Estructura y replicación del ADN

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ADN: LA MOLÉCULA DE LA HERENCIA

¿Toro ordinario o increíble gigantón? Un pequeño cambio en el ADN hace toda la diferencia.

ESTUDIO DE CASO

Músculos, mutaciones y miostatina NO, EL TORO en la fotografía superior no ha levantado pesas: es un Azul Belga, que siempre ha tenido músculos voluminosos. ¿Qué hace que un Azul Belga parezca un fisicoculturista comparado con un toro ordinario, como el Hereford de la fotografía inferior, que sólo parece voluminoso y gordo? Todo está en sus genes.

Cuando un mamífero se desarrolla, sus células se dividen muchas veces, un proceso que es controlado por proteínas sintetizadas a partir de las instrucciones contenidas en sus genes. Con el tiempo, la mayoría de las células dejan de dividirse y se especializan para una función específica. Las células musculares no son la excepción. Cuando tú eres muy joven, las células destinadas para formar tus músculos se multiplican, se fusionan para formar largas células relativamente gruesas, con numerosos núcleos, y sintetizan las proteínas especializadas que permiten la contracción de tus músculos. Una proteína llamada miostatina pone freno al desarrollo muscular. De manera literal, “miostatina” significa

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“hacer que los músculos permanezcan iguales”, y eso es lo que hacen. Conforme los músculos se desarrollan, la miostatina frena, y con el tiempo detiene, la multiplicación de las células premusculares. La miostatina también regula el tamaño final de las células musculares.

Los Azul Belga tienen más células musculares, y más grandes, que el ganado ordinario porque no producen miostatina normal. ¿Por qué no? Como sabes, los genes están hechos de ácido desoxirribonucleico (ADN). Un Azul Belga tiene un cambio, o mutación, en el ADN de su gen miostatina, lo que lo hace ligeramente diferente del ADN del gen miostatina de la mayoría del otro ganado. Como resultado, un Azul Belga produce miostatina defectuosa. Sus células premusculares se multiplican más que lo normal, y las células se vuelven extragrandes conforme se diferencian, lo que produce ganado notablemente musculoso. ¿Cómo codifica el ADN las instrucciones para rasgos como el tamaño muscular, el color de flor y el sexo? ¿Cómo estas instrucciones se transmiten de generación en generación? ¿Y por qué en ocasiones cambian las instrucciones?

CAPÍTULO 12 ADN: la molécula de la herencia

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DE UN VISTAZO 12.1 ¿Cómo descubrieron los científicos que los genes están hechos de ADN? 12.2 ¿Cuál es la estructura del ADN?

12.3 ¿Cómo codifica el ADN información genética?

12.4 ¿Cómo la replicación de ADN asegura la constancia

12.1 ¿CÓMO DESCUBRIERON LOS CIENTÍFICOS QUE LOS GENES ESTÁN HECHOS DE ADN? Hacia comienzos del siglo XX, los científicos habían aprendido que la información genética existe en unidades discretas que llamaron genes, y que los genes son partes de los cromosomas.

Los cromosomas están compuestos sólo por proteína y ADN, de modo que uno de éstos debe ser la molécula de la herencia.

Pero, ¿cuál?

Cepa bacteriana inyectada a ratón (a)

genética durante la división celular?

12.5 ¿Qué son las mutaciones y cómo ocurren?

A finales de la década de 1920, Frederick Griffith, un investigador británico, intentó desarrollar una vacuna para evitar la neumonía bacteriana. Algunas vacunas constaban de una cepa debilitada de bacterias, que no puede causar enfermedad. El inyectar una cepa debilitada, pero todavía viva, en un animal puede estimular la inmunidad contra las cepas causantes de enfermedad (virulentas). Otras vacunas usan bacterias virulentas muertas mediante la exposición a calor o químicos.

Griffith experimentó con dos cepas de la bacteria Streptococcus pneumoniae. Una cepa, llamada R, no causó neumonía

Resultado

Conclusión El ratón permanece sano.

Cepa R viva

La cepa R no causa neumonía.

(b) El ratón contrae neumonía y muere.

La cepa S causa neumonía.

Cepa S viva

(c)

El ratón permanece sano.

Cepa S muerta con calor

La cepa S muerta con calor no causa neumonía.

(d)

Mezcla de cepa R viva y cepa S muerta con calor

El ratón contrae neumonía y muere.

Una sustancia de la cepa S muerta con calor puede transformar la cepa R inocua en una cepa S mortal.

FIGURA 12-1 Transformación en bacterias El descubrimiento de Griffith de que las bacterias pueden transformarse de inocuas a mortales tendió el terreno para el descubrimiento de que los genes están compuestos por ADN.

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UNIDAD 2 Herencia

cuando se inyectó en ratones (FIG. 12-1a), pero inyectar ratones con otra cepa, llamada S, causó neumonía, y mató los ratones en un día o dos (FIG. 12-1b). Como se esperaba, cuando la sepa S se mató con calor antes de inyectarse en los ratones, no causó la enfermedad (FIG. 12-1c). Por desgracia, ni la cepa R viva ni la cepa S muerta con calor ofrecieron inmunidad contra las bacterias de la cepa S viva.

Griffith también intentó inyectar una mezcla de bacterias de cepa R viva y bacterias de la cepa S muertas con calor (FIG. 12-1d). Puesto que ninguna causó neumonía por cuenta propia, él esperaba que los ratones permanecieran sanos. Para su sorpresa, enfermaron y murieron. Cuando realizó la autopsia a los ratones, recuperó de ellos bacterias de cepa S vivas. ¿Cómo los ratones adquirieron bacterias de la cepa S vivas? Griffith hipotetizó que alguna sustancia en la cepa S muerta con calor cambió a las bacterias vivas de la cepa R inocua en la cepa mortal S, un proceso que él llamó transformación. Estas bacterias transformadas podían causar neumonía.

Griffith nunca descubrió una vacuna efectiva contra la neumonía, de modo que, en ese sentido, sus experimentos fueron un fracaso (de hecho, una vacuna efectiva contra Streptococcus pneumoniae no se desarrolló sino hasta finales de la década de 1970).

Sin embargo, los experimentos de Griffith marcaron un punto de inflexión para comprender la genética, porque otros investigadores sospecharon que la sustancia que causaba la transformación podría ser la tan buscada molécula de la herencia.

La molécula transformadora es ADN En 1944, Oswald Avery, Colin MacLeod y Maclyn McCarty descubrieron que la molécula transformadora es el ADN. Ellos aislaron ADN de bacterias de cepa S, las mezclaron con bacterias vivas de cepa R y produjeron bacterias vivas de cepa S. Trataron algunas muestras con enzimas destructoras de proteínas y otras muestras con enzimas destructoras de ADN. Las enzimas destructoras de proteína no evitaron la transformación, pero las enzimas destructoras de ADN sí lo hicieron. Por tanto, concluyeron que la transformación debe causarla el ADN, y no proteína que lo contamina.

Este descubrimiento ayudó a interpretar los resultados de los experimentos de Griffith. Calentar las células de la cepa S las mataba mas no destruía por completo su ADN. Cuando las bacterias de la cepa S muertas con calor se mezclaban con bacterias vivas de la cepa R, fragmentos del ADN de las células muertas de la cepa S entraban en algunas de las células de la cepa R y se incorporaban en los cromosomas de las bacterias de la cepa R (FIG. 12-2). Algunos de estos fragmentos de ADN contenían los genes necesarios para causar neumonía, lo que transforma una célula inocua de cepa R en una célula virulenta de cepa S. Por tanto, Avery, MacLeod y McCarty concluyeron que el ADN es la molécula de la herencia.

Durante la siguiente década siguió acumulándose evidencia de que el ADN es el material genético. Por ejemplo, antes de dividirse, una célula eucarionte duplica sus cromosomas (véase el Capítulo 9) y duplica exactamente el contenido de su ADN, pero no su contenido de proteína, como se esperaría si los genes estuviesen hechos de ADN y no de proteína. No obstante, no todos estaban convencidos, hasta que Alfred Hershey y Martha Chase mostraron que el ADN es el material genético de los bacteriófagos (virus que infectan bacterias), como

cromosoma bacteriano

Fragmentos de ADN se transportan hacia la bacteria.

Un fragmento de ADN se incorpora en el cromosoma.

FIGURA 12-2 El mecanismo molecular de la transformación La transformación puede ocurrir cuando una bacteria viva toma fragmentos de ADN de su ambiente y los incorpora en sus cromosomas.

se describe en el “¿Cómo sabes eso? El ADN es la molécula de la herencia” de la página 202.

COMP RUEBA TU A P RE NDI ZA JE ¿Puedes…

• describir los experimentos de Griffith; Avery, MacLeod y McCarty; y Hershey y Chase?

• explicar por qué estos experimentos mostraron que el ADN es la molécula de la herencia?

12.2 ¿CUÁL ES LA ESTRUCTURA DEL ADN? Saber que los genes están hechos de ADN todavía no responde las preguntas cruciales acerca de la herencia: ¿cómo ADN codifica el ADN la información genética? ¿Cómo se duplica el ADN de modo que una célula pueda transmitir su información hereditaria a sus células hijas? Los secretos de la función y duplicación del ADN se encuentran en la estructura tridimensional de la molécula de ADN.

El ADN está compuesto por cuatro nucleótidos El ADN consta de largas cadenas hechas de subunidades llamadas nucleótidos. Cada nucleótido tiene tres partes: un grupo fosfato, una azúcar llamada desoxirribosa y una de cuatro bases nitrogenadas. Las bases en el ADN son adenina (A), guanina (G), timina (T) y citosina (C) (FIG. 12-3). La adenina y la guanina constan de anillos de cinco y seis miembros fusionados de átomos de carbono

CAPÍTULO 12 ADN: la molécula de la herencia

P

-

CH 2

fosfato

H

O

H

N H

N H N

H

N H base = adenina

OH H azúcar

O-

O P

CH 2

fosfato

N

H

O

O

H

O

H

N

CH 3

O CH 2

fosfato

H

H

O N H

O

H

N H

H base = guanina

P

O

N H

H

O-

O

O

N H

OH H azúcar

-

H

N

H

O

O

-

El ADN es una doble hélice de dos cadenas de nucleótidos

O-

O

N H

O base = timina

H

OH H azúcar

O-

O -

P

O

fosfato

O CH 2 H

H

H

H

H O

N H N

N H

H

201

O base = citosina

A finales de la década de 1940, muchos científicos comenzaron a investigar la estructura del ADN. Los investigadores británicos Maurice Wilkins y Rosalind Franklin usaron una técnica llamada difracción de rayos X para estudiar la molécula de ADN (FIG. 12-4). Aunque los patrones de difracción de rayos X no ofrecen una imagen directa de las moléculas, sí proporcionan considerable información FIGURA 12-4 Difracción de acerca de la forma y esrayos X. Imagen del ADN El patrón tructura moleculares. Wil­ cruzado de manchas oscuras es característico de moléculas helicoikins y Franklin hicieron dales como el ADN. Mediciones de varias deducciones a pardiversos aspectos del patrón indican tir de sus experimentos. las dimensiones de la hélice del ADN: Primera: una molécula de por ejemplo, la distancia entre las ADN es larga y delgada, manchas oscuras corresponde a la con un ancho uniforme distancia entre las vueltas de la hélice. de dos nanómetros (dos mil millonésimas de metro). Segunda: el ADN es helicoidal, y gira como una escalera de caracol. Tercera: el ADN es una hélice doble; esto es: dos cadenas de nucleótidos se enrollan entre sí. Cuarta: el ADN consta de subunidades repetidas. Y quinta: probablemente los fosfatos están en el exterior de la hélice.

De haber tenido tiempo, Franklin y Wilkins tal vez habrían deducido la estructura correcta del ADN. Sin embargo, dos jóvenes científicos, James Watson y Francis Crick (FIG. 12-5), ganaron la primicia. Wilkins compartió con ellos datos de difracción de rayos X, de modo que ellos conocían el tamaño y la forma generales de una molécula de ADN. Al comprender cómo se enlazan

OH H azúcar

FIGURA 12-3 Nucleótidos de ADN

y nitrógeno, con diferentes grupos funcionales unidos al anillo de seis miembros. La timina y la citosina constan de un solo anillo de seis miembros de átomos de carbono y nitrógeno, de nuevo con diferentes grupos funcionales unidos al anillo.

En la década de 1940, el bioquímico Erwin Chargaff analizó las cantidades de las cuatro bases en el ADN de organismos tan diversos como bacterias, erizos de mar, peces y seres humanos.

Descubrió una curiosa consistencia: aunque las proporciones de cada base difieren de especie en especie, para cualquier espe­cie dada, siem­pre hay cantidades iguales de adenina y timina, e iguales cantida­des de guanina y citosina. Sin embargo, sería casi una década después cuando alguien sospechó a qué se debía que esta consistencia, llamada “regla de Chargaff”, fuera cierta.

FIGURA 12-5 James Watson (izquierda) y Francis Crick con su modelo de ADN

202

UNIDAD 2 Herencia

¿CÓMO

SABES ESO?

El ADN es la molécula de la herencia

Avery, MacLeod y McCarty mostraron que la molécula transformadora en las bacterias era el ADN. ¿Esto significaba que el ADN era la molécula de la herencia buscada durante tanto tiempo? Algunos no estaban tan seguros, hasta que Alfred Hershey y Martha Chase casi convencieron a todos los escépticos restantes con un maravilloso conjunto de experimentos en 1952.

ADN recubrimiento proteínico

cabeza

cola

(a) Estructura de un bacteriófago

ADN de fago fago

cromosoma bacteriano

bacteria

1 El fago se une a una bacteria e inyecta sus materiales genéticos.

2 El fago se reproduce dentro de la bacteria.

3 Los fagos descendientes salen de la bacteria.

(b) Reproducción de bacteriófago

FIGURA E12-1 Bacteriófagos (a) Muchos bacteriófagos tienen estructuras complejas, incluidas una cabeza que contiene material genético, fibras de cola que se unen a la superficie de una bacteria y un elaborado aparato para inyectar su material genético en la bacteria. (b) Un bacteriófago se reproduce dentro de una bacteria.

Hershey y Chase estudiaron un tipo de virus, llamado bacteriófago (“fago”, para abreviar), que infecta bacterias (FIG. E12-1).

Cuando un fago encuentra una bacteria, se une a la pared celular bacteriana e inyecta su material genético en la bacteria 1 . El recubrimiento exterior del fago permanece en el exterior. La bacteria no puede distinguir los genes del fago de los suyos propios, de modo que “lee” los genes del fago y usa dicha información para producir más fagos 2 . Al final, la bacteria se lisa y libera los nuevos fagos 3 .

La mayoría de los fagos son químicamente muy simples, y constan sólo de ADN y proteína. Por tanto, una de estas dos moléculas debe ser el material genético del fago. Tanto el ADN como proteína contienen carbono, oxígeno, hidrógeno y nitrógeno. El ADN también contiene fósforo, pero no azufre, mientras que las proteínas contienen azufre, mas no fósforo. Hershey y Chase usaron estas diferencias en la composición del ADN y la proteína para deducir que el ADN es la molécula de la herencia de los bacteriófagos.

(FIG. E12-2).

Hershey y Chase forzaron a un cultivo de fagos para sintetizar ADN usando fósforo radiactivo, lo cual marcó el ADN del fago.

También forzaron a otro cultivo de fagos para sintetizar proteína usando azufre radiactivo, lo que marcó la proteína del fago 1 .

Bacterias fueron infectadas por uno de estos dos cultivos de fagos marcados 2 . Luego las bacterias se pusieron a girar en una mezcladora para desprender de ellas los recubrimientos de los fagos 3 , y después se centrifugaron para separar las bacterias de los recubrimientos de fago 4 .

Hershey y Chase descubrieron que, si las bacterias eran infectadas por fagos que contenían proteína marcada radiactivamente, los recubrimientos de fago resultantes eran radiactivos, pero la bacteria no lo estaba. Si las bacterias eran infectadas por fagos que contenían ADN radiactivo, las bacterias se volvían radiactivas pero los recubrimientos de fago no lo eran 5 . Por tanto, la sustancia inyectada por los fagos en las bacterias era ADN, no proteína.

Más aún: las bacterias infectadas produjeron nuevos fagos, incluso después de remover los recubrimientos proteínicos, lo que demuestra que el material genético era el ADN inyectado, no la proteína en el recubrimiento. En palabras de James Watson, este experimento proporcionó “poderosas nuevas pruebas de que el ADN es el material genético primario”.

PENSAMIENTO CRÍTICO Algunos virus, como el de mosaico del tabaco (VMT), constan de un recubrimiento proteínico que rodea al ácido ribonucleico (ARN) en lugar de al ADN. Algunos años después de los experimentos Hershey-Chase, Heinz FraenkelConrat y varios colegas separaron VMT de dos cepas diferentes (normal y HR) en sus componentes proteínico y ARN. Entonces mezclaron la proteína de la cepa HR con el ARN de la cepa normal, y viceversa. Virus híbridos (o recubrimientos proteínicos HR con ARN normal o recubrimientos proteínicos normales con ARN HR) se ensamblaron de manera espontánea en estas mezclas.

Después permitieron que los virus híbridos infectaran plantas de tabaco y produjeran nuevos virus. Si el ARN es el material genético del VMT, predice el tipo de recubrimientos proteínicos formados por la descendencia de los virus híbridos.