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9: Estructura y replicación del ADN - Biología

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9: Estructura y replicación del ADN

9.2 Replicación del ADN

Cuando una célula se divide, es importante que cada célula hija reciba una copia idéntica del ADN. Esto se logra mediante el proceso de replicación del ADN. La replicación del ADN ocurre durante la fase de síntesis, o fase S, del ciclo celular, antes de que la célula entre en mitosis o meiosis.

La elucidación de la estructura de la doble hélice proporcionó una pista sobre cómo se copia el ADN. Recuerde que los nucleótidos de adenina se emparejan con los nucleótidos de timina y la citosina con la guanina. Esto significa que las dos hebras son complementarias entre sí. Por ejemplo, una hebra de ADN con una secuencia de nucleótidos de AGTCATGA tendrá una hebra complementaria con la secuencia TCAGTACT (Figura 9.8).

Debido a la complementariedad de las dos hebras, tener una hebra significa que es posible recrear la otra hebra. Este modelo de replicación sugiere que las dos hebras de la doble hélice se separan durante la replicación, y cada hebra sirve como plantilla desde la que se copia la nueva hebra complementaria (Figura 9.9).

Durante la replicación del ADN, cada una de las dos hebras que forman la doble hélice sirve como plantilla a partir de la cual se copian las nuevas hebras. La nueva hebra será complementaria a la hebra parental o "antigua". Cada nueva hebra doble consta de una hebra parental y una nueva hebra hija. Esto se conoce como replicación semiconservadora. Cuando se forman dos copias de ADN, tienen una secuencia idéntica de bases de nucleótidos y se dividen por igual en dos células hijas.

Replicación del ADN en eucariotas

Debido a que los genomas eucariotas son muy complejos, la replicación del ADN es un proceso muy complicado que involucra varias enzimas y otras proteínas. Ocurre en tres etapas principales: inicio, alargamiento y terminación.

Recuerde que el ADN eucariota se une a proteínas conocidas como histonas para formar estructuras llamadas nucleosomas. Durante la iniciación, el ADN se vuelve accesible a las proteínas y enzimas involucradas en el proceso de replicación. ¿Cómo sabe la maquinaria de replicación por dónde empezar en la doble hélice del ADN? Resulta que hay secuencias de nucleótidos específicas llamadas orígenes de replicación en las que comienza la replicación. Ciertas proteínas se unen al origen de la replicación, mientras que una enzima llamada helicasa se desenrolla y abre la hélice del ADN. A medida que el ADN se abre, se forman estructuras en forma de Y llamadas horquillas de replicación (Figura 9.10). Se forman dos bifurcaciones de replicación en el origen de la replicación, que se extienden en ambas direcciones a medida que avanza la replicación. Existen múltiples orígenes de replicación en el cromosoma eucariota, de modo que la replicación puede ocurrir simultáneamente desde varios lugares del genoma.

Durante el alargamiento, una enzima llamada ADN polimerasa agrega nucleótidos de ADN al extremo 3 'de la plantilla. Debido a que la ADN polimerasa solo puede agregar nuevos nucleótidos al final de una columna vertebral, se agrega una secuencia de cebador, que proporciona este punto de partida, con nucleótidos de ARN complementarios. Este cebador se elimina más tarde y los nucleótidos se reemplazan con nucleótidos de ADN. Una hebra, que es complementaria a la hebra de ADN parental, se sintetiza continuamente hacia la horquilla de replicación para que la polimerasa pueda agregar nucleótidos en esta dirección. Esta hebra sintetizada continuamente se conoce como la hebra principal. Debido a que la ADN polimerasa solo puede sintetizar ADN en una dirección de 5 'a 3', la otra hebra nueva se junta en piezas cortas llamadas fragmentos de Okazaki. Cada uno de los fragmentos de Okazaki requiere un cebador hecho de ARN para iniciar la síntesis. La hebra con los fragmentos de Okazaki se conoce como hebra rezagada. A medida que avanza la síntesis, una enzima elimina el cebador de ARN, que luego se reemplaza con nucleótidos de ADN, y los espacios entre los fragmentos se sellan mediante una enzima llamada ADN ligasa.

El proceso de replicación del ADN se puede resumir de la siguiente manera:

  1. El ADN se desenrolla en el origen de la replicación.
  2. Se agregan nuevas bases a las cadenas parentales complementarias. Una nueva hebra se fabrica de forma continua, mientras que la otra hebra se fabrica en pedazos.
  3. Se eliminan los cebadores, se colocan nuevos nucleótidos de ADN en lugar de los cebadores y la ADN ligasa sella la columna vertebral.

Conexión visual

Aísla una cepa celular en la que la unión de los fragmentos de Okazaki está alterada y sospecha que se ha producido una mutación en una enzima que se encuentra en la bifurcación de replicación. ¿Qué enzima es más probable que sufra una mutación?

Replicación de telómeros

Debido a que los cromosomas eucariotas son lineales, la replicación del ADN llega al final de una línea en los cromosomas eucariotas. Como ha aprendido, la enzima ADN polimerasa puede agregar nucleótidos en una sola dirección. En la cadena principal, la síntesis continúa hasta que se alcanza el final del cromosoma; sin embargo, en la cadena rezagada no hay lugar para hacer un cebador para que el fragmento de ADN se copie al final del cromosoma. Esto presenta un problema para la célula porque los extremos permanecen sin emparejar y, con el tiempo, estos extremos se acortan progresivamente a medida que las células continúan dividiéndose. Los extremos de los cromosomas lineales se conocen como telómeros, que tienen secuencias repetitivas que no codifican un gen en particular. Como consecuencia, son los telómeros los que se acortan con cada ronda de replicación del ADN en lugar de los genes. Por ejemplo, en humanos, una secuencia de seis pares de bases, TTAGGG, se repite de 100 a 1000 veces. El descubrimiento de la enzima telomerasa (figura 9.11) ayudó a comprender cómo se mantienen los extremos de los cromosomas. La telomerasa se adhiere al final del cromosoma y se agregan bases complementarias a la plantilla de ARN en el extremo de la cadena de ADN. Una vez que la plantilla de la hebra rezagada está lo suficientemente alargada, la ADN polimerasa ahora puede agregar nucleótidos que son complementarios a los extremos de los cromosomas. Por tanto, se replican los extremos de los cromosomas.

Por lo general, la telomerasa se encuentra activa en las células germinales, las células madre adultas y algunas células cancerosas. Por su descubrimiento de la telomerasa y su acción, Elizabeth Blackburn (Figura 9.12) recibió el Premio Nobel de Medicina y Fisiología en 2009.

La telomerasa no es activa en células somáticas adultas. Las células somáticas adultas que se someten a división celular continúan acortando sus telómeros. Esto esencialmente significa que el acortamiento de los telómeros está asociado con el envejecimiento. En 2010, los científicos encontraron que la telomerasa puede revertir algunas condiciones relacionadas con la edad en ratones, y esto puede tener potencial en la medicina regenerativa. 1 En estos estudios se utilizaron ratones con deficiencia de telomerasa. Estos ratones tienen atrofia tisular, agotamiento de células madre, insuficiencia del sistema de órganos y respuestas dañadas de los tejidos. La reactivación de la telomerasa en estos ratones provocó la extensión de los telómeros, redujo el daño del ADN, invirtió la neurodegeneración y mejoró el funcionamiento de los testículos, el bazo y los intestinos. Por tanto, la reactivación de los telómeros puede tener potencial para el tratamiento de enfermedades relacionadas con la edad en humanos.

Replicación del ADN en procariotas

Recuerde que el cromosoma procariota es una molécula circular con una estructura enrollada menos extensa que los cromosomas eucariotas. El cromosoma eucariota es lineal y está muy enrollado alrededor de proteínas. Si bien existen muchas similitudes en el proceso de replicación del ADN, estas diferencias estructurales requieren algunas diferencias en el proceso de replicación del ADN en estas dos formas de vida.

La replicación del ADN se ha estudiado muy bien en procariotas, principalmente debido al pequeño tamaño del genoma y al gran número de variantes disponibles. Escherichia coli tiene 4,6 millones de pares de bases en un solo cromosoma circular, y todo se replica en aproximadamente 42 minutos, comenzando desde un solo origen de replicación y avanzando alrededor del cromosoma en ambas direcciones. Esto significa que se agregan aproximadamente 1000 nucleótidos por segundo. El proceso es mucho más rápido que en eucariotas. La tabla 9.1 resume las diferencias entre las replicaciones procariotas y eucariotas.

Propiedad Procariotas Eucariotas
Origen de la replicación Soltero Múltiple
Tasa de replicación 1000 nucleótidos / s 50 a 100 nucleótidos / s
Estructura cromosómica circular lineal
Telomerasa No presente Regalo

Conceptos en acción

Haga clic en un tutorial sobre la replicación del ADN.

Reparación de ADN

La ADN polimerasa puede cometer errores al agregar nucleótidos. Edita el ADN revisando cada base recién agregada. Las bases incorrectas se eliminan y reemplazan por la base correcta, y luego continúa la polimerización (Figura 9.13a). La mayoría de los errores se corrigen durante la replicación, aunque cuando esto no sucede, se emplea el mecanismo de reparación de desajustes. Las enzimas reparadoras de discrepancias reconocen la base incorporada incorrectamente y la extirpan del ADN, reemplazándola con la base correcta (Figura 9.13B). En otro tipo de reparación, la reparación por escisión de nucleótidos, la doble hebra de ADN se desenrolla y se separa, las bases incorrectas se eliminan junto con algunas bases en el extremo 5 'y 3', y estas se reemplazan copiando la plantilla con la ayuda de la ADN polimerasa (Figura 9.13C). La reparación por escisión de nucleótidos es particularmente importante para corregir los dímeros de timina, que son causados ​​principalmente por la luz ultravioleta. En un dímero de timina, dos nucleótidos de timina adyacentes entre sí en una hebra están unidos covalentemente entre sí en lugar de sus bases complementarias. Si el dímero no se quita y repara, dará lugar a una mutación. Las personas con defectos en sus genes de reparación por escisión de nucleótidos muestran una sensibilidad extrema a la luz solar y desarrollan cánceres de piel a una edad temprana.

La mayoría de los errores se corrigen si no es así, pueden resultar en una mutación, definida como un cambio permanente en la secuencia del ADN. Las mutaciones en los genes de reparación pueden tener consecuencias graves como el cáncer.


La estructura del ARN

Hay un segundo ácido nucleico en todas las células llamado ácido ribonucleico o ARN. Como el ADN, el ARN es un polímero de nucleótidos. Cada uno de los nucleótidos del ARN está formado por una base nitrogenada, un azúcar de cinco carbonos y un grupo fosfato. En el caso del ARN, el azúcar de cinco carbonos es ribosa, no desoxirribosa. La ribosa tiene un grupo hidroxilo en el carbono 2 & # 8242, a diferencia de la desoxirribosa, que sólo tiene un átomo de hidrógeno (Figura 9.5).

Figura 9.5 La diferencia entre la ribosa que se encuentra en el ARN y la desoxirribosa que se encuentra en el ADN es que la ribosa tiene un grupo hidroxilo en el carbono 2 & # 8242.

Los nucleótidos de ARN contienen las bases nitrogenadas adenina, citosina y guanina. Sin embargo, lo hacen no contiene timina, que es en cambio reemplazado por uracilo, simbolizado por una "U". El ARN existe como una molécula monocatenaria en lugar de una hélice bicatenaria. Los biólogos moleculares han nombrado varios tipos de ARN en función de su función. Estos incluyen ARN mensajero (ARNm), ARN de transferencia (ARNt) y ARN ribosómico (ARNr), moléculas que participan en la producción de proteínas a partir del código de ADN.


9.2 | Conceptos básicos de la replicación del ADN

La elucidación de la estructura de la doble hélice proporcionó una pista de cómo el ADN se divide y hace copias de sí mismo. Este modelo sugiere que las dos hebras de la doble hélice se separan durante la replicación, y cada hebra sirve como plantilla a partir de la cual se copia la nueva hebra complementaria. Lo que no quedó claro fue cómo se llevó a cabo la replicación. Se sugirieron tres modelos (Figura 9.12): conservador, semiconservador y dispersivo.

Figura 9.12 Los tres modelos sugeridos de replicación del ADN. El gris indica las cadenas de ADN originales y el azul indica el ADN recién sintetizado.


Enzimas principales

El proceso de Replicación de ADN es catalizada por un tipo de enzima llamada ADN polimerasa (escuela politécnica es decir, muchos, mer significando piezas, y & # 8211Plaza bursátil norteamericana es decir, enzima, por lo que una enzima que une muchas piezas de ADN). Observe la Figura 6: la doble hélice de la molécula de ADN original se separa (azul) y se hacen nuevas hebras para que coincidan con las hebras separadas. El resultado serán dos moléculas de ADN, cada una de las cuales contiene una hebra nueva y una antigua. Por tanto, la replicación del ADN se denomina semiconservativa. El término semiconservador se refiere al hecho de que la mitad de la molécula original (una de las dos hebras de la doble hélice) se "conserva" en la nueva molécula. La hebra original se conoce como la hebra de plantilla porque proporciona la información, o plantilla, para la hebra recién sintetizada.

Figura 6. Por Madprime (wikipedia) (replicación de ADN dividida horizontalmente) CC BY-SA 2.0

Replicación de ADN se basa en la naturaleza bicatenaria de la molécula. Una molécula de ADN de doble hebra, cuando se replica, se convertirá en dos moléculas de doble hebra, cada una de las cuales contiene una hebra original y una hebra recién sintetizada. Recuerda que las dos hebras de ADN corren antiparalelas: una desde el 5 ′ al 3 ′ y la otra desde el 3 ′ al 5 ′. La síntesis de la nueva cadena de ADN solo puede ocurrir en una dirección: desde el extremo 5 ′ hasta el 3 ′. En otras palabras, las nuevas bases siempre se agregan al extremo 3 'de la cadena de ADN recién sintetizada. Entonces, si el nuevo nucleótido siempre se agrega al extremo 3 'de un nucleótido existente, ¿dónde primero ¿De dónde provienen los nucleótidos? De hecho, ADN polimerasa necesita un "ancla" para comenzar a agregar nucleótidos: una secuencia corta de ADN o ARN que es complementaria a la hebra molde funcionará para proporcionar un extremo 3 'libre. Esta secuencia se llama cebador (Figura 7).

Figura 7. Imprimación y plantilla

Cómo ADN polimerasa ¿Sabes en qué orden agregar nucleótidos? El emparejamiento de bases específicas en el ADN es la clave para copiar el ADN: si conoce la secuencia de una hebra, puede usar las reglas de emparejamiento de bases para construir la otra hebra. Las bases forman pares (pares de bases) de una manera muy específica. La figura 8 muestra cómo A (adenina) se empareja con T (timina) y GRAMO (guanina) se empareja con C (citosina). Es importante recordar que este enlace es específico: T pares con A, pero no con C. El reconocimiento molecular se produce debido a la capacidad de las bases para formar enlaces de hidrógeno específicos: los átomos se alinean a la perfección para hacer posibles los enlaces de hidrógeno. También tenga en cuenta que una base más grande (purina, A o GRAMO) siempre se empareja con una base más pequeña (pirimidina, C o T).

Figura 8. Estructura química del ADN. Modificación de la estructura química del ADN por Madeleine Price Ball CC-BY-SA-2.0


Resumen del capítulo

Watson y Crick propusieron el modelo de la estructura de doble hélice del ADN. La molécula de ADN es un polímero de nucleótidos. Cada nucleótido está compuesto por una base nitrogenada, un azúcar de cinco carbonos (desoxirribosa) y un grupo fosfato. Hay cuatro bases nitrogenadas en el ADN, dos purinas (adenina y guanina) y dos pirimidinas (citosina y timina). Una molécula de ADN se compone de dos cadenas. Cada hebra está compuesta de nucleótidos unidos covalentemente entre el grupo fosfato de uno y el azúcar desoxirribosa del siguiente. Desde esta columna vertebral se extienden las bases. Las bases de una hebra se unen a las bases de la segunda hebra con enlaces de hidrógeno. La adenina siempre se une a la timina y la citosina siempre se une a la guanina. La unión hace que las dos hebras formen una espiral alrededor de la otra en una forma llamada doble hélice. El ácido ribonucleico (ARN) es un segundo ácido nucleico que se encuentra en las células. El ARN es un polímero de nucleótidos monocatenario. También se diferencia del ADN en que contiene el azúcar ribosa, en lugar de desoxirribosa, y el nucleótido uracilo en lugar de timina. Varias moléculas de ARN funcionan en el proceso de formación de proteínas a partir del código genético del ADN.

Los procariotas contienen un cromosoma circular simple de doble hebra. Los eucariotas contienen moléculas de ADN lineal de doble cadena empaquetadas en cromosomas. La hélice de ADN se envuelve alrededor de proteínas para formar nucleosomas. Las espirales de proteínas se enrollan aún más, y durante la mitosis y la meiosis, los cromosomas se enrollan aún más para facilitar su movimiento. Los cromosomas tienen dos regiones distintas que se pueden distinguir por tinción, que reflejan diferentes grados de empaquetamiento y se determinan por si el ADN en una región se expresa (eucromatina) o no (heterocromatina).

9.2 Replicación del ADN

El ADN se replica mediante un método semiconservador en el que cada una de las dos hebras de ADN parental actúa como molde para la síntesis de nuevo ADN. Después de la replicación, cada ADN tiene una hebra parental o "antigua" y una hebra hija o "nueva".

La replicación en eucariotas comienza en múltiples orígenes de replicación, mientras que la replicación en procariotas comienza en un solo origen de replicación. El ADN se abre con enzimas, lo que da como resultado la formación de la horquilla de replicación. Primase sintetiza un cebador de ARN para iniciar la síntesis por la ADN polimerasa, que puede agregar nucleótidos en una sola dirección. Una hebra se sintetiza continuamente en la dirección de la bifurcación de replicación, esto se denomina hebra principal. La otra hebra se sintetiza en una dirección alejada de la horquilla de replicación, en tramos cortos de ADN conocidos como fragmentos de Okazaki. Esta hebra se conoce como hebra rezagada. Una vez que se completa la replicación, los cebadores de ARN se reemplazan por nucleótidos de ADN y el ADN se sella con ADN ligasa.

Los extremos de los cromosomas eucariotas plantean un problema, ya que la polimerasa no puede extenderlos sin un cebador. La telomerasa, una enzima con una plantilla de ARN incorporada, extiende los extremos copiando la plantilla de ARN y extendiendo un extremo del cromosoma. La ADN polimerasa puede luego extender el ADN usando el cebador. De esta forma se protegen los extremos de los cromosomas. Las células tienen mecanismos para reparar el ADN cuando se daña o se cometen errores en la replicación. Estos mecanismos incluyen la reparación de desajustes para reemplazar los nucleótidos emparejados con una base no complementaria y la reparación por escisión de nucleótidos, que elimina las bases dañadas, como los dímeros de timina.

9.3 Transcripción

En procariotas, la síntesis de ARNm se inicia en una secuencia promotora en la plantilla de ADN. El alargamiento sintetiza nuevo ARNm. La terminación libera el ARNm y se produce por mecanismos que detienen la ARN polimerasa y hacen que se desprenda de la plantilla de ADN. Los ARNm eucariotas recién transcritos se modifican con una tapa y una cola poli-A. Estas estructuras protegen el ARNm maduro de la degradación y ayudan a exportarlo desde el núcleo. Los ARNm eucariotas también se someten a un empalme, en el que se eliminan los intrones y los exones se vuelven a conectar con precisión de un solo nucleótido. Solo los ARNm terminados se exportan del núcleo al citoplasma.

9.4 Traducción

El dogma central describe el flujo de información genética en la célula desde los genes hasta el ARNm y las proteínas. Los genes se utilizan para producir ARNm mediante el proceso de transcripción. El ARNm se utiliza para sintetizar proteínas mediante el proceso de traducción. El código genético es la correspondencia entre el codón de ARNm de tres nucleótidos y un aminoácido. El código genético es "traducido" por las moléculas de ARNt, que asocian un codón específico con un aminoácido específico. El código genético está degenerado porque 64 codones tripletes en el ARNm especifican solo 20 aminoácidos y tres codones de terminación. Esto significa que más de un codón corresponde a un aminoácido. Casi todas las especies del planeta utilizan el mismo código genético.

Los jugadores en la traducción incluyen la plantilla de ARNm, ribosomas, ARNt y varios factores enzimáticos. La pequeña subunidad ribosómica se une a la plantilla de ARNm. La traducción comienza en el AUG de inicio en el ARNm. La formación de enlaces se produce entre los aminoácidos secuenciales especificados por la plantilla de ARNm según el código genético. El ribosoma acepta ARNt cargados y, a medida que avanza a lo largo del ARNm, cataliza la unión entre el nuevo aminoácido y el extremo del polipéptido en crecimiento. El ARNm completo se traduce en "pasos" de tres nucleótidos del ribosoma. Cuando se encuentra un codón de parada, un factor de liberación se une y disocia los componentes y libera la nueva proteína.

9.5 Cómo se regulan los genes

Si bien todas las células somáticas de un organismo contienen el mismo ADN, no todas las células de ese organismo expresan las mismas proteínas. Los organismos procariotas expresan todo el ADN que codifican en cada célula, pero no necesariamente todos al mismo tiempo. Las proteínas se expresan solo cuando se necesitan. Los organismos eucariotas expresan un subconjunto del ADN que está codificado en cualquier célula dada. En cada tipo de célula, el tipo y la cantidad de proteína se regula controlando la expresión génica. Para expresar una proteína, el ADN se transcribe primero en ARN, que luego se traduce en proteínas. En las células procariotas, estos procesos ocurren casi simultáneamente. En las células eucariotas, la transcripción ocurre en el núcleo y está separada de la traducción que ocurre en el citoplasma. La expresión génica en procariotas está regulada sólo a nivel transcripcional, mientras que en células eucariotas, la expresión génica está regulada a nivel epigenético, transcripcional, postranscripcional, traduccional y postraduccional.


9: Estructura y replicación del ADN - Biología

Los componentes básicos del ADN son los nucleótidos. Los componentes importantes de cada nucleótido son una base nitrogenada, desoxirribosa (azúcar de 5 carbonos) y un grupo fosfato (ver Figura 1). Cada nucleótido se nombra según su base nitrogenada. La base nitrogenada puede ser una purina, como adenina (A) y guanina (G), o una pirimidina, como citosina (C) y timina (T). El uracilo (U) también es una pirimidina (como se ve en la Figura 1), pero solo ocurre en el ARN, del que hablaremos más adelante.

Figura 1. Cada nucleótido está formado por un azúcar, un grupo fosfato y una base nitrogenada. El azúcar es desoxirribosa en el ADN y ribosa en el ARN.

Las purinas tienen una estructura de doble anillo con un anillo de seis miembros fusionado a un anillo de cinco miembros. Las pirimidinas son de tamaño más pequeño y tienen una estructura de anillo única de seis miembros.

El azúcar es desoxirribosa en el ADN y ribosa en el ARN. Los átomos de carbono del azúcar de cinco carbonos se numeran 1 & # 8242, 2 & # 8242, 3 & # 8242, 4 & # 8242, y 5 & # 8242 (1 & # 8242 se lee como "un primo"). El fosfato, que hace que el ADN y el ARN sean ácidos, se conecta al carbono 5 & # 8242 del azúcar mediante la formación de un enlace éster entre el ácido fosfórico y el grupo 5 & # 8242-OH (un éster es un ácido + un alcohol). En los nucleótidos de ADN, el carbono 3 & # 8242 del azúcar desoxirribosa está unido a un grupo hidroxilo (OH). En los nucleótidos de ARN, el carbono 2 & # 8242 de la ribosa del azúcar también contiene un grupo hidroxilo. La base está unida al carbono 1 & # 8217 del azúcar.

Los nucleótidos se combinan entre sí para producir enlaces fosfodiéster. El residuo de fosfato unido al carbono 5 & # 8242 del azúcar de un nucleótido forma un segundo enlace éster con el grupo hidroxilo del carbono 3 & # 8242 del azúcar del siguiente nucleótido, formando así un fosfodiéster 5 & # 8242-3 & # 8242 vínculo. En un polinucleótido, un extremo de la cadena tiene un fosfato 5 & # 8242 libre y el otro extremo tiene un 3 & # 8242-OH libre. Estos se denominan extremos 5 & # 8242 y 3 & # 8242 de la cadena.

En la década de 1950, Francis Crick y James Watson trabajaron juntos para determinar la estructura del ADN en la Universidad de Cambridge, Inglaterra. Otros científicos como Linus Pauling y Maurice Wilkins también estaban explorando activamente este campo. Pauling había descubierto previamente la estructura secundaria de las proteínas mediante cristalografía de rayos X. En el laboratorio de Wilkins, la investigadora Rosalind Franklin estaba usando métodos de difracción de rayos X para comprender la estructura del ADN. Watson y Crick pudieron armar el rompecabezas de la molécula de ADN sobre la base de los datos de Franklin & # 8217 porque Crick también había estudiado la difracción de rayos X (Figura 2). En 1962, James Watson, Francis Crick y Maurice Wilkins recibieron el Premio Nobel de Medicina. Desafortunadamente, para entonces Franklin había muerto y los premios Nobel no se otorgan póstumamente.

Figura 2. El trabajo de científicos pioneros (a) James Watson, Francis Crick y Maclyn McCarty condujo a nuestra comprensión actual del ADN. La científica Rosalind Franklin descubrió (b) el patrón de difracción de rayos X del ADN, que ayudó a dilucidar su estructura de doble hélice. (crédito a: modificación del trabajo de Marjorie McCarty, Public Library of Science)

Watson y Crick propusieron que el ADN está formado por dos hebras que se retuercen entre sí para formar una hélice a la derecha. El emparejamiento de bases tiene lugar entre una purina y pirimidina en hebras opuestas, de modo que A se empareja con T y G se empareja con C (sugerido por Chargaff & # 8217s Rules). Por tanto, la adenina y la timina son pares de bases complementarios, y la citosina y la guanina también son pares de bases complementarios. Los pares de bases están estabilizados por enlaces de hidrógeno: la adenina y la timina forman dos enlaces de hidrógeno y la citosina y la guanina forman tres enlaces de hidrógeno. Las dos hebras son de naturaleza antiparalela, es decir, el extremo 3 y # 8242 de una hebra se enfrenta al extremo 5 y # 8242 de la otra hebra. El azúcar y el fosfato de los nucleótidos forman la columna vertebral de la estructura, mientras que las bases nitrogenadas se apilan en el interior, como los peldaños de una escalera. Cada par de bases está separado del siguiente par de bases por una distancia de 0,34 nm, y cada vuelta de la hélice mide 3,4 nm. Por lo tanto, están presentes 10 pares de bases por vuelta de la hélice. El diámetro de la doble hélice del ADN es de 2 nm y es uniforme en toda su extensión. Solo el emparejamiento entre una purina y pirimidina y la orientación antiparalela de las dos cadenas de ADN pueden explicar el diámetro uniforme. La torsión de las dos hebras entre sí da como resultado la formación de ranuras mayores y menores uniformemente espaciadas (Figura 3).

Figura 3. El ADN tiene (a) una estructura de doble hélice y (b) enlaces fosfodiéster. Los (c) surcos mayor y menor son sitios de unión para las proteínas de unión al ADN durante procesos como la transcripción (la copia del ARN del ADN) y la replicación.


¿Cuál es la estructura del ADN?

Las moléculas de ADN son polímeros, lo que significa que son moléculas grandes compuestas por muchas moléculas más pequeñas. Las pequeñas moléculas que componen el ADN se llaman nucleótidos. Cada nucleótido contiene un grupo fosfato, una molécula de azúcar (llamada desoxirribosa) y una base nitrogenada.

Hay cuatro tipos de bases nitrogenadas que se encuentran en las moléculas de ADN. Estos son:

El orden de los nucleótidos en una molécula de ADN se conoce como secuencia de ADN o codigo genetico. El código genético determina qué instrucciones están codificadas en la molécula de ADN, por ejemplo, cómo producir cierto tipo de proteína. Los nucleótidos están fuertemente unidos entre sí por enlaces fosfodiéster,que se forman entre el átomo de carbono 3 'de una molécula de azúcar y el átomo de carbono 5' de otra.

Las dos hebras de la doble hélice corren en direcciones opuestas entre sí, lo que significa que el extremo de 5 'de una hebra se enfrenta al extremo de 3' de la otra. Esto se llama orientación antiparalela,y es esencial para la replicación exitosa del ADN.


La estructura del ADN proporciona un mecanismo de herencia

Los genes transportan información biológica que debe copiarse con precisión para transmitirla a la siguiente generación cada vez que una célula se divide para formar dos células hijas. De estos requisitos surgen dos cuestiones biológicas centrales: ¿cómo se puede transportar en forma química la información para especificar un organismo y cómo se copia con precisión? El descubrimiento de la estructura de la doble hélice del ADN marcó un hito en la biología del siglo XX porque inmediatamente sugirió respuestas a ambas preguntas, resolviendo así a nivel molecular el problema de la herencia. Discutimos brevemente las respuestas a estas preguntas en esta sección y las examinaremos con más detalle en los capítulos siguientes.

El ADN codifica información a través del orden o secuencia de los nucleótidos a lo largo de cada hebra. Cada base & # x02014A, C, T o G & # x02014 puede considerarse como una letra en un alfabeto de cuatro letras que explica mensajes biológicos en la estructura química del ADN. Como vimos en el Capítulo 1, los organismos se diferencian entre sí porque sus respectivas moléculas de ADN tienen diferentes secuencias de nucleótidos y, en consecuencia, llevan diferentes mensajes biológicos. Pero, ¿cómo se usa el alfabeto de nucleótidos para hacer mensajes y qué deletrean?

Como se discutió anteriormente, se sabía mucho antes de que se determinara la estructura del ADN que los genes contienen las instrucciones para producir proteínas. Por lo tanto, los mensajes de ADN deben codificar proteínas de alguna manera (Figura 4-6). Esta relación facilita inmediatamente la comprensión del problema, debido al carácter químico de las proteínas. Como se discutió en el Capítulo 3, las propiedades de una proteína, que son responsables de su función biológica, están determinadas por su estructura tridimensional, y su estructura está determinada a su vez por la secuencia lineal de los aminoácidos que la componen. La secuencia lineal de nucleótidos en un gen debe, por lo tanto, explicar de alguna manera la secuencia lineal de aminoácidos en una proteína. La correspondencia exacta entre el alfabeto de nucleótidos de cuatro letras del ADN y el alfabeto de veinte letras de aminoácidos de las proteínas (el código genético) no es obvia a partir de la estructura del ADN, y tomó más de una década después del descubrimiento de la doble hélice anterior. se resolvió. En el Capítulo 6 describimos este código en detalle en el transcurso de la elaboración del proceso, conocido como la expresion genica, a través del cual una célula traduce la secuencia de nucleótidos de un gen en la secuencia de aminoácidos de una proteína.

Figura 4-6

La relación entre la información genética contenida en el ADN y las proteínas.

El conjunto completo de información en el ADN de un organismo se llama genoma y contiene la información de todas las proteínas que el organismo sintetizará alguna vez. (El término genoma también se usa para describir el ADN que lleva esta información). La cantidad de información contenida en los genomas es asombrosa: por ejemplo, una célula humana típica contiene 2 metros de ADN. Escrita en el alfabeto de nucleótidos de cuatro letras, la secuencia de nucleótidos de un gen humano muy pequeño ocupa un cuarto de página de texto (Figura 4-7), mientras que la secuencia completa de nucleótidos en el genoma humano llenaría más de mil libros del tamaño de este. Además de otra información crítica, contiene las instrucciones de unas 30.000 proteínas distintas.

Figura 4-7

La secuencia de nucleótidos del gen de la globina de & # x003b2 humana. Este gen transporta la información de la secuencia de aminoácidos de uno de los dos tipos de subunidades de la molécula de hemoglobina, que transporta oxígeno en la sangre. Un gen diferente, la & # x003b1-globina (más.)

En cada división celular, la célula debe copiar su genoma para pasarlo a ambas células hijas. El descubrimiento de la estructura del ADN también reveló el principio que hace posible esta copia: dado que cada hebra de ADN contiene una secuencia de nucleótidos que es exactamente complementaria a la secuencia de nucleótidos de su hebra asociada, cada hebra puede actuar como molde o molde. , para la síntesis de una nueva hebra complementaria. En otras palabras, si designamos las dos cadenas de ADN como S y S & # x02032, la cadena S puede servir como plantilla para hacer una nueva cadena S & # x02032, mientras que la cadena S & # x02032 puede servir como plantilla para hacer una nueva cadena S (Figura 4-8). Por lo tanto, la información genética en el ADN se puede copiar con precisión mediante el proceso maravillosamente simple en el que la hebra S se separa de la hebra S & # x02032, y cada hebra separada sirve como plantilla para la producción de una nueva hebra de pareja complementaria que es idéntica a su hebra. antiguo compañero.

Figura 4-8

El ADN como plantilla para su propia duplicación. Como el nucleótido A se empareja con éxito solo con T y G con C, cada hebra de ADN puede especificar la secuencia de nucleótidos en su hebra complementaria. De esta manera, el ADN de doble hélice se puede copiar con precisión. (más. )

La capacidad de cada hebra de una molécula de ADN de actuar como plantilla para producir una hebra complementaria permite que una célula copie, o reproducir exactamente, sus genes antes de transmitirlos a sus descendientes. En el siguiente capítulo describimos la elegante maquinaria que utiliza la célula para realizar esta enorme tarea.


Watson y Crick propusieron el modelo de la estructura de doble hélice del ADN. La molécula de ADN es un polímero de nucleótidos. Cada nucleótido está compuesto por una base nitrogenada, un azúcar de cinco carbonos (desoxirribosa) y un grupo fosfato. Hay cuatro bases nitrogenadas en el ADN, dos purinas (adenina y guanina) y dos pirimidinas (citosina y timina). Una molécula de ADN se compone de dos cadenas. Cada hebra está compuesta por nucleótidos unidos covalentemente entre el grupo fosfato de uno y el azúcar desoxirribosa del siguiente. Desde esta columna vertebral se extienden las bases. Las bases de una hebra se unen a las bases de la segunda hebra con enlaces de hidrógeno. La adenina siempre se une a la timina y la citosina siempre se une a la guanina. La unión hace que las dos hebras formen una espiral alrededor de la otra en una forma llamada doble hélice. El ácido ribonucleico (ARN) es un segundo ácido nucleico que se encuentra en las células. El ARN es un polímero de nucleótidos monocatenario. También se diferencia del ADN en que contiene el azúcar ribosa, en lugar de desoxirribosa, y el nucleótido uracilo en lugar de timina. Varias moléculas de ARN funcionan en el proceso de formación de proteínas a partir del código genético del ADN.

Los procariotas contienen un cromosoma circular simple de doble hebra. Los eucariotas contienen moléculas de ADN lineal de doble cadena empaquetadas en cromosomas. La hélice de ADN se envuelve alrededor de proteínas para formar nucleosomas. Las espirales de proteínas se enrollan aún más, y durante la mitosis y la meiosis, los cromosomas se enrollan aún más para facilitar su movimiento. Los cromosomas tienen dos regiones distintas que se pueden distinguir por tinción, que reflejan diferentes grados de empaquetamiento y se determinan por si el ADN en una región se expresa (eucromatina) o no (heterocromatina).

Ejercicios

Glosario

desoxirribosa: una molécula de azúcar de cinco carbonos con un átomo de hidrógeno en lugar de un grupo hidroxilo en la posición 2 & # 8242 el componente de azúcar de los nucleótidos del ADN

doble hélice: la forma molecular del ADN en la que dos cadenas de nucleótidos se enrollan entre sí en forma de espiral

base de nitrogeno: una molécula que contiene nitrógeno que actúa como una base que a menudo se refiere a uno de los componentes purina o pirimidina de los ácidos nucleicos

grupo fosfato: un grupo molecular que consta de un átomo de fósforo central unido a cuatro átomos de oxígeno


Ver el vídeo: 59- Biología celular. La replicación del ADN (Agosto 2022).