Ácido desoxirribonucleico (ADN): modelo, composición química y experimentos de transformación
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Ácido desoxirribonucleico (ADN):
El ADN se encuentra en las células de todos los organismos vivos, excepto en algunos virus de plantas. En los bacteriófagos y virus, hay un núcleo central de ADN que está encerrado en una cubierta de proteína. En las bacterias, y en las mitocondrias y plastos de las células eucariotas, el ADN es circular y se encuentra desnudo en el citoplasma.
En los núcleos de las células eucariotas, el ADN se presenta en forma de hilos en espiral largos y no ramificados, los cromosomas. En los cromosomas, el ADN se encuentra en combinación con proteínas que forman nucleoproteínas, el material de la cromatina. Varias líneas de evidencias indirectas han sugerido durante mucho tiempo que el ADN contiene la información genética de los organismos vivos.
Los resultados más importantes obtenidos utilizando varios procedimientos experimentales diferentes mostraron que la mayor parte del ADN se encuentra en los cromosomas, mientras que el ARN y las proteínas son más abundantes en el citoplasma. Además, existe una correlación precisa entre la cantidad de ADN por célula y el número de conjuntos de cromosomas por célula.
La mayoría de las células somáticas de organismos diploides, por ejemplo, contienen exactamente dos veces la cantidad de ADN que las células germinales haploides o gametos de la misma especie. Finalmente, la composición molecular del ADN en todas las diferentes células de un organismo es la misma (con raras excepciones), mientras que la composición del ARN y las proteínas varía tanto cualitativamente como cuantitativamente de un tipo de célula a otro. Si bien estas correlaciones sugieren fuertemente que el ADN es el material genético, de ninguna manera lo demuestran. La evidencia directa ha establecido que la información genética está codificada en el ADN.
Experimentos de transformación:
Frederick Griffith llevó a cabo inicialmente experimentos de transformación en 1928. Inyectó una mezcla de dos cepas de neumococo (Diplococcus pneumoniae) en ratones. Una de estas dos cepas, S III era virulenta y la otra cepa R II no era virulenta. El calor mató a la cepa virulenta SIII, cuando se inyectó individualmente no causó la muerte, lo que demuestra que la infectividad después de la muerte por calor se pierde.
Los ratones inyectados con una mezcla de RII (vivos) y SII (eliminados por calor) murieron y se pudieron aislar neumococos virulentos de estos ratones. La inferencia fue que algún componente de las células SIII muertas (el principio de transformación) debe haber convertido las células RII vivas en SII.
OT Avery, CM MacLeod y M. McCarty en 1944 repitieron los experimentos de Griffith en un sistema in vitro y produjeron la primera evidencia directa de que el material genético es ADN en lugar de proteína o ARN. Demostraron que el componente de la célula responsable del fenómeno de transformación en la bacteria Diplococcus pneumoniae es el ADN. Estos experimentos involucraron el uso de enzimas que degradan el ADN, ARN o proteínas.
En experimentos separados, el ADN altamente purificado de las células S III se trató con:
(1) desoxirribonucleasa (ADNasa) que degrada el ADN,
(2) Ribonucleasa (ARNasa) que degrada el ARN o
(3) Proteasas (que degradan las proteínas) y luego se prueba su capacidad para transformar las células RII en SIII. Solo la DNAasa no tuvo efecto en las actividades de transformación de la preparación de ADN, eliminó totalmente toda actividad de transformación. Estos experimentos indicaron que el ADN y no las proteínas o el ARN es el material genético.
Evidencia directa adicional que indica que el ADN es el material genético fue demostrado por AD Hershey y MJ Chase en el bacteriófago T 2 .
Composición química del ADN:
Los análisis químicos han demostrado que el ADN se compone de tres tipos diferentes de moléculas.
1. El ácido fosfórico (H 3 PO 4 ) tiene tres grupos reactivos (-OH) de los cuales dos están involucrados en la formación del esqueleto de fosfato de azúcar del ADN.
2. Azúcar Pentose:
El ADN contiene 2'-desoxi-D-ribosa (o simplemente desoxirribosa), que es la razón del nombre del ácido nucleico desoxirribosa.
3. Bases orgánicas:
Las bases orgánicas son compuestos heterocíclicos que contienen nitrógeno en sus anillos; Por eso también se les llama bases nitrogenadas. El ADN normalmente contiene cuatro bases diferentes llamadas adenirie (A), guanina (G), timina (T) y citosina (C).
Estas cuatro bases se agrupan en dos clases según su estructura química:
(1) pirimidina (T y C) y
(2) purina (A, G).
En el ADN se encuentran cuatro nucleósidos diferentes. Estos son:
(i) desoxicitidina
(ii) deoxitio-midina,
(iii) desoxiadenosina y
(iv) desoxiguanosina.
Del mismo modo, cuatro nucleótidos en el ADN son:
(i) ácido desoxicitidílico o desoxititilato,
(ii) ácido desoxitimidílico o desoxitimidilato,
(iii) ácido desoxiadenílico o desoxiadenilato y
(iv) ácido desoxiguanílico o desoxiguanilato.
Cuando E. Chargaff y colaboradores (1950) analizaron la composición del ADN de muchos organismos diferentes, se observó que (i) independientemente de la fuente, los componentes de purina y pirimidina aparecen en cantidades iguales en una molécula, (ii) la cantidad de adenina (A) es equivalente a la cantidad de timina (T) y la de citosina (C) es equivalente a la de guanina (G) y (iii) la relación de base A + T / G + C es constante para un determinado especies.
El modelo de ADN de doble hélice de Watson y Crick:
La estructura del ADN fue deducida por primera vez por JD Watson y FH Crick en 1953. Sobre la base de los datos de Chargaff, los hallazgos de difracción de rayos X de Wilkin y Franklin e inferencias de sus propios edificios modelo, Watson y Crick propusieron que el ADN existe como una doble hélice en el que las dos cadenas de polinucleótidos se enrollan una en la otra en una espiral.
Cada cadena de polinucleótido consiste en una secuencia de nucleótidos unidos entre sí por enlaces fosfodiéster, formando restos de desoxirribosa adyacentes. Las dos cadenas de polinucleótidos se mantienen juntas en su configuración helicoidal mediante enlaces de hidrógeno entre las bases en las cadenas opuestas, los pares de bases resultantes se apilan entre las dos cadenas perpendiculares al eje de la molécula como los pasos de una escalera en espiral.
El par de bases es específico, la adenina siempre se empareja con la timina y la guanina siempre se empareja con la citosina. Por lo tanto, todos los pares de bases consisten en una purina y una pirimidina. La especificidad del emparejamiento de bases resulta de las capacidades de enlace de hidrógeno de las bases, en sus configuraciones normales.
En sus configuraciones estructurales más comunes, la adenina y la timina forman dos enlaces de hidrógeno y la guanina y la citosina forman tres enlaces de hidrógeno. El enlace de hidrógeno análogo entre la citosina y la adenina, por ejemplo, no es generalmente posible.
Una vez que se conoce la secuencia de bases en una hebra de una doble hélice de ADN, la secuencia de bases en la otra hebra también se conoce automáticamente debido al pareado específico de bases. Por lo tanto, se dice que las dos cadenas de una doble hélice son complementarias (no idénticas); Es esta propiedad, la complementariedad de las dos cadenas, la que hace que el ADN sea especialmente adecuado para almacenar y transmitir información genética.
Los pares de bases en el ADN se apilan 3.4A ° con 10 pares de bases por turno (360 °) de la doble hélice. Los esqueletos de azúcar y fosfato de las dos cadenas complementarias son antiparalelos; Es decir, tienen polaridad química opuesta.
A medida que uno se mueve unidireccional a lo largo de una doble hélice de ADN, los enlaces fosfodiéster en una cadena van de un carbono 3 'de un nucleótido a un carbono 5' del nucleótido adyacente, mientras que los de la cadena complementaria pasan de un carbono 5 'a un carbono 3' .
Las formas A, B y Z del ADN:
La gran mayoría de las moléculas de ADN presentes en los protoplasmas acuosos de las células vivas casi seguramente existen en la forma de doble hélice de Watson-Crick descrita anteriormente. Esto se llama la forma B del ADN y muestra el enrollamiento de la mano derecha. Contiene 10.4 pares de bases por turno (en lugar de los 10 mencionados anteriormente). El ADN deshidratado se produce en la forma A, que también es una hélice derecha, pero tiene 11 pares de bases por turno.
Ciertas secuencias de ADN ocurren en forma de Z, que muestra el enrollamiento de zurdos, contiene 12 pares de bases por turno. En Z-DNA, el esqueleto de azúcar-fosfato sigue un camino en zigzag que le da el nombre de Z-DNA o Z-form.
Los segmentos específicos de una molécula de ADN pueden sufrir cambios conformacionales de la forma B a la forma Z y viceversa; estos cambios pueden ser provocados por algunas proteínas reguladoras específicas. El ADN en forma de Z se postula para desempeñar un papel en la regulación génica.
Evidencias en apoyo de la estructura helicoidal doble del ADN:
La doble estructura helicoidal del ADN proporcionada por Waston y Crick está respaldada por las siguientes evidencias.
1. MHF Wilkins y sus colegas estudiaron el ADN por cristalografía de rayos X y apoyaron su doble estructura helicoidal.
2. Kornberg y sus asociados intentaron sintetizar ADN en un medio libre de ADN en presencia de enzima ADN polimerasa y nucleótidos, los bloques de construcción del ADN. Encontraron que en un medio libre de ADN con todos los compuestos necesarios no se produce la síntesis de ADN. Solo cuando se añadió algo de ADN como cebador al mismo medio, comenzó la síntesis de ADN.
