La investigación de la bioquímica del ADN comenzó con
Friedrich Miescher, un biólogo suizo, que realizó, en 1868, los primeros
estudios químicos sistemáticos de los núcleos celulares, y aisló una sustancia
que contenía fósforo, a la que denominó nucleína, a partir de los núcleos de
las células de la pus (leucocitos), obtenida de vendajes quirúrgicos de
desecho. Miescher demostró que dicha nucleína consistía en una porción ácida,
que hoy se conoce como ADN, y una porción básica en la que se encuentra la proteína.
Más tarde descubrió una sustancia similar en la cabeza del espermatozoide del
salmón, y logró purificar parcialmente los ácidos nucleicos y estudiar algunas
de sus propiedades.
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| Experimento de Frederick Griffith (1928) |
En 1928, el microbiólogo Frederick Griffith, de
nacionalidad inglesa, estudió las bases de la patogenicidad de la bacteria Streptococcus pneumoniae, que causa la neumonía. Observó que las células de cepas
patógenas, llamadas S, estaban rodeadas de una cápsula formada por una cubierta
delgada de polisacáridos, y que las cepas mutantes, que carecen de cápsula (R),
no eran patógenas. Los descubrimientos de Griffith fueron sorprendentes:
observó que si la cepa bacteriana R se mezcla con células S muertas por calor,
y después se inyectan a ratones, éstos se infectan y mueren, pero ni las cepas
S muertas por calor, ni las cepas R vivas fueron capaces de infectar cuando se
inyectaron de forma separada. Además, pudo aislar células S vivas,
encapsuladas, a partir de la sangre de ratones muertos. Dedujo entonces que las
células S muertas por calor tenían algo que transformaba a las células R vivas
en células S. Al factor causante de la transformación lo denominó “principio
transformante”, pero no puedo identificarlo.
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| Experimento de Avery, McLeod y McCarty (1944) |
En 1944, Oswald Avery, Colin Macleod y Maclyn McCarty
prepararon extractos libres de células de las bacterias S, fraccionaron los
extractos en varios componentes y probaron su capacidad para transformar
células R en células S in vitro. Encontraron que el principio
transformante residía en el ADN. Una prueba decisiva para confirmar esto fue
que la incubación del extracto con desoxirribonucleasa, una enzima que degrada
específicamente el ADN, acabó con la actividad transformante, mientras que las
enzimas proteolíticas tripsina y quimiotripsina, que degradas proteínas, no
afectaron a esta actividad transformante.
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| Experimento de Hershey y Chase (1952) |
Estudios posteriores realizados con un bacteriófago
que infecta a la bacteria E. coli apoyaron los trabajos de Avery. En
1952, Martha Chase y Alfred D. Hershey prepararon fagos T2 marcados con fósforo
radiactivo (32P), un constituyente del ADN pero no de las proteínas,
y azufre radiactivo (35S), un constituyente de las proteínas pero no
del ADN. Demostraron que, cuando el bacteriófago infecta a su célula huésped (E.
coli), es el ADN de la partícula vírica, que contiene fósforo, y no la
proteína de la cápside del virus, que contiene azufre, el componente que
penetra en la célula huésped y aporta la información genética para la
replicación del virus. Estos experimentos y muchos otros han demostrado que el
ADN es el único componente cromosómico que contiene la información genética en
las células vivas.
A mediados del siglo XX, los genetistas continuaron
con su ofensiva en los secretos de la herencia. El trabajo de Avery y
colaboradores sobre el "factor de transformación" (1928), aunado a la
obra de su precursor Frederick Griffith, dejó bien claro que la información
hereditaria (por ejemplo, para la producción de proteínas) se transmite
mediante sustancias llamadas ácidos nucleicos.
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| Chargaff descubrió una relación en la unión de las bases nitrogenadas en diversos organismos, descubriendo que estos se unían siempre en la misma proporción |
El científico de origen austríaco Erwin Chargaff
emigró a los Estados Unidos en la década de 1930. Después de analizar
afanosamente el ADN proveniente de diferentes organismos, encontró una relación
tan importante que recibió el nombre de Reglas de Chargaff. Tales reglas son
las siguientes:
- La composición de las bases del ADN generalmente varía de una especie a otra.
- Las muestras de ADN aisladas de los diferentes tejidos de la misma especie se componen de las mismas bases.
- La composición de bases del ADN de una determinada especie no varía con la edad del organismo, ni con su estado nutricional, ni con las variaciones ambientales.
- En todos los ADN de diferentes especies, el número de los residuos de adenina es igual al de los residuos de timina (A = T), y el número de residuos de guanina es igual al número de residuos de citosina (G = C). A partir de esta proporción es posible considerar que la suma de los residuos de purinas es igual a la suma de los residuos de pirimidinas, esto es: A + G = T + C.
La determinación de la estructura del ADN por parte de
James Watson y Francis Crick en 1953 marcó el nacimiento de la biología
molecular moderna. La estructura de Watson y Crick del ADN permitió la
determinación del mecanismo molecular de la herencia.
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| Rosalind Franklin y la fotografia 51 |
Rosalind Franklin y Maurice Wilkins utilizaron la
difracción de rayos X para analizar fibras de ADN. A principios de la década de
1950 demostraron que el ADN produce un diagrama de difracción de rayos X
característico. El análisis de los diagramas permitió deducir que las moléculas
del ADN son helicoidales, y que sus bases aromáticas planas forman un
apilamiento paralelo al eje de la fibra. El reto que se planteaba era la
construcción de un modelo tridimensional de la molécula de ADN que explicara
los datos de difracción de rayos X, así como las equivalencias entre bases
descubiertas por Chargaff, junto con otras propiedades químicas del ADN.
Con todos los datos disponibles, en 1953 Watson y
Crick postularon un modelo tridimensional para el ADN. El modelo de Watson y Crick
tiene las siguientes características principales:
- Existen dos cadenas de polinucleótidos enrolladas alrededor de un eje común, formando una doble hélice.
- Las dos cadenas del ADN son antiparalelas (es decir, transcurren en direcciones opuestas), pero cada una forma una hélice dextrógira.
- Las bases ocupan el centro de la hélice y las cadenas de azúcares y fosfatos se sitúan en el exterior. Esto minimiza las repulsiones entre los grupos fosfato cargados. La superficie de la doble hélice contiene dos hendiduras de ancho desigual: los surcos mayor y menor.
- Cada base está unida por puentes de hidrógeno a una base de la hebra opuesta, para formar un par de bases plano. Cada residuo de adenina debe formar pareja con un residuo de timina y viceversa, y cada residuo de guanina debe aparearse con un residuo de citosina y viceversa. Estas interacciones por puentes de hidrógeno, conocidas como apareamiento de bases complementarias, da como resultado la asociación específica de las dos cadenas de la doble hélice.
La doble hélice del ADN se mantiene unida por dos
tipos de fuerzas: los enlaces de hidrógeno entre los pares de bases
complementarias, y las interacciones de apilamiento de las bases. Entre G y C
se pueden formar tres enlaces de hidrógeno, mientras que solamente se pueden
establecer dos entre A y T. Esta es una de las razones de la dificultad para
separar las hebras apareadas del ADN: cuanto mayor sea la relación de pares de
bases G = C con respecto a las A = T, más difícil será su separación. La
complementariedad de las hebras del ADN se debe a los enlaces de hidrógeno que
se establecen entre los pares de bases.
Un gran número de resultados experimentales apoyan las
principales características del modelo de Watson y Crick para el ADN. Además, a
partir del propio modelo, sugirió de inmediato un mecanismo para la transmisión
de la información genética. La complementariedad de las dos hebras del ADN
permitió deducir, antes de disponer de pruebas experimentales, que la
replicación de la estructura podía tener lugar a través de la separación de las
dos hebras y la síntesis de hebras complementarias de cada una de ellas. Cada
hebra hace de molde para dirigir la síntesis de la hebra complementaria. Estas
hipótesis se confirmaron experimentalmente.
Estructuras tridimensionales del ADN
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| Distintas conformaciones del ADN |
El ADN es una molécula muy flexible, que puede
presentar numerosas variaciones estructurales. En el ADN celular se observan
muchas desviaciones significativas de la estructura de Watson y Crick. Estas
variaciones estructurales no tienen ningún efecto sobre las propiedades
fundamentales del ADN definidas por Watson y Crick, y reflejan tres aspectos:
las diferentes conformaciones posibles de la desoxirribosa, la rotación
alrededor de los enlaces del esqueleto de la hélice, y la libre rotación en
torno al enlace glucosídico.
La estructura de Watson y Crick se conoce también como
forma B del ADN o ADN B. La forma B es la estructura más estable que
puede adoptar un ADN de secuencia al azar en condiciones fisiológicas. Las formas
A y Z son dos variantes estructurales.
La forma A predomina en disoluciones relativamente
pobres en agua. El ADN está estructurado en una doble hélice dextrógira, pero
la hélice es más gruesa y el número de pares de bases por vuelta es de 11, en
lugar de los 10.5 de la forma B del ADN. El plano de los pares de bases de la
forma A tiene una inclinación de unos 20° con respecto al eje de la hélice.
Esto hace que el surco mayor sea más profundo y el surco menor más superficial.
El ADN Z supone una mayor desviación de la forma B. Es
una hélice levógira. Contiene 12 pares de bases por vuelta y la estructura es
más delgada y alargada. Las cadenas del ADN adoptan un plegamiento en zigzag.
No está claro si el ADN A se encuentra en las células,
pero hay datos a favor de la presencia de zonas de ADN Z en procariotas y
eucariotas. Estas regiones pueden participar en la regulación de la expresión
de algunos genes o en la recombinación.
FUENTE. Bioquímica. Conceptos esenciales. 2010.
Feduchi, Blasco, Romero, Yánez. Editorial Médica Panamericana.
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