Enzima de restricción para niños
Una enzima de restricción es como una tijera molecular muy especial. Su trabajo es reconocer una secuencia específica de letras (llamadas nucleótidos) dentro de una molécula de ADN y cortar el ADN justo en ese punto. A este lugar donde cortan se le llama sitio o diana de restricción. Estos sitios suelen tener entre cuatro y seis pares de bases (las "letras" del ADN) que la enzima puede identificar.
Cuando una enzima de restricción corta el ADN, rompe dos uniones químicas en la doble cadena. Esto crea dos pedazos de ADN. Estos pedazos pueden tener extremos "romos" (cortes rectos) o "cohesivos" (cortes escalonados o "pegajosos"). Los extremos cohesivos son especiales porque tienden a unirse de nuevo fácilmente con otros extremos que encajen, como piezas de un rompecabezas.
Los pedazos de ADN que se obtienen con estas enzimas pueden unirse de nuevo gracias a otras enzimas llamadas ligasas, que actúan como un pegamento molecular.
Algunas enzimas de restricción, aunque son diferentes y vienen de distintas bacterias, reconocen la misma secuencia de ADN y dejan el mismo tipo de extremo cohesivo. A estas se les llama isoesquizómeros. Por ejemplo, Asp718 y KpnI son isoesquizómeros.
En 1978, el Premio Nobel de Medicina fue entregado a los microbiólogos Werner Arber, Daniel Nathans y Hamilton Smith. Ellos descubrieron estas enzimas de restricción, lo que fue clave para desarrollar una tecnología muy importante llamada ADN recombinante. Gracias a esto, se pudo, por ejemplo, hacer que la bacteria E. coli produjera insulina humana para personas con diabetes.
Las enzimas de restricción son muy útiles para diagnosticar enfermedades genéticas. Estas enfermedades a veces se deben a pequeños cambios en el ADN, como mutaciones o la pérdida o adición de fragmentos. Si estos cambios ocurren en un sitio que una enzima de restricción reconoce, la enzima cortará de forma diferente. Al comparar el ADN de una persona sana con el de una persona con una enfermedad, se pueden ver diferencias en el tamaño de los fragmentos de ADN usando una técnica llamada electroforesis.
Contenido
¿Cómo se protegen las bacterias con estas enzimas?
Las bacterias usan un sistema llamado de restricción-modificación (M-R) para protegerse. Es como un sistema de defensa contra el ADN de invasores, como los virus que intentan atacarlas. Este sistema elimina el ADN que no es de la bacteria.
Pero, ¿cómo sabe la bacteria cuál es su propio ADN y cuál es el de un invasor? Su propio ADN tiene una "marca" especial. Antes de que las enzimas de restricción puedan cortarlo, el ADN de la bacteria es modificado por otras enzimas llamadas metiltransferasas. Estas enzimas añaden pequeños grupos químicos (grupos metilo) a ciertas partes del ADN. Es como poner una etiqueta de "propio" para que las tijeras moleculares no lo corten.
Este sistema fue descubierto en 1968, al estudiar cómo un tipo de virus (fago l) infectaba a dos tipos diferentes de la bacteria Escherichia coli. El sistema M-R tiene dos partes:
- Restricción: Es la parte que corta. Permite a la bacteria defenderse del ADN extraño. Así, la bacteria se protege de virus que podrían dañar su información genética. Las enzimas de restricción cortan el ADN de los invasores.
- Modificación: Es la parte que marca. Consiste en añadir grupos metilo a ciertas bases del ADN de la propia bacteria. Esto lo hace una enzima especial llamada metilasa.
Existen diferentes tipos de estos sistemas, pero los más conocidos son el tipo I y el tipo II:
- ==== Sistemas M-R tipo I ====
Fueron los primeros en ser descubiertos. En estos sistemas, las actividades de cortar (restricción) y marcar (modificación) las realiza un solo grupo grande de proteínas. * Reconocen secuencias de ADN bastante largas. * Cortan el ADN lejos del lugar que reconocen, a unas 1000 bases de distancia, y en lugares no siempre específicos. * Necesitan energía (llamada ATP) para funcionar. * La parte que marca usa una sustancia llamada S-adenosil-metionina (SAM) para añadir los grupos metilo.
- ==== Sistemas M-R tipo II ====
En este caso, las actividades de cortar y marcar las realizan dos proteínas diferentes, que no forman un solo grupo. Más de un tercio de las bacterias tienen al menos un sistema de este tipo. * No necesitan ATP. Solo requieren iones de magnesio (Mg++) para funcionar. La metilasa usa SAM para añadir los grupos metilo. * Cada enzima (la que corta y la que marca) reconoce la misma secuencia específica de ADN. * El sitio que reconocen suele tener 4 o 6 pares de bases y es una secuencia palíndromo (se lee igual de adelante hacia atrás en ambas cadenas de ADN). * La enzima que corta suele estar formada por dos partes iguales. Pueden dejar extremos cohesivos o romos.
Tipos de enzimas de restricción
En general, se conocen tres modelos principales de enzimas de restricción:
- ==== Modelo 1 ====
Una sola enzima, formada por tres partes, tiene la capacidad de cortar y de marcar el ADN. Reconoce una secuencia específica, pero corta el ADN al azar en lugares lejanos a esa secuencia (a unas 1000 bases de distancia). El corte deja extremos cohesivos. Necesitan ATP para moverse por el ADN, además de SAM y Mg++.
- ==== Modelo 2 ====
Estas enzimas solo cortan el ADN. Otras enzimas se encargan de la marcación. El corte se realiza en el sitio de reconocimiento o muy cerca de él, lo que hace que el corte sea muy preciso y predecible. Por esta razón, son muy usadas para copiar genes, ya que permiten obtener secuencias de ADN conocidas. Solo necesitan Mg++, no ATP.
- ==== Modelo 3 ====
Una enzima más compleja realiza todas las actividades. Cortan el ADN a una distancia de 25 a 27 pares de bases del sitio de reconocimiento, dejando extremos cohesivos. Necesitan reconocer dos secuencias en la misma cadena de ADN, pero en direcciones opuestas. Requieren ATP, Mg++ y SAM.
También se han descubierto otros sistemas, como el tipo 4 de E. coli (Eco571), que es una sola enzima que corta solo ADN que ya está marcado en una secuencia específica, y además puede marcarlo.
¿Cómo se nombran las enzimas de restricción?
Las enzimas de restricción tienen nombres especiales que nos dicen de dónde vienen:
- 1º. Las primeras tres letras, en cursiva, corresponden al nombre científico de la bacteria de donde se aisló la enzima. Por ejemplo, Escherichia coli se abrevia Eco, y Haemophilus influenzae se abrevia Hin.
- 2º. Una letra mayúscula que indica la cepa o tipo específico de la bacteria. Por ejemplo, EcoR viene de la cepa "RY13" de E. coli.
- 3º. Un número romano que indica el orden en que se descubrieron las enzimas de esa especie. Por ejemplo, I para la primera, II para la segunda, etc.
- 4º. Aunque no siempre se usa, a veces se añade una "R" de restricción o una "M" de metilasa para indicar su función.
Así, el nombre de la enzima EcoRI se forma de la siguiente manera:
| Nomenclatura | Ejemplo | Corresponde a: |
|---|---|---|
| E | Escherichia | Género de la bacteria |
| co | coli | Especie de la bacteria |
| R | RY13 | Cepa de la bacteria |
| I | La primera enzima identificada | Orden de identificación de la enzima en la bacteria |
Otros ejemplos son HaeII y HaeIII, que vienen de Haemophilus aegyptius, o MboI y MboII, de Moraxella bovis.
Ejemplos de enzimas de restricción
Aquí tienes algunos ejemplos de enzimas de restricción, su origen bacteriano y cómo cortan el ADN:
| Enzima | Origen Bacteriano | Sitio de Reconocimiento | Resultado del Corte |
|---|---|---|---|
| EcoRI | Escherichia coli |
5'GAATTC 3'CTTAAG |
5'---G AATTC---3' 3'---CTTAA G---5' |
| BamHI | Bacillus amyloliquefaciens |
5'GGATCC 3'CCTAGG |
5'---G GATCC---3' 3'---CCTAG G---5' |
| BglII | Baccilus globiggi |
5'AGATCT 3'TCTAGA |
5'---A GATCT---3' 3'---TCTAG A---5' |
| FokI | Flavobacterium okeanokoites |
5'GGATG 3'CCTAC |
|
| DpnI* | Diplococcus pneumoniae |
CH3 | 5'GATC 3'CTAG | CH3 |
CH3 | 5'---GA TC---3' 3'---CT AG---5' | CH3 |
| HindII | Haemophilus influenzae |
5'GTPyPuAC 3'CAPuPyTG |
5' ---GTPy PuAC---3' 3' ---CAPu PyTG---5' |
| HindIII | Haemophilus influenzae |
5'AAGCTT 3'TTCGAA |
5'---A AGCTT---3' 3'---TTCGA A---5' |
| TaqI | Thermus aquaticus |
5'TCGA 3'AGCT |
5'---T CGA---3' 3'---AGC T---5' |
| NotI | Nocardia otitidis |
5'GCGGCCGC 3'CGCCGGCG |
5'---GC GGCCGC---3' 3'---CGCCGG CG---5' |
| HinfI | Haemophilus influenzae |
5'GANTC 3'CTNAG |
5'---G ANTC---3' 3'---CTNA G---5' |
| Sau3A | Staphylococcus aureus |
5'GATC 3'CTAG |
5'--- GATC---3' 3'---CTAG ---5' |
| PovII* | Proteus vulgaris |
5'CAGCTG 3'GTCGAC |
5'---CAG CTG---3' 3'---GTC GAC---5' |
| SmaI* | Serratia marcescens |
5'CCCGGG 3'GGGCCC |
5'---CCC GGG---3' 3'---GGG CCC---5' |
| HaeIII* | Haemophilus aegyptius |
5'GGCC 3'CCGG |
5'---GG CC---3' 3'---CC GG---5' |
| AluI* | Arthrobacter luteus |
5'AGCT 3'TCGA |
5'---AG CT---3' 3'---TC GA---5' |
| EcoRV* | Escherichia coli |
5'GATATC 3'CTATAG |
5'---GAT ATC---3' 3'---CTA TAG---5' |
| KpnI | Klebsiella pneumonia |
5'GGTACC 3'CCATGG |
5'---GGTAC C---3' 3'---C CATGG---5' |
| PstI | Providencia stuartii |
5'CTGCAG 3'GACGTC |
5'---CTGCA G---3' 3'---G ACGTC---5' |
| SacI | Streptomyces achromogenes |
5'GAGCTC 3'CTCGAG |
5'---GAGCT C---3' 3'---C TCGAG---5' |
| SalI | Streptomyces albue |
5'GTCGAC 3'CAGCTG |
5'---G TCGAC---3' 3'---CAGCT G---5' |
| SphI | Streptomyces phaeochromogenes |
5'GCATGC 3'CGTACG |
5'---G CATGC---3' 3'---CGTAC G---5' |
| XbaI | Xanthomonas badrii |
5'TCTAGA 3'AGATCT |
5'---T CTAGA---3' 3'---AGATC T---5' |
| * = ADN queda con extremos romos | |||
¿Cómo ayudan las enzimas de restricción a diagnosticar enfermedades genéticas?
Las enzimas de restricción son herramientas muy valiosas para detectar enfermedades genéticas. Estas enfermedades pueden ser causadas por cambios en el ADN, como la duplicación o pérdida de fragmentos, o por una mutación en una sola "letra" del código genético.
Para diagnosticar, se toma una parte específica del cromosoma donde se sabe que podría estar el cambio genético. Luego, se usa una técnica llamada PCR para hacer muchas copias de esa parte. Después, se añade la enzima o enzimas de restricción. Si hay una mutación en el sitio de corte, la enzima no cortará o cortará de manera diferente.
Finalmente, las muestras se colocan en un gel para una electroforesis. Esta técnica separa los fragmentos de ADN por tamaño. Si la mutación causó que un fragmento se perdiera, veremos un fragmento más pequeño de lo esperado en el gel. Si la mutación impidió un corte, veremos un fragmento más grande. Así, los científicos pueden identificar si una persona tiene o no ciertos cambios genéticos relacionados con enfermedades.
Véase también
En inglés: Restriction enzyme Facts for Kids
- Endonucleasa "casera"
- Lista de endonucleasas de restricción "caseras"
- HpaII
- Actividad star
- CRISPR
