La estructura del ADN, Las funciones del ADN, el código de ADN y la replicación del ADN; son conceptos fundamentales para comprender el funcionamiento de las células.
ADN es la sigla para ácido desoxirribonucleico.
El bioquímico suizo Johann Friedrich Miescher aisló el ADN por primera vez en 1869. Debido a que las moléculas de ADN son ácidas y se encuentran en el núcleo celular, Miescher las llamó ácidos nucleicos. Sin embargo, pasaron más de 80 años antes de que los científicos entendieran que el ADN contiene la información para llevar a cabo las actividades de la célula. Ahora sabemos que también hay ADN en mitocondrias y cloroplastos.
Estructura del ADN
El análisis químico demuestra que el ADN está formado por unidades repetitivas llamadas nucleótidos. Un nucleótido de ADN consiste en un azúcar de cinco carbonos llamado desoxirribosa, un grupo fosfato y una base nitrogenada. Cada nucleótido contiene una de cuatro bases nitrogenadas diferentes: adenina, guanina, citosina y timina. Los 4 nucleótidos se muestran en la figura 1. Arriba, las fórmulas químicas y abajo, una representación.
Los nucleótidos en el ADN se unen en una cadena larga, como se muestra en la figura 2. Tenga en cuenta que el azúcar de un nucleótido está unido al grupo fosfato del siguiente nucleótido. Por lo tanto, la secuencia de una cadena de nucleótidos tiene una dirección definida. El final de la cadena con un grupo fosfato expuesto se llama el extremo 5′ (leído como cinco primo). El otro extremo, con un azúcar expuesto, se llama el extremo 3′.
¿Cómo se descubrió la estructura del ADN?
Durante la década de 1950, tuvo lugar una feroz competencia para determinar la estructura tridimensional del ADN. La carrera fue ganada en 1953 por James Watson, un biólogo estadounidense, y Francis Crick, un físico británico. Su éxito dependió, en gran medida, de la evidencia recopilada por varios bioquímicos.
El químico estadounidense Erwin Chargaff demostró que en el ADN, la cantidad de bases de adenina es igual a la cantidad de bases de timina. El número de bases de guanina es igual al número de bases de citosina. Rosalind Franklin bombardeó el ADN con rayos X, lo que produjo un patrón en una pantalla. Este patrón mostró que el ADN está hecho de estructuras repetitivas.
Usando esta información, Watson y Crick concluyeron que el ADN está compuesto por dos largas cadenas de nucleótidos dispuestos en espiral. La estructura de la molécula parece una escalera retorcida y se llama doble hélice. Los lados de la escalera están hechos de moléculas alternativas de azúcar y fosfato. Los peldaños de la escalera están hechos de bases nitrogenadas unidas por enlaces de hidrógeno.
El modelo de Watson y Crick tiene las bases combinadas de una manera particular. La adenina siempre se combina con timina (A: T o T: A), y la citosina siempre se combina con guanina (C: G o G: C). Una cadena de ADN con la secuencia de bases T-A-G-C-A-T debe tener una cadena asociada con la secuencia A-T-C-G-T-A. Este patrón de emparejamiento de bases se describe como complementario.
Funciones de ADN
Las funciones del ADN se determinaron después de un largo camino. Frederick Griffith, un bacteriólogo británico, proporcionó las primeras pistas.
Él estaba estudiando el efecto de dos cepas de la bacteria neumococo en ratones. Una cepa producía neumonía y la otra era inofensiva. La primera formaba Cápsulas de paredes gruesas que no podían ser atacadas por el sistema inmune. Los ratones morían. La segunda no formaba cápsulas. Griffith mató a las bacterias patógenas con calor y las inyectó en los ratones. Los ratones vivieron. Luego, mezcló las bacterias dañinas muertas con inofensivas vivas y las inyectó en los animales. Los ratones murieron. ¿Qué sucedió? ¿En qué momento las bacterias inofensivas se transformaron en patógenas?
Griffith se dio cuenta de que debía haber algo en las bacterias patógenas que no fue destruido por el calor. Sospechaba que esta sustancia se transfería a la bacteria inofensiva. Concluyó que esta sustancia contenía información genética capaz de transformar las características de las bacterias. La sustancia transformadora fue identificada más tarde por otros investigadores como ADN.
La conexión entre el ADN y la producción de proteínas, se dio como resultado del trabajo realizado por Sir Archibald Garrod, un médico de la familia real inglesa. Estudió una enfermedad llamada alcaptonuria, en la que la orina se vuelve negra cuando se expone al aire porque contiene cantidades anormalmente grandes de un ácido. Garrod descubrió que la acumulación de ácido era causada por una enzima faltante en una reacción bioquímica particular en el metabolismo. Hoy conocemos muchos desórdenes genéticos relacionados con enzimas, u otras proteínas, faltantes o defectuosas.
Poco a poco se determinó que el ADN, es responsable de las características físicas y fisiológicas de los organismos; que regula la síntesis de proteínas; y que está encargado de transmitir los caracteres hereditarios de una generación a otra.
Código de ADN
Una vez que se conocía el papel y la estructura del ADN, el siguiente paso era descubrir cómo la estructura llevaba las instrucciones para construir proteínas. Crick y sus compañeros de trabajo pasaron años tratando de resolver este problema. Sabían que las proteínas desempeñan un papel importante en el metabolismo celular y son los principales componentes de la célula. Pensaban que debía haber una conexión entre el código de ADN y las proteínas producidas por la célula. La secuencia de aminoácidos en una cadena de proteínas determina qué proteína se formará. Por lo tanto, Crick centró su investigación en tratar de encontrar qué determinaba la secuencia de aminoácidos en una proteína.
En 1961, el grupo propuso una hipótesis que finalmente cambió el curso de la investigación biológica. Propusieron que una serie de tres nucleótidos en una molécula de ADN, llamada triplete, codifica un aminoácido. Si tres bases codifican un aminoácido, existen 64 posibilidades, más que suficientes para dar cuenta de los 20 tipos de aminoácidos identificados en las proteínas. En resumen, a partir de esta hipótesis, predijeron que las secuencias de bases en el ADN constituían los códigos para los aminoácidos específicos en una cadena de proteínas. Este «alfabeto» de tripletes de ADN que especifica aminoácidos particulares se llama código genético.
Replicación del ADN
Para que una nueva célula funcione correctamente, debe contener un conjunto completo de instrucciones genéticas. Dado que esta información se transporta en la molécula de ADN, es fundamental que cada célula nueva reciba una copia exacta de la molécula. El ADN es copiado por el proceso de replicación. En la replicación, se sintetizan nuevas cadenas de ADN a partir de un suministro de nucleótidos en el núcleo.
La replicación comienza cuando las enzimas rompen los enlaces de hidrógeno entre los pares de bases complementarias. La separación de las cadenas se produce en muchos lugares de la molécula al mismo tiempo. Los sitios en los que se produce la separación y la replicación se denominan horquillas de replicación.
Donde se separa la molécula de ADN, se exponen las bases. Las enzimas catalizan el apareamiento de nucleótidos que flotan libremente con las bases expuestas. Otras enzimas unen el fosfato de un nucleótido al azúcar del siguiente. El emparejamiento de bases procede en una sola dirección. Cada nueva cadena crece desde su extremo 5′ hasta su extremo 3′. La separación y el emparejamiento de nucleótidos libres continúan hasta que se haya replicado toda la molécula de ADN. Ver figura 3.
La replicación es un proceso muy preciso. Las dos cadenas de nucleótidos originales sirven como molde para construir la cadena complementaria. Cada nueva doble hélice de ADN contiene una cadena de nucleótidos de la molécula original y una cadena recién creada. El proceso de replicación asegura que se preserve el orden exacto de las bases en una molécula de ADN. Del mismo modo, que este pase de una generación de células a la siguiente. Los científicos han aprendido a replicar el ADN. Pueden replicar un trozo de ADN un millón de veces.
Taller de lectura
- ¿Qué es un nucleótido y cómo está formado?
- ¿Cuáles son las bases nitrogenadas?
- Dibuje fórmulas y además, la representación de los nucleótidos.
- ¿Qué significan los extremos 3′ y 5′, en una cadena de nucleótidos?
- dibuje la figura 2.
- ¿Cuáles fueron los aportes de Erwin Chargaff y Rosalind Franklin para determinar la estructura del ADN?
- ¿Según Watson y Crick, cómo está compuesto el ADN?
- ¿Cómo se combinan las bases nitrogenadas en el ADN?
- ¿Cuáles fueron los aportes de Griffith y Garrod, para determinar las funciones del ADN?>
- Escriba las tres funciones del ADN.
- ¿A qué se llama código genético?
- haga un resumen detallado, de la manera como se replica el ADN.
