BIOQUÍMICA
Bioquimica Comunicación
Extracción del ADN el hígado y estudio de sus propiedades Mayo 6, 2009. Andrés Garro Marín , Randall Hernández Hernández *
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*Escuela de Química, Universidad Nacional Autóno ma, Heredia, Costa Rica.
La extracción del ADN se puede realizar por una variedad de métodos, depende mucho de las propiedades fisicoquímicas de dicho compuesto. Para aislar los componentes del materi material al nuc nuclei leico co se utiliz utilizan an varios varios procedimie procedimientos, ntos, cromatogr cromatografía afía de columna, columna, electroforesis en gel de acrilamida, ultra centrifugación en gradiente de densidad. Aplicando experimentalmente el método de centrifugación, se llevo a cabo la extracción y determinación cualitativa del material genetico, mediante la prueba de difenilamina, la prueba de biuret y un barrido espectrofotometrico en la region entre 240 y 350 nm.
El Ácido Ácido desoxirri desoxirribonu bonucle cleico ico (ADN), material genético de todos los organismos celulares y casi todos los virus. El ADN lleva la información necesaria para dirigir la síntesis de proteínas y la replicación. Se llama síntesis de proteínas a la producción de las proteínas que necesita la célula o el virus para realizar sus actividades y desarrollarse. La replicación es el conjunto de reacciones por medio de las cuales el ADN se copia a sí mismo cada vez que una célula o un virus se reproduce y transmite a la descendencia la infor informac mación ión que conti contien ene. e. En casi casi todos los organismos celulares el ADN está está orga organi niza zado do en form formaa de cromosomas, situados situados en el núcleo de la célula [1]. La molécula de ADN (figura 1) tiene la estructura de una escalera formada por azúcares, fosfatos y cuatro bases nucleotídicas llamadas adenina (A), timina (T), citosina (C) y guanina (G). El código genético queda determinado por el orden de estas bases, y cada gen
tiene una secuencia única de pares de bases. Los científicos utilizan estas secuencias para localizar la posición de los genes en los cromosomas y elaborar el mapa del genoma humano [3].
Figura 1. Estructura del ADN y sus comp compon onen ente tess adem ad emás ás de sus sus interacciones por medio de puentes de hidrogeno. (Fuente: http://www.wikipedia.com) Cada molécula de ADN está constituida por dos cadenas o bandas formadas por un elevado número de compuestos químicos llamados nucleótidos. Estas cadenas forman una especie de escalera retorcida que se llama doble hélice. Cada nucleótido está formado por tres unidades: una molécula de azúcar llamada desoxirribosa, un grupo fosfato y uno de cuatro posibles compuestos nitrogenados nitrogenados llamados llamados bases: adenina (abreviada como A), guanina (G), timina (T) y citosina (C). La molécula de desox desoxirr irrib ibosa osa ocupa ocupa el centro centro del nucleóti nucleótido do y está está flanque flanqueada ada por un grupo fosfato a un lado y una base al
otro. El grupo fosfato está a su vez unido a la desoxirribosa del nucleótido adyacente de la cadena. Estas subunidades enlazadas desoxirribosafosfato forman los lados de la escalera; las bases están enfrentadas por parejas, mirando hacia el interior, y forman los travesaños [4]. Los nucleótidos de cada una de las dos cadenas que forman el ADN establecen una asociación específica con los correspondientes de la otra cadena. Debido a la afinidad química entre las bases, los nucleótidos que contienen adenina se acoplan siempre con los que contienen timina, y los que contienen citosina con los que contienen guanina. Las bases complementarias se unen entre sí por enlaces químicos débiles llamados enlaces de hidrógeno [3]. En 1953, el bioquímico estadounidense James Watson y el biofísico británico Francis Crick publicaron la primera descripción de la estructura del ADN. Su modelo adquirió tal importancia para comprender la síntesis proteica, la replicación del ADN y las mutaciones, que los científicos obtuvieron en 1962 el Premio Nobel de Medicina por su trabajo [5]. El ADN incorpora las instrucciones de producción de proteínas. Una proteína es un compuesto formado por moléculas pequeñas llamadas aminoácidos, que determinan su estructura y función. La secuencia de aminoácidos está a su vez determinada por la secuencia de bases de los nucleótidos del ADN. Cada secuencia de tres bases, llamada triplete, constituye una palabra del código genétic genéticoo o codón, codón, que especifica especifica un aminoácido aminoácido determinado. determinado. Así, el triplete GAC (guanina, adenina, citosina) es el codón correspondiente al aminoácido leucina, mientras que el CAG (citosina, adenina, guanina) corresponde al aminoácido valina. Por tanto, una proteína formada por 100 aminoácidos queda codificada por un segmento de 300 nucleótidos de ADN. De las dos
cadenas de polinucleótidos que forman una molécula de ADN, sólo una, ll llama amada da paral paralela ela,, conti contien enee la infor informac mación ión neces necesari ariaa para para la producción de una secuencia de aminoácidos determinada. La otra, llamada antiparalela, ayuda a la replicación replicación [2]. La sínte síntesis sis prote proteic icaa comie comienza nza con la separación de la molécula de ADN en sus dos hebras. En un proceso llamado transcripción, una parte de la hebra paralela actúa como plantilla para formar una nueva cadena que se llama ARN mensajero o ARNm. El ARNm sale del núcleo celular y se acopla a los ribosomas, unas estructuras celulares especializadas que actúan como centro de sínte síntesis sis de prote proteín ínas. as. Los aminoácidos aminoácidos son transportados transportados hasta los ribosomas por otro tipo de ARN llamado de transferencia (ARNt). Se inicia un fenómeno llamado traducción que consiste en el enlace de los aminoá aminoáci cidos dos en una secue secuenci nciaa determinada por el ARNm para formar una molécula de proteína [1]. Un gen es una secuencia de nucleótidos de ADN ADN que que espe especi cifi fica ca el orde ordenn de aminoácidos de una proteína por medio de una molécula intermediaria de ARNm. La sustitución de un nucleótido de ADN por otro que contiene una base disti distinta nta hace hace que tod todas as las las célul células as o virus descendientes contengan esa misma secuencia de bases alterada. Como resultado de la sustitución, también puede cambiar la secuencia de aminoácidos de la proteína resultante. Esta alteración de una molécula de ADN se llama mutación. Casi todas las mutaciones son resultado de errores durante el proceso de replicación. La exposición de una célula o un virus a las radia radiaci cione oness o a determ determina inados dos compuestos químicos aumenta la probabilidad de sufrir mutaciones [3]. En casi todos los organismos celulares, la replicación de las moléculas de ADN tiene lugar en el núcleo, justo antes de
la división celular. Empieza con la separación de las dos cadenas de polinucleótidos, cada una de las cuales actúa a continuación como plantilla para el montaje de una nueva cadena complementaria. A medida que la cadena original se abre, cada uno de los nucleótidos de las dos cadenas resultantes atrae a otro nucleótido complementario previamente formado por la célula. Los nucleótidos se unen entre sí mediante enlaces de hidrógeno para formar los travesaños de una nueva molécula de ADN. A medida que los nucleóti nucleótidos dos compleme complementari ntarios os van encajando en su lugar, una enzima llamada ADN polimerasa los une enlazando el grupo fosfato de uno con la molécula de azúcar del siguiente, para así construir la hebra lateral de la nueva molécula de ADN. Este proceso continúa hasta que se ha formado una nueva cadena de polinucleótidos a lo largo de la antigua; se reconstruye así un nueva nueva mol moléc écula ula con con estruc estructur turaa de doble hélice [2]. Existe Existenn numero numerosas sas técni técnicas cas y procedimi procedimiento entoss que emplean emplean los científicos para estudiar el ADN. Una de estas herramientas utiliza un grupo de enzimas especializadas, especializadas, denominadas denominadas enzimas de restricción, que fueron encontradas en bacterias y que se usan como tijeras moleculares para cortar los enlaces fosfato de la molécula de ADN en secuencias específicas. Las cadenas de ADN que han sido cortadas con estas enzimas presentan extremos de cadena sencilla, que pueden unirse a otros fragmentos de ADN que presentan extremos del mismo tipo. Los científicos utilizan este tipo de enzimas para para ll lleva evarr a cabo cabo la tecno tecnolog logía ía del del ADN recombina recombinante nte o ingenier ingeniería ía genética. Esto implica la eliminación de genes específicos de un organismo y su sustitución por genes de otro organismo [3]. Otra herramienta muy útil para trabajar con ADN es un procedimiento llamado
reacc reacción ión en caden cadenaa de la pol polim imera erasa sa (RCP), (RCP), tambié tambiénn conoci conocida da como como PCR por su traducción directa del inglés (polymerase chain reaction). Esta técnica utiliza una enzima denominada ADN polimerasa que copia cadenas de ADN en un proceso que simula la forma en la que el ADN se replica de modo natural en la célula. Este proceso, que ha revolucionado todos los campos de la biología, permite a los científicos obtener gran número de copias a partir de un segmento determinado de ADN [1]. La tecnología denominada huella de ADN (DNA fingerprinting) permite comparar muestras de ADN de diversos orígenes, de manera análoga a la comparación de huellas dactilares. En esta técnica los investigadores utilizan también las enzimas de restricción para romper una molécula de ADN en pequeños fragmentos que separan en un gel al que someten a una corriente eléctri eléctrica ca (electro (electrofores foresis); is); de esta esta manera, los fragmentos se ordenan en función de su tamaño, ya que los más pequeños migran más rápidamente que los de mayor tamaño. Se puede obtener así un patrón de bandas o huella característica de cada organismo. Se utiliza una sonda (fragmento de ADN marca marcado) do) que hibri hibride de (se una específicamente) con algunos de los fragmentos obtenidos y, tras una exposición exposición a una película película de rayos r ayos X, se obtiene una huella de ADN, es decir, un patrón de bandas negras característico para cada tipo de ADN [4]. Un proced procedimi imien ento to denomi denominad nadoo secuen secuenci ciaci ación ón de ADN permi permite te determ determin inar ar el orden orden preci preciso so de bases bases nucleótidas nucleótidas (secuencia) de un fragmento de ADN. La mayoría de los tipos de secuenciación de ADN se basan en una técnica denominada extensión de oligonucleótido oligonucleótido (primer extension) extension) desarroll desarrollada ada por el biól biólogo ogo molecula molecular r británico Frederick Sanger. En esta técnica se lleva a cabo una replicación
de fragmentos específicos de ADN, de tal modo que el extremo del fragmento presenta una forma fluorescente de una de las cuatro bases nucleóti nucleótidas. das. Los modernos secuenciadores de ADN parten de la idea del biólogo molecular esta estado doun unid iden ense se Lero Leroyy Hood Hood,, incorporando ordenadores y láser en el proceso [5]. Los cient científi ífico coss ya han han compl completa etado do la secuenciación del material genético de varios microorganismos, incluyendo la bacte bacteria ria Escher Escheric ichia hia coli coli.. En 1998 1998 se llevó a cabo el reto de la secuenciación del genom genomaa de un organ organism ismoo pluricelular, un gusano nematodo conocido como Caenorhabditis elegans. Desde entonces, la lista de organismos cuyo genoma ha sido secuenciado ha continuado aumentando e incluye, entre otros, la mosca del vinagre (Drosophila melanogaster), el arroz, el ratón, el protozoo Plasmodium falciparum y el mosquito Anopheles gambiae. Más recientemente, en abril de 2003, el consorcio público internacional que integ int egra ra el Proyec Proyecto to Genoma Genoma Humano Humano anunció el desciframiento de la secuencia completa del genoma humano [3]. La investigación sobre el ADN tiene un impacto significativo, especialmente en el ámbito de la medicina. A través de la tecnología del ADN recombinante los cien cientí tífi fico coss pued pueden en modi mo difi fica car r microorganismos que llegan a convertir en auténticas fábricas para producir grandes cantidades de sustancias útiles. Por ejemplo, esta técnica se ha empleado empleado para producir producir insulin insulinaa (necesaria para los enfermos de diabetes) o interferón (muy útil en el trata tratamie miento nto del cáncer cáncer). ). Los Los estudi estudios os sobre el ADN humano también revelan la existe existenci nciaa de genes genes asoci asociado adoss con enfermedades específicas como la fibrosis quística y determinados tipos de cáncer. Esta información puede ser valiosa para el diagnóstico preventivo de varios tipos de enfermedades [1].
La medicina forense utiliza técnicas desarrolladas en el curso de la investigación sobre el ADN para identif identificar icar delincu delincuente entes. s. Las muestras muestras de ADN tomadas de semen, piel o sangre sangre en el escena escenario rio del crimen crimen se comparan con el ADN del sospechoso; el resultado es una prueba que puede utilizarse ante los tribunales (figura 2).
Figura 2.Huellas de ADN obtenidas para un análisis forense. (Fuente: http://www.wikipedia.com) El estudio del ADN también ayuda a los taxónomo taxónomoss a establec establecer er las relacion relaciones es evolutivas entre animales, plantas y otras formas de vida, ya que las especies más cerca cercana nass filoge filogenét nética icame mente nte presentan moléculas de ADN más semejantes entre sí que cuando se compar comparan an con espec especie iess más dista distante ntess evolutivamente. evolutivamente. Por ejemplo, los buitres americanos están más emparentados con las cigüeñas que con los buitres europeos, asiáticos o africanos, a pesar de que que morf mo rfol ológ ógic icam amen ente te y etológicamente son más similares a estos últimos [2]. La agricultura y la ganadería se valen ahora de técnicas de manipulación de ADN conocidas como ingeniería genética y biotecnología. Las estirpes de plantas cultivadas a las que se han transfer transferido ido genes genes pueden pueden rendir rendir cosechas mayores o ser más resistentes a los insectos. También los animales se han sometido a intervenciones de este tipo para obtener razas con mayor producción de leche o de carne o razas de cerd cerdoo más más rica ricass en carn carnee y con con menos grasa [1].
PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL Se llevo a cabo el procedimiento recomendado por Trimiño-AmatoTrimiño-AmatoVillegas-Carballo.1 Se tomaron aproximadamente 50g de hígado de res, se limpio limpio y selecciono selecciono cuidadosamente con el bisturí. Se pesaron 25g de la masa seleccionada, se trituro en el mortero, se transfirió a un beaker de 150mL, se lavaron dos veces con una solución de EDTA- Sacarosa fría decantando y desechando los líquidos. Los sólidos se transfirieron a una licuadora, se añadió 100mL de solución tris-EDTA en la que se licuo a baja velocidad velocidad por 3 minutos. Se centrífugo a 10000g por 10 minutos en centrífuga fría. El sobrenadante se descarto y el sedimento se suspendió con una solución de cloruro de sodio 2.0 M a un volumen final de 100mL. Esta solución se agito y se tomo una alícuota de 5mL la cual se guardo etiquetada como #1 en la refrigeradora r efrigeradora.. El resto de la suspensión se centrífugo de la misma forma, se separo el sobrenadante y se desecho el residuo sólido. Se guardo una alícuota de 5.0mL del sobrenadante en la refrigeradora etiquetado como #2. Se tomaron 50mL del sobrenadante sobrenadante transfiriéndolos transfiriéndolos a un beaker de 250mL, se coloco en un baño con hielo y se añadió lentamente 150mL de etanol al 95% agitando constantemente y dejando escurrir por la varilla de vidrio. Figura 3. ADN semi purificado
Se recogió el ADN enrollado en la varilla de vidrio y se seco con un papel toalla para transferirlo a un erlenmeyer de 50ml al que se le agrego 10mL de
una mezcla cloroformo: alcohol isoamilico. Se guardo en la refrigeradora para la siguiente sesión. Después de una semana se tomo la muestra de ADN guardada en refrigeración y se centrífugo a máxima velocidad durante 10 minutos. Se separo la capa superior con gotero y se añadió a un erlenmeyer de 50mL este procedimiento se llevo a cabo dos veces. Se transfirió el liquido separado a un beaker de 150mL en baño con hielo, se añadió 2.5 volúmenes de etanol frió al 95%, lentamente y con constante agitación con varilla de vidrio se separo el ADN enrollado en la varilla de vidrio, se separaron las fibras las cuales se disolvieron en 10mL de una solución de amortiguador amortiguador salino y se guardo etiquetado como #3. A las muestras # 1,2,3 se les aplico la prueba de difenilamina, mezclando 1mL de muestra y 1mL de reactivo de difenilamina y colocándolo 30minutos en baño maria. A las tres muestra se les aplico prueba de Biuret empleando 1 mL de muestra y 2mL de reactivo de Biuret dejando esperar 15 minutos. Para las muestras #2 y #3 Se llevo a cabo un barrido espectrofotometrico en la región comprendida entre 240 y 350nm. RESULTADOS Cuadro 1: resultado de las pruebas realizadas a las respectivas muestras obtenidas durante la practica. Pruebas Biuret
#1 Positiva (color violeta)
#2 Positiva(color azul ligeramente violeta) Difenilamina Difenilamina Positiva Positiva (color (color celeste) celeste)
#3 Negativo (color azul) Positiva (color celeste
tenue) temperatura se degradan los tejidos del ácido nucleico. La masa de hígado es seleccionada cuidadosamente, limpiándola de tejido conectivo, adiposo, vasos sanguíneos y tegumentos, tegumentos, para dejar libre la materia celular con el fin de obtener el máximo rendimiento rendimiento a la hora de llevar a cabo la extracción. Se llevo cabo la homogenización del material licuándolo con tris-EDTA con lo cual nos garantizamos aislar el material genético de las proteínas y demás material acompañante. Con la primera centrifugación centrifugación se espera Figura 4: Barrido espectrofotmetrico aplicado a obtener el material genético la muestra #2 en un intervalo de 240 a 350nm. sedimentándolo y las proteínas degradas se desechan en el liquido sobrenadante. Cuando disolvimos el sedimento en la solución de cloruro de sodio esperamos suspender el ADN en el liquido debido a que este es soluble en dicha solución a diferencia del ARN que no lo es. La alícuota tomada de la solución anterior etiquetada como #1 resulta dar positiva la prueba de Biuret debido a que todavía se encuentran suspendidas algunas proteínas acompañantes y la prueba de difenilamina resulto positiva lo cual evidencia que el material genético se Figura 5: Barrido espectrofotmetrico aplicado a encuentra suspendido en la solución. la muestra #3 en un intervalo de 240 a 350nm. La solución de cloruro de sodio se centrífugo nuevamente y al separar el residuo sólido se espera desechar las proteínas contenidas y obtener una DISCUSIÓN mayor pureza de ADN en el sobrenadante sobrenadante obtenido. Al tomar una La extracción, purificación e alícuota del sobrenadante etiquetado identificación del a ácido como #2 y aplicarle la prueba de biuret desoxirribonucleico desoxirribonucleico (ADN), a partir del resulta dar positivo pero en menor tejido de hígado de res es un medida ya que la coloración es menos procedimiento procedimiento laborioso y repetitivo, repetitivo, violacea y tiende mas al color azul lo los buenos resultados dependen en gran cual evidencia que se purifico aun mas medida del material de partida el cual el material genético asilándolo de debe ser lo mas fresco posible y de las proteínas presentes. medidas llevadas a cabo durante la Con la certeza de haber purificado practica como la refrigeración de los parcialmente parcialmente es ADN se procede a productos obtenidos, los reactivos y cristalizarlo agregando etanol utilizar centrífuga especial refrigerada. concentrado a la solución sobrenadante, Debido a que al aumentar la se puede apreciar como las hebras de
ADN se van enrollando en la varilla de vidrio mientras se adiciona lentamente el etanol, es en esta parte del experimento experimento donde se comprueba la frescura y calidad del hígado utilizado. Si no se forman las hebras o se forma un ligero precipitado como le ocurrió a algunos compañeros es de esperar que la razón haya sido el estado del material de partida el cual quizás no fue guardado adecuadamente o tenia demasiado tiempo de estar expuesto a las condiciones ambientales. El material obtenido (fig. 6) se disolvió en cloruro de sodio y solución de cloroformo: alcohol isoamilico, hasta la próxima sesión de laboratorio, lo cual pudo representar perdida de material genetico al estar guardado durante una semana.
coloración diferente a la primera cristalización, en este caso es de color naranja. El cual se disolvió en amortiguador amortiguador salino, se guardo y se etiqueto como #3 y al aplicarle la prueba de Biuret resulto negativo lo cual evidencia evidencia un mayor grado de pureza, asilado de las proteínas acompañantes acompañantes y la prueba de difenilamina resulto positiva en las tres muestras evidenciando evidenciando la presencia de desoxirribonucleotid desoxirribonucleotidos os purinicos. Respecto al barrido espectrotométrico espectrotométrico en la muestra #2 se puede ver que la absorbancia disminuye conforme aumenta la longitud de onda. La muestra #3 que presenta mayor pureza tiene un máximo de absorción de 258.35nm que al comparar con el barrido de la muestra #2 que no tiene máximo de absorción en el rango analizado se puede concluir que la mayor cantidad de impurezas presentan muchas interferencias en la absorbancia a lo cual no se puede diferenciar la presencia del ADN. REFERENCIAS
Figura 6: hebras de ADN obtenidas durante la cristalización con etanol, son en forma de cordones blancuzcos.
Al suspender el material y centrifugarlo centrifugarlo por tercera vez se forma un sistema sistema heterogéneo heterogéneo de tres fases. El objetivo de esta parte del experimento es extraer impurezas solubles en la mezcla cloroformo: alcohol isoamilico isoamilico , que tienen carácter no polar como lípidos. Se extrae la capa superior que es la que contiene el ADN, Se llevo a cabo una extracción y centrifugación mas con el fin de obtener un mayor grado de pureza. El liquido obtenido de mayor pureza se cristaliza cristaliza por segunda vez con etanol concentrado concentrado y se puede apreciar que la cristalización esta vez presenta una
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