ADN
El ácido desoxirribonucleico, o ADN, es una macromolécula biológica que transporta información hereditaria en muchos organismos. El ADN es necesario para la producción de proteínas, la regulación, el metabolismo y la reproducción de la célula. Las moléculas de ADN comprimido grandes con proteínas asociadas, llamadas cromatina, están presentes principalmente dentro del núcleo. Algunos orgánulos citoplasmáticos como las mitocondrias también contienen moléculas de ADN.
El ADN suele ser un polímero de nucleótidos bicatenario, aunque también se conoce el ADN monocatenario. Los nucleótidos en el ADN son moléculas hechas de azúcar desoxirribosa, un fosfato y una base nitrogenada. Las bases nitrogenadas en el ADN son de cuatro tipos: adenina, guanina, timina y citosina. El fosfato y los azúcares desoxirribosa forman una estructura similar a una columna vertebral, con las bases nitrogenadas extendiéndose como los peldaños de una escalera. Cada molécula de azúcar está unida a través de su tercer y quinto átomos de carbono a una molécula de fosfato cada una.
Funciones del ADN
El ADN se aisló y descubrió químicamente antes de que se aclararan sus funciones. El ADN y su molécula relacionada, el ácido ribonucleico (ARN), se identificaron inicialmente simplemente como moléculas ácidas que estaban presentes en el núcleo. Cuando se redescubrieron los experimentos de Mendel sobre genética, quedó claro que la herencia probablemente se transmitía a través de partículas discretas y que existía una base bioquímica para la herencia. Una serie de experimentos demostró que entre los cuatro tipos de macromoléculas dentro de la célula (carbohidratos, lípidos, proteínas y ácidos nucleicos), las únicas sustancias químicas que se transmitían consistentemente de una generación a la siguiente eran los ácidos nucleicos.
Cuando quedó claro que el ADN era el material que se transfería de una generación a la siguiente, se comenzaron a investigar sus funciones.
Replicación y herencia
Cada molécula de ADN se distingue por su secuencia de nucleótidos. Es decir, el orden en el que aparecen las bases nitrogenadas dentro de la macromolécula identifica una molécula de ADN. Por ejemplo, cuando se secuenció el genoma humano, se dispusieron los nucleótidos que constituyen cada uno de los 23 pares de cromosomas, como una cadena de palabras en una página. Existen diferencias individuales en estas secuencias de nucleótidos, pero en general, para cada organismo, se conservan grandes tramos. La columna vertebral de fosfato de azúcar, por otro lado, es común a todas las moléculas de ADN, en todas las especies , ya sea en bacterias, plantas, invertebrados o humanos.
Cuando es necesario replicar una molécula de ADN de doble hebra, lo primero que sucede es que las dos hebras se separan a lo largo de un tramo corto, creando una estructura similar a una burbuja. En esta región transitoria de una sola hebra, una serie de enzimas y otras proteínas, incluida la ADN polimerasa, trabajan para crear la hebra complementaria, eligiéndose el nucleótido correcto mediante la formación de enlaces de hidrógeno. Estas enzimas continúan a lo largo de cada hebra creando una nueva molécula de polinucleótido hasta que se replica todo el ADN.
La vida comienza en una sola célula. Para los humanos, este es el cigoto formado por la fertilización de un óvulo por un espermatozoide. Después de esto, toda la deslumbrante variedad de células y tipos de tejidos se produce por división celular. Incluso el mantenimiento de las funciones normales en un adulto requiere una mitosis constante. Cada vez que una célula se divide, el material genético nuclear se duplica. Esto implica que se leen y copian con precisión casi 3.000 millones de nucleótidos. Las ADN polimerasas de alta fidelidad y una serie de mecanismos de reparación de errores garantizan que solo haya un nucleótido incorporado incorrectamente por cada 10 mil millones de pares de bases.
Transcripción
La segunda función importante del material genético es dirigir las actividades fisiológicas de la célula. La mayoría de las funciones catalíticas y funcionales del cuerpo son realizadas por péptidos, proteínas y ARN. La estructura y función de estas moléculas está determinada por secuencias de nucleótidos en el ADN.
Cuando se necesita producir una proteína o una molécula de ARN, el primer paso es la transcripción . Al igual que la replicación del ADN, comienza con la formación transitoria de una región monocatenaria. La región monocatenaria actúa luego como molde para la polimerización de una molécula de ARN polinucleotídica complementaria. Solo una de las dos cadenas de ADN está involucrada en la transcripción. A esto se le llama la hebra plantilla y la otra hebra se llama hebra codificante. Dado que la transcripción también depende del apareamiento de bases complementarias, la secuencia de ARN es casi la misma que la hebra codificante.
El ARN se transcribe en la dirección 5 ‘a 3’.
Mutación y evolución
Una de las principales funciones de cualquier material hereditario es ser replicado y heredado. Para crear una nueva generación, la información genética debe duplicarse con precisión y luego transmitirse. La estructura del ADN asegura que la información codificada dentro de cada hebra de polinucleótidos se replica con asombrosa precisión.
Aunque es importante que el ADN se duplique con un alto grado de precisión, el proceso general de evolución requiere la presencia de variabilidad genética dentro de cada especie. Una de las formas en que esto sucede es a través de mutaciones en moléculas de ADN.
Los cambios en la secuencia de nucleótidos en el material genético permiten la formación de un nuevo alel . Los alelos son variedades diferentes, principalmente funcionales, de cada gen. Por ejemplo, las personas que tienen el grupo sanguíneo B tienen un determinado gen que produce una proteína de superficie particular en los glóbulos rojos. Esta proteína es distinta de los antígenos de superficie en aquellos que tienen el grupo sanguíneo A. De manera similar, las personas con anemia de células falciformes tienen un alelo de hemoglobina diferente en comparación con aquellos que no padecen la enfermedad.
La presencia de esta variabilidad permite que al menos algunas poblaciones sobrevivan cuando se produce un cambio repentino y drástico en el medio ambiente. Por ejemplo, las personas que portan un alelo mutado de la hemoglobina corren el riesgo de padecer anemia de células falciformes. Sin embargo, también tienen una mayor probabilidad de supervivencia en regiones donde la malaria es endémica.
Estas mutaciones y la presencia de variabilidad permiten que las poblaciones evolucionen y se adapten a circunstancias cambiantes.
Ingeniería genética
En otro nivel, el papel del ADN como material genético y la comprensión de su química nos permite manipularlo y usarlo para mejorar la calidad de vida. Por ejemplo, los cultivos genéticamente modificados que son resistentes a las plagas o la sequía se han generado a partir de variedades de tipo silvestre mediante ingeniería genética. Gran parte de la biología molecular depende del aislamiento y la manipulación del ADN para el estudio de los procesos vivos.
Estructura del ADN
Cuando se estableció su papel definitivo en la herencia, la comprensión de la estructura del ADN se volvió importante. Trabajos previos sobre cristales de proteínas guiaron la interpretación de la cristalización y la difracción de rayos X del ADN. La interpretación correcta de los datos de difracción inició una nueva era en la comprensión y manipulación del material genético. Si bien inicialmente, científicos como Linus Pauling sugirieron que el ADN tal vez estaba formado por tres hebras, los datos de Rosalind Franklin respaldaron la presencia de una doble hélice.
Por tanto, la estructura del ADN se dilucidó de forma escalonada a través de una serie de experimentos, desde el aislamiento químico del ácido desoxirribonucleico por Frederich Miescher hasta la cristalografía de rayos X de esta macromolécula por Rosalind Franklin.
Hebras de doble hélice y antiparalelas
La imagen es una representación simplificada de una molécula de ADN corta, con moléculas de azúcar desoxirribosa en naranja, unidas a moléculas de fosfato a través de un tipo especial de enlace covalente llamado enlace fosfodiéster. Cada base nitrogenada está representada por un color diferente: timina en púrpura, adenina en verde, citosina en rojo y guanina en azul. Las bases de cada hebra forman enlaces de hidrógeno entre sí, estabilizando la estructura de doble hebra.
La estructura de la columna vertebral de fosfato de azúcar en una molécula de ADN da como resultado una polaridad química. Cada azúcar desoxirribosa tiene cinco átomos de carbono. De estos, el tercer y quinto átomos de carbono pueden formar enlaces covalentes con restos fosfato a través de enlaces fosfodiéster. Un enlace fosfodiéster tiene esencialmente una molécula de fosfato que forma dos enlaces covalentes y una serie de estos enlaces crea las dos espinas de una molécula de ADN de doble hebra.
La alternancia de residuos de azúcar y fosfato da como resultado que un extremo de cada hebra de ADN tenga un grupo fosfato libre unido al quinto carbono de un azúcar desoxirribosa. A esto se le llama el extremo 5 ‘. El otro extremo tiene un grupo hidroxilo reactivo unido al tercer átomo de carbono de la molécula de azúcar y forma el extremo 3 ‘.
Las dos cadenas de cada molécula de ADN tienen polaridades químicas opuestas. Es decir, al final de cada molécula de ADN de doble hebra, una hebra tendrá un grupo hidroxilo 3 ‘reactivo y la otra hebra tendrá el grupo fosfato reactivo unido al quinto carbono de la desoxirribosa. Por eso se dice que una molécula de ADN está formada por hebras antiparalelas.
Una molécula de ADN puede verse como una escalera, con una columna vertebral de fosfato de azúcar y peldaños de nucleótidos. Sin embargo, una molécula de ADN forma una estructura helicoidal tridimensional, con las bases escondidas dentro de la doble hélice. El enlace de hidrógeno entre nucleótidos permite que la distancia intermolecular entre dos hebras permanezca bastante constante, con diez pares de bases en cada vuelta de la doble hélice.
Complementariedad y replicación
Las bases de nucleótidos de una hebra interactúan con las de la otra hebra a través de dos o tres enlaces de hidrógeno. Este patrón es predecible (aunque existen excepciones), con cada base de timina emparejada con una base de adenina, y los nucleótidos de guanina y citosina forman enlaces de hidrógeno entre sí. Debido a esto, cuando se conoce la secuencia de una sola hebra, los nucleótidos presentes en la hebra complementaria de ADN se revelan automáticamente. Por ejemplo, si una hebra de una molécula de ADN tiene la secuencia 5 ‘CAGCAGCAG 3’, las bases de la otra hebra antiparalela que se emparejan con este tramo serán 5 ‘CTGCTGCTG 3’. Esta propiedad de las cadenas dobles de ADN se denomina complementariedad.
Inicialmente, hubo un debate sobre la forma en que se duplican las moléculas de ADN. Había tres hipótesis principales sobre el mecanismo de replicación del ADN. Las dos hebras complementarias de ADN podrían desenrollarse en tramos cortos y proporcionar la plantilla para la formación de una nueva molécula de ADN, formada completamente a partir de nucleótidos libres. Este método se denominó hipótesis conservadora .
Alternativamente, cada hebra molde podría catalizar la formación de su hebra complementaria a través de la polimerización de nucleótidos. En este modo de replicación semiconservativo , todas las moléculas de ADN duplicadas llevarían una hebra del padre y una hebra recién sintetizada. En efecto, todas las moléculas de ADN duplicadas serían híbridas. La tercera hipótesis afirmaba que cada molécula de ADN grande probablemente se rompió en pequeños segmentos antes de que se replicara. Esto se denominó hipótesis dispersiva y daría lugar a moléculas de mosaico.
Una serie de elegantes experimentos de Matthew Meselson y Franklin Stahl, con la ayuda de Mason MacDonald y Amandeep Sehmbi, apoyaron la idea de que la replicación del ADN era, de hecho, semiconservadora. Al final de cada evento de duplicación, todas las moléculas de ADN llevan una hebra parental y una hebra recién creada a partir de la polimerización de nucleótidos.
Descubrimiento de ADN
A medida que los microscopios comenzaron a ser más sofisticados y proporcionar un mayor aumento, el papel del núcleo en la división celular se volvió bastante claro. Por otro lado, existía la comprensión común de la herencia como la ‘mezcla’ de características maternas y paternas, ya que se había observado la fusión de dos núcleos durante la fecundación.
Sin embargo, el descubrimiento del ADN como material genético probablemente comenzó con el trabajo de Gregor Mendel. Cuando se redescubrieron sus experimentos, salió a la luz una implicación importante. Sus resultados solo podrían explicarse a través de la herencia de partículas discretas, más que a través de la mezcla difusa de rasgos. Aunque Mendel los llamó factores, con el advenimiento de la química a las ciencias biológicas, comenzó una búsqueda de la base molecular de la herencia.
Aislamiento químico de ADN
El ADN fue aislado y purificado químicamente por primera vez por Johann Friedrich Miescher, que estaba estudiando inmunología. Específicamente, estaba tratando de comprender la bioquímica de los glóbulos blancos. Después de aislar los núcleos del citoplasma, descubrió que cuando se agregaba ácido a estos extractos, se separaban de la solución grumos blancos fibrosos que parecían mechones de lana . A diferencia de las proteínas, estos precipitados volvieron a disolverse con la adición de un álcali. Esto llevó a Miescher a concluir que la macromolécula era de naturaleza ácida. Cuando otros experimentos mostraron que la molécula no era ni un lípido ni una proteína, se dio cuenta de que había aislado una nueva clase de moléculas. Dado que se deriva del núcleo, llamó a esta sustancia nucleína.
El trabajo de Albrecht Kossel arrojó más luz sobre la naturaleza química de esta sustancia cuando demostró que la nucleína (o ácido nucleico como se comenzaba a llamar) estaba compuesta de carbohidratos, fosfatos y bases nitrogenadas. Kossel también hizo el importante descubrimiento que conecta el estudio bioquímico de los ácidos nucleicos con el análisis microscópico de las células en división. Vinculó esta sustancia ácida con cromosomas que podían observarse visualmente y confirmó que esta clase de moléculas estaba casi completamente presente solo en el núcleo. El otro descubrimiento importante de Kossel fue vincular los ácidos nucleicos con un aumento del protoplasma y la división celular, fortaleciendo así su conexión con la herencia y la reproducción.
Genes y ADN
A comienzos del siglo XX, la biología molecular experimentó una serie de descubrimientos fundamentales que permitieron comprender mejor las bases químicas de la vida y la división celular. En 1944, los experimentos de tres científicos (Avery, McCarty y McLeod) proporcionaron una fuerte evidencia de que los ácidos nucleicos, específicamente el ADN, era probablemente el material genético. Unos años más tarde, los experimentos de Chargaff mostraron que el número de bases de purina en cada molécula de ADN era igual al número de bases de pirimidina. En 1952, un elegante experimento de Alfred Hershey y Martha Chase confirmó el ADN como material genético.
En ese momento, los avances en la cristalografía de rayos X habían permitido la cristalización del ADN y el estudio de sus patrones de difracción. Finalmente, estas moléculas se pudieron visualizar con mayor granularidad. Los datos generados por Rosalind Franklin permitieron a James Watson y Francis Crick proponer el modelo helicoidal de doble hebra para el ADN, con un esqueleto de azúcar-fosfato. Incorporaron las reglas de Chargaff para las cantidades de purina y pirimidina al mostrar que cada base de purina formaba enlaces de hidrógeno específicos con otra base de pirimidina. Entendieron incluso cuando propusieron esta estructura que habían proporcionado un mecanismo para la duplicación del ADN.
Para visualizar esta molécula, construyeron un modelo tridimensional de un ADN de doble hélice, utilizando plantillas de aluminio. La imagen de arriba muestra la plantilla de la base Timina, con ángulos y longitudes de enlace precisos.
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