ADN
Historia del ADN El ADN es conocido como la molécula de la herencia y contiene la información necesaria para la generación de todos los organismos eucariontes. Su descubrimiento, estudios y aplicaciones resultaron en el salto a una nueva era, la era del ADN o Genómica. El significado de sus siglas revela su composición molecular, Acido DesoxirriboNucleico y su estructura en doble hélice cada día es más conocida por todos. Hasta mediados del siglo XX no se sospechaba que el ácido desoxirribonucleico, ADN, fuera la molécula capaz de asegurar la transmisión de los caracteres hereditarios de célula a célula, generación tras generación. Su limitada variedad química no permitía suponer que poseyera la versatilidad y ductilidad necesarias para almacenar la información genética de los seres vivos. El ADN fue por primera vez aislado por un biólogo suizo llamado Friedrich Miescher en el año 1869. Este científico que estudiaba la composición química de los leucocitos (glóbulos blancos), describió de sus experimentos que las propiedades de la sustancia aislada rica en fosfatos, sin azufre y resistente a proteasas no correspondía a lípidos ni proteínas. A esta nueva molécula, presente en todos los núcleos celulares, Miescher la llamó nucleína. Luego, con la identificación de su naturaleza acídica se le asignó el nombre genérico de ácido nucleico. Robert Feulgen, en 1914, describió un método para revelar por tinción el ADN, basado en el colorante fucsina. Se encontró, utilizando este método, la presencia de ADN en el núcleo de todas las células eucariotas, específicamente en los cromosomas. En los años 20, Phoebus Levene, en sus estudios de la estructura y función de los ácidos nucleicos, logró determinar la existencia de ADN y ARN, además de que el ADN está formado por 4 bases nitrogenadas Timina y Citosina (pirimidinas), Guanina y Adenina (purinas), un azúcar (desoxirribosa) y un grupo fosfato. Determinó que la unidad básica del ADN estaba conformada por fosfato-azúcar-base nitrogenada a la cual llamó nucleótido. Sin embargo, Levene pensó que se trataban de cadenas cortas y que las bases se repetían en un orden determinado. En el año 1928 Frederick Griffith investigando una enfermedad infecciosa mortal, la neumonía, estudió las diferencias entre una cepa de la bacteria Streptococcus pneumoniae que producía la enfermedad y otra que no la causaba. La cepa que causaba la enfermedad estaba rodeada de una cápsula (también se la conoce como cepa S, del
inglés smooth, o sea lisa, que es el aspecto de la colonia en las placas de Petri). La otra cepa (la R, de rugosa, que es el aspecto de la colonia en la placa de Petri) no tiene cápsula y no causa neumonía. Griffith inyectó las diferentes cepas de la bacteria en ratones. La cepa S mataba a los ratones mientras que la cepa R no lo hacía. Luego comprobó que la cepa S, muerta por calentamiento, no causaba neumonía cuando se la inyectaba. Sin embargo cuando combinaba la cepa S muerta por calentamiento, con la cepa R viva, es decir con componentes individuales que no mata a los ratones e inyectaba la mezcla a los ratones, los
ratones
contraían
la
neumonía
y
morían.
Las bacterias que se aislaban de los ratones muertos poseían cápsula y, cuando se las inyectaba, mataban otros ratones. Frederick Griffith fue capaz de inducir la
transformación de una cepa no patogénica Streptococcus pneumoniae en patogénica. Griffith postuló la existencia de un factor de transformación como responsable de este fenómeno. En 1952 Alfred Hershey y Martha Chase realizaron una serie de experimentos destinados a dilucidar si el ADN o las proteínas era el material hereditario. Marcando el ADN y las proteínas con isótopos radiactivos en un cultivo de un virus, se podía seguir el camino de las proteínas y del ADN en un experimento, demostrando cuál de ellos entraba en la bacteria. Ese sería el material hereditario (factor transformador de Griffith). Dado que el ADN contiene fósforo (P) pero no azufre (S), ellos marcaron el ADN con fósforo-32 radioactivo. Por otra parte, las proteínas no contienen P pero si S, y por lo tanto se
marcaron con azufre-35. Hershey y Chase encontraron que el S-35 queda fuera de la célula mientras que el P-32 se lo encontraba en el interior, indicando que el ADN era el soporte físico de la herencia. Un año después de los experimentos de Hershey-Chase apareció en la revista Nature, un artículo conjunto de Watson y Crick que narraba de forma cautelosa el descubrimiento que habían realizado; comenzaba con estas palabras:" Deseamos sugerir una estructura para la sal del ácido desoxirribonucleico (ADN).Esta estructura posee nuevas características que son de considerable interés biológico". Watson y Crick, escribieron en 1953, “esta estructura tienen una novedosa característica, la cual la hace tener una considerable interés biológico”. Eligiendo los datos más relevantes de un cúmulo de información y analizaron con recortes de cartón y modelos de alambre y metal, fueron capaces de develar la estructura de
la
doble
hélice
de
la
molécula
del
ácido
desoxirribonucleico, ADN, y formularon los principios de almacenamiento y transmisión de la información hereditaria. Este hallazgo les valió el premio Nobel, que compartieron con M.H.F. Wilkins. Con los aportes de Griffith en 1928, los hallazgos de Avery en 1944 y los experimentos de Hershey-Chase en 1952, se logró determinar que el ADN es la molécula responsable de la herencia, Francis Crick y James Watson lograron dilucidar mediante estudios de difracción de rayos X, la estructura molecular de doble hélice del ADN. Ya en el siglo 21, los avances en la tecnología del ADN específicamente en los métodos de secuenciación, han conducido al conocimiento de toda la información genética de una variedad de organismos, como el humano, ratón, pez cebra y A. thaliana, posibilitando enormes avances en disciplinas tan diversas como la biomedicina, paleontología, agricultura, medicina forense entre otras.
Preguntas 1.- ¿Cómo se le conoce al ADN y qué contiene? R= La molécula de la herencia y contiene la información necesaria para la generación de organismos eucariontes. 2.- ¿Por quién y cuándo fue aislado por primera vez el ADN? R= Fue aislado por primera vez por el biólogo Friedrich Miescher en el año de 1869. 3.- ¿Qué molécula encontró Miescher y como la nombró? ¿En dónde la encontró? R= Una molécula rica en fosfatos y sin azufre, la nombró Nucleína. La encontró en los glóbulos blancos. 4.- ¿Cómo dijo Phoebus Levene que el ADN está constituido? R= Por 4 bases nitrogenadas timina, citosina, guanina y adenina, un azúcar (desoxirribosa) y un grupo fosfato. Entonces está conformado por fosfatoazúcar-base nitrogenada. 5.- ¿Quiénes determinaron la estructura de doble hélice y cuándo lo hicieron? R= Watson y Crick en el año de 1953 lo publicaron en la revista Nature.
Estructura del ADN En 1953, el bioquímico estadounidense James Watson y el biofísico británico Francis Crick publicaron la primera descripción de la estructura del ADN. Su modelo adquirió tal importancia para comprender la síntesis proteica, la replicación del ADN y las mutaciones, que los científicos obtuvieron en 1962 el Premio Nobel de Medicina por su trabajo. Cuando se realiza la hidrólisis completa de los ácidos nucleicos, se obtienen tres tipos de componentes principales: -
Azúcar, en concreto una pentosa.
-
Bases nitrogenadas: púricas y pirimidínicas.
-
Ácido fosfórico.
Las bases nitrogenadas que forman parte de los ácidos nucleicos son de dos tipos, púricas y pirimidínicas. Las bases púricas derivadas de la purina (fusión de un anillo pirimidínico y uno de imidazol) son la Adenina (6-aminopurina) y la Guanina (2amino-6-hidroxipurina). Las bases pirimidínicas (derivadas de la pirimidina) son la Timina (2, 6 dihidroxi 5 metilpirimidina o también llamada 5 metiluracilo), Citosina (2-hidroxi-6-aminopirimidina) y Uracilo (2,6-dihidroxipirimidina). Las bases nitrogenadas que forman normalmente parte del ADN son: Adenina (A), Guanina (G), Citosina y Timina (T). La unión de la base nitrogenada a la pentosa recibe el nombre de nucleósido y se realiza a través del carbono 1’ de la pentosa y los nitrógenos de las posiciones 3 (pirimidinas) o 9 (purinas) de las bases nitrogenadas mediante un enlace de tipo N-glucosídico. La unión del nucleósido con el ácido fosfórico se realiza a través de un enlace de tipo éster entre el grupo OH del carbono 5’ de la pentosa y el ácido fosfórico, originando un nucleótido. Los nucleótidos son las unidades o monómeros utilizados para construir largas cadenas de polinucleótidos. -
Nucleósido = Pentosa + Base nitrogenada.
-
Nucleótido = Pentosa + Base nitrogenada + Ácido fosfórico.
-
Polinucleótido = Nucleótido + Nucleótido + Nucleótido + ....
Los nucleótidos se unen entre sí para formar largas cadenas de polinucleótidos, esta unión entre monómeros nucleótidos se realiza mediante enlaces fosfodiéster entre los carbonos de las posiciones 3’ de un nucleótido con la 5’ del siguiente. Cada molécula de ADN está constituida por dos cadenas o bandas formadas por un elevado
número
de
compuestos
químicos llamados nucleótidos. Estas cadenas forman una especie de escalera retorcida
que
se
llama doble
hélice. Cada nucleótido está formado por tres unidades: una molécula de azúcar llamada desoxirribosa, un grupo fosfato y uno de cuatro posibles compuestos
nitrogenados
llamados
bases: adenina (abreviada como A), guanina (G), timina (T) y citosina (C). La molécula de desoxirribosa ocupa el centro del nucleótido y está flanqueada por un grupo fosfato a un lado y una base al otro. El grupo fosfato está a su vez unido a la desoxirribosa del nucleótido adyacente de la cadena. Estas subunidades enlazadas desoxirribosa-fosfato forman los lados de la escalera; las bases están enfrentadas por parejas, mirando hacia el interior, y forman los travesaños.
Los nucleótidos de cada una de las dos cadenas que forman el ADN establecen una asociación específica con los correspondientes de la otra cadena. Debido a la afinidad química entre las bases, los nucleótidos que contienen adenina se acoplan siempre con los que contienen timina, y los que contienen citosina con los que contienen guanina. Las bases complementarias se unen entre sí por enlaces químicos débiles
llamados
enlaces
de
hidrógeno.
Preguntas 1.- ¿Cuáles son los tres componentes principales del ADN? R= Azúcar, en concreto una pentosa, Bases nitrogenadas: púricas y pirimidínicas, Ácido fosfórico. 2.- Menciona los dos tipos de bases nitrogenadas:
R= Púricas y pirimidínicas. 3.- ¿Qué es un nucleósido? R= La unión de la base nitrogenada a la pentosa.
4.- Menciona la unión de las bases nitrogenadas entre sí: R= Adenina con Timina y Citosina con Guanina. 5.- ¿Por qué tipo de enlace se unen las bases complementarias? R= Es un enlace débil llamado enlace de hidrogeno.
Tipos de Enlace Un enlace químico corresponde a la fuerza que une o enlaza a dos átomos, sean estos iguales o distintos. Los enlaces se producen como resultado de los movimientos de los electrones de los átomos, sin importar el tipo de enlace que se forme. Pero no cualquier electrón, puede formar un enlace, sino solamente los electrones del último nivel energético (más externo). A estos se les llama electrones de valencia. Enlace iónico: Un enlace iónico se puede definir como la fuerza que une a dos átomos a través de una cesión electrónica. Una cesión electrónica se da cuando un elemento electropositivo se une con un elemento electronegativo. Mientras mayor sea la diferencia de electronegatividad entre los elementos, más fuerte será el enlace iónico. Se empieza a considerar que dos átomos están unidos a través de un
enlace
iónico
cuando
su
diferencia
de
electronegatividad es superior a 1.7. Enlace Covalente: El enlace covalente es la fuerza que une dos átomos mediante la compartición de un electrón por átomo. Dentro de este tipo de enlace podemos encontrar dos tipos: el enlace covalente polar y el enlace covalente apolar. El primer sub-tipo corresponde a todos aquellos compuestos en donde la diferencia de electronegatividad
de
los
átomos que lo componen va desde 0
hasta
considerar
el
1.7 (sin 0).
Los
compuestos que son polares se caracterizan por ser asimétricos, tener un momento dipolar (el momento dipolar es un factor que indica hacia donde se concentra la mayor densidad electrónica) distinto a 0, son solubles en agua y otros solventes polares, entre otras características.
Enlace Covalente Coordinado o Dativo: Si bien se clasifica también como enlace covalente, algunos químicos difieren de llamarlo así debido a que, como se dijo
anteriormente, en un enlace covalente, los dos átomos que forman dicho enlace aportan un electrón cada uno, es por eso que se le coloca por separado. Este tipo de enlace se caracteriza porque el par electrónico del enlace es entregado por un sólo átomo, el cual debe poseer a lo menos un par de electrones libres sin enlazar (Como el Oxígeno, Nitrógeno o Cloro, por ejemplo). Otra característica importante es que el átomo que acepta el par electrónico debe estar carente de electrones (como el ion hidrógeno [más conocido como protón], el Aluminio, entre otros).
Enlace éster: Enlace entre un grupo alcohol y un grupo carboxílico, formado por la eliminación de una molécula de agua (CO-O-C). Enlace
fosfodiéster: es
covalente que
se
un
tipo
produce
de enlace
entre
un
grupo hidroxilo (OH-) en el carbono 3' y un grupo fosfato (PO43− ) en el carbono 5' del nucleótido entrante, formándose así un doble enlace éster. En esta reacción se libera una molécula de agua y se forma un dinucleótido.
Los
enlaces
fosfodiéster son esenciales para la
vida,
pues
son
los
responsables del esqueleto de las hebras de ADN y ARN.
Puente de hidrógeno: es un enlace que se establece entre moléculas capaces de generar cargas parciales. El agua, es la sustancia en donde los puentes de hidrógeno son más efectivos, en su molécula, los electrones que intervienen en sus enlaces, están más cerca del oxígeno que de los hidrógenos y por esto se generan dos cargas parciales negativas en el extremo donde está el oxígeno y dos cargas parciales positivas en el extremo donde se encuentran los
hidrógenos. La presencia de cargas parciales positivas y negativas hace que las moléculas de agua se comporten como imanes en los que las partes con carga parcial positiva atraen a las partes con cargas parciales negativas. De tal suerte que una sola molécula
de
agua
puede
unirse a otras 4 moléculas de agua a través de 4 puentes de hidrógeno. Interacción hidrofóbica: se produce cuando al plegarse un polipéptido los radicales hidrófobos se acercan debido a que son excluidos por el agua.
Preguntas 1.- ¿Qué es un enlace químico? R= Corresponde a la fuerza que une o enlaza a dos átomos, sean estos iguales o distintos. 2.- ¿Qué enlaces presenta el ADN? R= Enlace éster, enlace fosfodiéster, puente de hidrogeno, interacción hidrofóbica. 3.- ¿Por qué el enlace fosfodiéster es esencial para la vida? R= Son los responsables de las hebras del esqueleto del ADN y el ARN. 4.- ¿Entre que se da el enlace éster? R= Un grupo alcohol y un grupo carboxílico, formado por la eliminación de una molécula de agua 5.- ¿Cuáles son los principales tipos de enlace? R= Iónico y Covalente.