otras modificaciones de la estructura del ARN, como la unión de varios grupos químicos (por ejemplo, grupos isopentenilo y sulfhidrilo) a los anillos de purina y pirimidina, la metilación de los azúcares, y el plegado y emparejamiento de bases de secciones de una sola cadena de ARN para formar regiones de estructura secundaria. A diferencia del ADN, casi todo el ARN de las células es monocatenario (excepto las regiones de estructura secundaria) y no está formado por moléculas dúplex de doble hélice. Otra característica distintiva del ARN es su labilidad alcalina. En cambio, el ADN es estable a los álcalis.

Clases

El ARN celular se compone de tres clases principales de moléculas muy diferentes en tamaño y complejidad: el ARN ribosómico, el ARN mensajero y el ARN de transferencia.

ARN ribosómico

La clase de ARN más abundante en las células es el ARN ribosómico (ARNr). Esta clase comprende las especies moleculares que forman parte de la estructura de los ribosomas, que son componentes de la maquinaria de síntesis de proteínas en el citoplasma celular. Las moléculas de ARN predominantes son de tamaño 16S y 23S en las bacterias (el valor S denota la velocidad de sedimentación del ARN tras la ultracentrifugación en agua), y 18S y 28S en la mayoría de las células de mamíferos. Todas las especies de ARN ribosómico son relativamente ricas en residuos G y C. Véase también: Ribosomas

ARN mensajero

Otra clase destacada de ARN son las moléculas de ARN mensajero (ARNm) y sus precursores sintéticos. Los ARN mensajeros son las especies que codifican las proteínas. Se transcriben a partir de genes específicos en el núcleo de la célula y llevan la información genética al citoplasma, donde sus secuencias se traducen para determinar las secuencias de aminoácidos durante el proceso de síntesis de proteínas. Así pues, los ARN mensajeros están formados principalmente por codones triples. La mayoría de los ARN mensajeros derivan de moléculas precursoras más largas que son los productos primarios de la transcripción y que se encuentran en el núcleo. Estos precursores se someten a varios pasos conocidos como procesamiento del ARN, lo que finalmente da lugar a la producción de moléculas mensajeras citoplasmáticas listas para la traducción. Véase también: Núcleo celular

ARN de transferencia

La tercera clase principal de ARN es el ARN de transferencia (ARNt). Los ARN de transferencia son pequeñas moléculas de ARN que poseen una proporción relativamente alta de bases modificadas e inusuales, como la metilinosina o la pseudouridina. Cada molécula de ARN de transferencia posee un anticodón y un sitio de unión de aminoácidos. El anticodón es un triplete complementario al codón del ARN mensajero para un aminoácido concreto. Una molécula de ARN de transferencia unida a su aminoácido particular se denomina cargada. Los ARN de transferencia cargados participan en la síntesis de proteínas; mediante el emparejamiento de bases, se unen a cada codón apropiado en una molécula de ARN mensajero y ordenan así la secuencia de aminoácidos unidos para la polimerización.

Transcripción

El proceso de biosíntesis del ARN a partir de un molde de ADN se denomina transcripción. La transcripción requiere nucleósidos 5′-trifosfatos como precursores y es catalizada por unas enzimas llamadas ARN polimerasas. A diferencia de la replicación del ADN, la transcripción del ARN no es semiconservativa; es decir, sólo se transcribe una cadena de ADN (la cadena “sentido”) para cualquier gen, y el transcrito de ARN resultante se disocia de la cadena de ADN parental. Al igual que en la síntesis de ADN, la síntesis de ARN siempre se realiza en la dirección 5′ a 3′. Dado que la síntesis de ARN no requiere ningún cebador, como ocurre con la síntesis de ADN, el primer nucleótido de cualquier transcripción primaria conserva su grupo 5′-trifosfato. Por lo tanto, una prueba importante para determinar si cualquier molécula de ARN es un transcrito primario es ver si posee un extremo de 5′-trifosfato intacto. Al igual que en la replicación del ADN, el emparejamiento de bases ordena la secuencia de nucleótidos durante la transcripción. En la síntesis del ARN, la uridina (en lugar de la timidina) se empareja con la adenina.

Función

La función biológica principal del ARN es dirigir el proceso de síntesis de proteínas. Las tres clases principales de ARN desempeñan diferentes funciones especializadas con este fin. Los ARN ribosómicos 18S y 28S de los eucariotas se organizan con proteínas y otros ARN más pequeños en las subunidades ribosómicas 45S y 60S, respectivamente. El ribosoma completo sirve de minifábrica donde se reúnen todos los componentes de la síntesis de proteínas durante la traducción del ARN mensajero. El ARN mensajero se une al ribosoma en un punto cercano al codón de inicio de la síntesis de proteínas. Mediante el emparejamiento de bases codón-anticodón entre las secuencias de ARN mensajero y de transferencia, las moléculas de ARN de transferencia que llevan aminoácidos se yuxtaponen para permitir la formación del primer enlace peptídico entre aminoácidos. A continuación, el ribosoma se desplaza a lo largo de la cadena de ARN mensajero a medida que se añaden más aminoácidos a la cadena peptídica.

El ARN de ciertos virus bacterianos cumple una doble función. En ciertos bacteriófagos (virus que infectan células bacterianas), el ARN sirve como mensaje para dirigir la síntesis de las proteínas de la cubierta viral y de las enzimas necesarias para la replicación viral. El ARN también sirve como plantilla para la replicación viral. Las ARN polimerasas virales que copian el ARN en lugar del ADN se fabrican después de la infección. Estas enzimas producen primero una forma intermedia de replicación del ARN vírico que consta de hebras de ARN complementarias. Una de estas hebras sirve entonces como hebra sensitiva para la síntesis de múltiples copias del ARN viral original. Véase también: Bacteriófago; Enzima; Virus

El ARN también sirve como agente genómico de transmisión activa de ciertos virus que infectan células de organismos superiores. Por ejemplo, el virus del sarcoma de Rous, que es un virus tumoral aviar, contiene ARN como componente de ácido nucleico. En este caso, el ARN se copia para formar ADN mediante una enzima llamada transcriptasa inversa. A continuación, el ADN viral se incorpora al genoma de la célula huésped, donde codifica enzimas que participan en la alteración de los procesos celulares normales. Estas enzimas, así como el lugar en el que se integra el virus, regulan la transformación drástica de las funciones celulares, induciendo la división celular y la formación final de un tumor. La transcripción del ADN viral da lugar a la replicación del ARN viral original. Véase también: Transcriptasa inversa; Sarcoma de Rous; Virus tumorales

Datos verificados por: Thompson
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Analizador de Ácido Nucleico en la Ciencia Forense

Analizador de Ácido Nucleico (HANAA) en la Ciencia Forense

El análisis forense suele consistir en el análisis de muestras para detectar la presencia de microorganismos causantes de enfermedades (patógenos).

Avances

En el pasado, este análisis requería medios especializados, incubadoras y otros equipos alojados en un laboratorio.

Sin embargo, la miniaturización del equipo ha permitido que parte de la tecnología de los patógenos se lleve al terreno en forma portátil.

Funcionamiento

En los meses anteriores a la guerra de 2003 en el Iraq, los inspectores de las Naciones Unidas llevaron a cabo análisis forenses en todo el país, buscando pruebas de armas químicas, nucleares y biológicas. Uno de los dispositivos portátiles utilizados permitió detectar algunos patógenos bacterianos basándose en la detección de regiones objetivo de ácido nucleico.

Basado en la experiencia de varios autores, mis opiniones, perspectivas y recomendaciones se expresarán a continuación (o en otros lugares de esta plataforma, respecto a las características en 2026 o antes, y el futuro de esta cuestión):

El dispositivo utilizado es un analizador de ácido nucleico avanzado de mano (HANAA) (se puede analizar algunas de estas cuestiones en la presente plataforma online de ciencias sociales y humanidades). Fue desarrollado por el Laboratorio Nacional Lawrence Livermore en 1999 sobre la base de un modelo anterior del analizador de ácido nucleico ANAA producido en 1997.

HANAA es un sistema basado en la reacción en cadena de la polimerasa (PCR) en tiempo real para la detección de patógenos. Es altamente sensible ya que puede detectar 200 organismos por mililitro. Las pruebas típicas de laboratorio que requieren el crecimiento de bacterias requieren la presencia de millones de bacterias vivas.

El instrumento aprovecha la tecnología de PCR en tiempo real que se ha desarrollado en los últimos años. La amplificación del ADN mediante PCR requiere el calentamiento repetitivo de la muestra (hasta aproximadamente 203° Fahrenheit [95° Celsius]) y el enfriamiento a una temperatura más baja específica para la muestra (normalmente 122 161° Fahrenheit, o 50 72° Celsius). Los instrumentos tradicionales requieren de 2 a 3 horas para completar una ejecución de PCR y tiempo adicional para ejecutar los productos en un gel para detectar muestras positivas. Los nuevos instrumentos de PCR en tiempo real tienen sistemas de calefacción y refrigeración que permiten reducir el tiempo de ejecución a menos de 30 minutos. Los mismos instrumentos también permiten la observación de la formación de productos durante la corrida. Esto se logra mediante la incorporación de métodos de detección fluorescentes para visualizar la formación del producto.

Algunos Aspectos sobre Analizador de Ácido Nucleico (HANAA)

La parte principal del instrumento es un módulo de muestra que contiene un ciclo térmico de silicio miniaturizado de alta eficiencia de calentamiento y enfriamiento. Estas pequeñas unidades térmicas son un gran avance en la tecnología, ya que las baterías pueden soportarlas eficientemente.

Comparación y Proceso

En comparación, la mayoría de los sistemas en tiempo real existentes son comparativamente más grandes y pesados y no pueden funcionar en un campo con facilidad, a pesar de la tecnología igualmente buena para la detección o el tiempo de análisis. HANAA también tiene una ventaja sobre su predecesor ANAA, que era tan grande como una pequeña maleta. HANAA cabe en la palma de la mano y pesa poco menos de dos libras (1 kg). Puede funcionar 1,4 5,5 horas dependiendo de la batería utilizada. Un funcionamiento del instrumento es de aproximadamente 7 20 minutos dependiendo del programa utilizado para la detección.

El proceso de PCR utilizado por HANAA se basa en el uso de sondas del tipo TaqMan, que se basan en un oligonucleótido corto de ADN etiquetado por dos moléculas fluorescentes, un extintor y un reportero. Cuando una sonda se recocina en el ADN, no hay señal, ya que la corta distancia entre el extintor y el reportero hace que la fluorescencia del reportero se apague.

Sin embargo, durante la amplificación, la molécula del reportero se libera y se observa un aumento de la fluorescencia.

HANAA tiene cuatro cámaras para el análisis y puede realizar dos identificaciones independientes en cada cámara; por lo tanto, es capaz de analizar hasta ocho patógenos a la vez. Cada una de las unidades de muestra puede funcionar de forma independiente, lo que hace que el instrumento sea muy flexible en su uso. La unidad se maneja mediante un teclado, y todas las opciones del menú y los resultados se muestran en una pantalla de cristal líquido (LCD) como texto o gráficos de barras. Una muestra positiva es anunciada por una alarma audible.

Muestra

El instrumento y la tecnología siguen dependiendo de la calidad de la muestra y de la falta de posibles inhibidores de la PCR en la muestra.

Sin embargo, la preparación de la muestra es relativamente sencilla. Se prepara una plantilla para la PCR colocando la muestra en un tampón líquido en un pequeño tubo de ensayo (0,020 ml) y se añaden reactivos directamente al mismo tubo.

Revisión de hechos: Robert [rtbs name=”ciencia-forense”]

Recursos

Analizador de Ácido Nucleico (HANAA) en Inglés

Una traducción de analizador de ácido nucleico (hanaa) al idioma inglés es la siguiente: Nucleic Acid Analyzer (HANAA).

Véase También

Comparación de software de simulación de ácidos nucleicos
Historia de la bioquímica
Historia de la biología molecular
Historia de la biología del ARN
Biología molecular – Rama de la biología que estudia la actividad biológica a nivel molecular
Métodos del ácido nucleico
Metabolismo de los ácidos nucleicos
Estructura de los ácidos nucleicos – estructura biomolecular de los ácidos nucleicos como el ADN y el ARN
Termodinámica de los ácidos nucleicos – estudio de cómo la temperatura afecta a la estructura de los ácidos nucleicos
Síntesis de oligonucleótidos – Síntesis química de fragmentos relativamente cortos de ácidos nucleicos con estructura química definida
Cuantificación de ácidos nucleicos

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