Ya en 1940 se sabía que el ADN (ácido desoxiribonucleico) era la molécula que contenía la información genética, pero tanto su estructura como la forma en que estaba codificada esa información eran problemas aún sin resolver. En su artículo "¿Qué es la vida?" publicado en 1944, Erwin Schodinger sostenía que los genes eran los componentes clave de las células vivas y que para comprender qué era la vida debíamos saber cómo actúan los genes. Por otra parte, a partir de los trabajos de M. Walkins y R. Franklin, donde utilizaban la técnica de difracción en rayos X, se podía inferir que la molécula de ADN era una hélice compuesta de varias cadenas de nucleótidos arrolladas o plegadas una en torno a la otra. Finalmente, en 1953, dos científicos, James Watson y Francis Crick, descubrieron la estructura molecular del ADN. Este descubrimiento constituye la piedra angular de la biología contemporánea y se transforma en el primer paso para la comprensión de la estructura de la vida.
El ácido desoxirribonucleico, frecuentemente abreviado ADN (y también DNA, del inglés DeoxyriboNucleic Acid), es un ácido nucleico que contiene las instrucciones genéticas usadas en el desarrollo y el funcionamiento de todos los organismos vivos conocidos y algunos virus. El papel principal de las moléculas de ADN es el de ser portador y transmisor entre generaciones de información genética. El ADN a menudo es comparado a un manual de instrucciones, ya que este contiene las instrucciones para construir otros componentes de las células, como moléculas de ARN y proteína. Los segmentos de ADN que llevan esta información genética se llaman genes, pero otras secuencias de ADN tienen funciones estructurales, o están implicadas en la regulación del empleo de esta información genética.
Químicamente, el ADN es un largo polímero de unidades simples llamadas nucleótidos, con un armazón hecho de azúcares y grupos de fosfato unidos alternativamente entre sí mediante enlaces de tipo éster. Conectado a cada azúcar está cada uno de los cuatro tipos de moléculas llamadas bases nitrogenadas. La disposición secuencial de estas cuatro bases a lo largo de la cadena es la que codifica la información. Esta información es leída usando el código genético, que especifica la secuencia de los aminoácidos de las proteínas. El código es interpretado copiando los tramos de ADN en un ácido nucleico relacionado, el ácido ribonucleico (ARN), en un proceso llamado transcripción.
Dentro de las células, el ADN está organizado en estructuras llamadas cromosomas. Estos cromosomas se duplican antes de que las células se dividan, en un proceso llamado replicación de ADN. Los organismos Eukaryota (animales, plantas, y hongos) almacenan la inmensa mayoría de su ADN dentro del núcleo celular y una mínima parte en los ornánulos celulares mitocondrias, y en los cloroplastos en caso de tenerlos; mientras que en procarióticas (las bacterias y archaeas) se encuentra en el citoplasma de la célula. Las proteínas cromáticas como las histonas comprimen y organizan el ADN dentro de los cromosomas. Estas estructuras compactas dirigen las interacciones entre el ADN y otras proteínas, ayudando al control de las partes del ADN que son transcritas. Fue aislado por primera vez a partir del pus de vendas quirúrgicas deshechadas en 1869 por el médico suizo Friedrich Miescher.
Estructura del ADN
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Animación de la estructura de una sección de ADN. Las bases se encuentran horizontalmente entre las dos hebras en espiral |
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El ADN es una molécula formada por dos cadenas laterales unidas, que podríamos compararla con una escalera caracol. Las moléculas que forman cada cadena se llaman nucleótidos, cada uno de estos está formado por un azúcar, un grupo fosfato y una base nitrogenada. Los azúcares y el grupo fosfato forman los parantes de la escalera, mientras que las bases nitrogenadas constituyen los peldaños. Existen dos tipos de bases nitrogenadas, púricas y pirimídicas. Ambas se ensamblan en la molécula de ADN, elaborando peldaños de la misma longitud. Existen cuatro nucleótidos que se diferencian entre sí por la base nitrogenada que poseen. Estas bases se llaman Adenina, Guanina, Citosina y Timina. En la doble hélice de ADN siempre se unen Adenina con Timina y Citosina con Guanina
La molécula de ADN está constituída por dos largas cadenas de nucleótidos unidas entre sí formando una doble hélice . Las dos cadenas de nucleótidos que constituyen una molécula de ADN, se mantienen unidas entre sí porque se forman enlaces entre las bases nitrogenadas de ambas cadenas que quedan enfrentadas.
La unión de las bases se realiza mediante puentes de hidrógeno , y este apareamiento está condicionado químicamente de forma que la adenina (A) sólo se puede unir con la Timina (T) y la Guanina (G) con la Citosina (C) .
Finalmente, la molécula de ADN se pliega formando una hélice, y, en el caso de los organismos eucariontes, se asocia a proteínas llamadas histonas que determinan su estructura final y su expresión.
Componentes
Estructura de soporte:
La estructura de soporte de una hebra de ADN está formada por unidades alternas de grupos fosfato y azúcar.
* Ácido fosfórico:
Enlace fosfodiéster. El grupo fosfato une el carbono 5' del azúcar de un nucleósido con el carbono 3' de otro
Enlace fosfodiéster. El grupo fosfato une el carbono 5' del azúcar de un nucleósido con el carbono 3' de otro
Su fórmula química es H3PO4. Cada nucleótido puede contener uno (monofosfato: AMP), dos (difosfato: ADP) o tres (trifosfato: ATP) grupos de ácido fosfórico.
* Desoxirribosa:
Es un monosacárido de 5 átomos de carbono (una pentosa) derivado de la ribosa, que forma parte de la estructura de nucleótidos del ADN. Su fórmula es C5H10O4. Una de las principales diferencias entre el ADN y el ARN es el azúcar, pues en el ARN la 2-desoxirribosa del ADN es reemplazada por una pentosa alternativa, la ribosa.[9]
Las moléculas de azúcar se unen entre sí a través de grupos fosfato, que forman enlaces fosfodiéster entre los átomos de carbono tercero (3′, «tres prima») y quinto (5′, «cinco prima») de dos anillos adyacentes de azúcar. La formación de enlaces asimétricos implica que cada hebra de ADN tiene una dirección. En una doble hélice, la dirección de los nucleótidos en una hebra (3′ → 5′) es opuesta a la dirección en la otra hebra (5′ → 3′). Esta organización de las hebras de ADN se denomina antiparalela; son cadenas paralelas, pero con direcciones opuestas. De la misma manera, los extremos asimétricos de las hebras de ADN se denominan extremo 5′ («cinco prima») y extremo 3′ («tres prima») respectivamente.
Bases nitrogenadas:
Las cuatro bases nitrogenadas esenciales que se encuentran en el ADN son la adenina (abreviado A), citosina (C), guanina (G) y timina (T). Cada una de estas cuatro bases está unida al armazón de azúcar-fosfato a través del azúcar para formar el nucleótido completo (base-azúcar-fosfato). Las bases se clasifican en dos grupos: adenina y guanina son compuestos heterocíclicos de cinco y seis miembros unidos denominados purinas, mientras que citosina y timina son anillos de seis miembros denominados pirimidinas.[9] En los ácidos nucléicos existe una quinta base pirimidínica, denominada uracilo (U), que normalmente ocupa el lugar de la timina en el ARN y difiere de la timina porque le falta un grupo metilo en su anillo. El uracilo no se encuentra habitualmente en el ADN, sólo aparece raramente como un producto residual de la degradación de la citosina.
* Timina:
En el código genético se representa con la letra T. Forma el nucleósido timidina (dThd) y el nucleótido timidilato (dTMP). En el ADN, la timina siempre se empareja con la adenina de la cadena complementaria mediante 2 puentes de hidrógeno, T=A. La timina es una base orgánica nitrogenada de fórmula C5H6N2O2 y es un compuesto cíclico derivado de la pirimidina (es una base pirimidínica).
* Adenina:
En el código genético se representa con la letra A. En el ADN siempre se empareja con la timina de la cadena complementaria, A=T. Es un compuesto orgánico nitrogenado de fórmula C5H5N5. Es un derivado de la purina (es una base púrica) en la que un hidrógeno ha sido sustituido por un grupo amino (-NH2). La adenina, junto con la timina, fue descubierta en 1885 por el médico alemán Albrecht Kossel.
* Guanina:
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Enlace fosfodiéster. El grupo fosfato une el carbono 5' del azúcar de un nucleósido con el carbono 3' de otro |
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En el código genético se representa con la letra G. La guanina siempre se empareja en el ADN con la citosina de la cadena complementaria mediante tres enlaces de hidrógeno, G≡C. Como la adenina, es una base púrica.
* Citosina:
En el código genético se representa con la letra C. Es un derivado pirimidínico, con un anillo aromático y un grupo amino en posición 4 y un grupo cetónico en posición 2. Su fórmula química es C4H5N3O y su masa molecular es de 111,10 unidades de masa atómica. La citosina fue descubierta en 1894 cuando fue aislada en tejido del timo de carnero. La citosina siempre se empareja en el ADN con la guanina de la cadena complementaria, C≡G.
Se estima que el genoma humano haploide tiene alrededor de 3.000 millones de pares de bases. Para indicar el tamaño de las moléculas de ADN se indica el número de pares de bases, y como derivados hay dos unidades de medida muy utilizadas, la kilobase (kb) que equivale a 1.000 pares de bases, y la megabase (Mb) que equivale a un millón de pares de bases.
Funciones
Entre las funciones y propiedades del ADN podemos resaltar que
1.- El ADN controla la actividad de la
célula . 2.- En ciertos casos, comúnmente derivados del caso anterior, el ADN puede llegar a tener cierta conductividad, según un estudio realizado.
Gracias al modelo de doble hélice el ADN:
3.- Es el que lleva la información genética de la
célula , ya que las unidades de ADN, llamadas genes, son las responsables de las características estructurales y de la transmisión de estas características de una célula a otra en la división celular. Los genes se localizan a lo largo del cromosoma . 4.- El ADN tiene la propiedad de duplicarse durante la división celular para formar dos moléculas idénticas, para lo que necesita que en el núcleo celular existan nucleótidos, energía y enzimas . 5.- Capacidad de mutación : justificando los cambios evolutivos.
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El video superior muestra simulaciones informática del mecanismo molecular unido al ADN en las células vivas. La primera película ilustra cómo la molécula de ADN se pliega y se enrolla para constituir los cromosomas en una célula en proceso de división. La segunda muestra la replicación de la molécula de ADN con abertura de la doble hélice y copia de cada cordón para formar dos moléculas nuevas de ADN.
Las propiedades mecánicas de las moléculas y de los agregados de átomos son de una gran importancia en biología y en nanotecnología. El equipo del profesor Marszalek se concentra en el estudio de las deformaciones plásticas y elásticas de los nanofilamentos y de los biopolímeros como proteínas, polisacáridos y, en este caso, el ácido desoxirribonucleico o ADN.
Para comprender lo que han hecho, evoquemos algunas nociones de la estructura del AND. Como puede verse en el esquema inferior, el ADN está compuesto de dos cordones enrollados constituidos por la reproducción periódica de un conjunto de fosfato-azúcar (desoxirribosa). Sobre este esqueleto se encuentra montada una distribución aperiódica de moléculas llamadas bases nitrogenados, representadas por sus símbolos A, T, G, C por Adenina, Timina, Guanina y Citosina. El conjunto forma parte de las moléculas conocidas con el nombre de nucleótidos. |
Replicación de ADN
El proceso de replicación de ADN es la base de la herencia del material genético. Se basa en la duplicación de la información genética y su posterior división, ya que en toda célula que va a dividirse la cromatina debe duplicarse para poder repartirse por igual en cada una de las células hijas. Para ello las dos cadenas complementarias que componen la doble hélice de ADN (molécula madre) deben separarse para poderse formar dos nuevas cadenas, cada una de las cuales es complementaria a una de las cadenas de la molécula madre.
Este tipo de duplicación de ADN se llama replicación semiconservativa, porque cada una de las dos moléculas hijas contiene la mitad (una de las cadenas de ADN) de la molécula madre. La duplicación semiconservativa tiene lugar precisamente por el hecho de que la secuencia de las bases que la constituyen se conserva, de forma que la secuencia de cada molécula madre sirve de molde para formar la secuencia de dos moléculas hijas.
Así, la cromátida de ADN de cada célula forma una doble hélice que presenta una cadena vieja procedente de la molécula madre y otra recién sintetizada. La replicación es semiconservativa, bidireccional y semidiscontínua.
Algo de Historia
- 1869 Fritz Meischer: da el nombre de ácido nucleico (luego ADN).
- 1919 Levene: estructura lineal de tetranucleótido para el ADN.
- 1928 F.Griffith: sustancia que puede causar cambios hereditarios.
- 1938 R. Signer, T. Caspersson y E. Hammarsten: peso molecular del ADN era cerca de 10 6 daltons.
- 1944 O. Avery, C. Mac Leod y M. Mc Carty:el principio transformante de Griffith es ADN.
- 1949 E. Chargaff: la composición de bases del ADN variaba de una especie a otra, aunque el cociente entre la bases púricas y entre las bases pirimidínicas permanecía siempre constante y alrededor de 1.
- 1951 Rosalind Franklin: dos formas de ADN, la forma B y la forma A.
- 1952 R. Franklin y R. Gosling: generaron un patrón de difracción de rayos X de la forma B del ADN.
- 1953 Aparición de las siete publicaciones mencionadas sobre la estructura del ADN.
- 1954 G. Gamow: código de ADN para la síntesis de proteínas.
- 1957 F. Crick: propuso la hipótesis de la secuencia y el dogma central.
- 1958 M. Meselson y F. Stahl: demostraron la replicación semi-conservativa del ADN.
- 1959 A. Kornberg: aisla la enzima ADN polimerasa
- 1961 M Nirenberg y J. Matthaei: mostraron que una secuencia de nucleótidos puede codificar un aminoácido en particular, sentando las bases del desciframiento del código genético.
Características del ADN
- • Formado por dos cadenas muy largas de polinucleótidos unidas entre sí por puentes de hidrógeno.
- • Las dos cadenas se encuentran arregladas en una estructura helicoidal alrededor de un eje común por lo que recibe el nombre de doble hélice.
- • Las bases se encuentran acomodadas hacia el eje de la doble hélice, mientras que el azúcar y los fosfatos se encuentran orientados hacia el exterior de la molécula.
- • Diámetro: 20 Angstrom. El tamaño de la molécula de ADN de doble hélice se expresa en miles de bases o kb. La longitud de 1kb es entonces 0.34 micras.
- • Una molécula de ADN de un milímetro de longitud estará formado de 3 mil kb o sea tres millones de bases.
- • El rango de tamaño va desde 2 micras (5 kb) en el virus SV40, hasta casi un metro (3 x 106 kb) en cromosomas humanos.
- • El genoma de E. coli, no tiene extremos, o sea forma un círculo, y el perímetro tiene una longitud de 1.4 mm (4000kb).
- • El genoma de los animales superiores no forma círculos, es una estructura lineal abierta.
• Una de las hebras tiene sentido 3' a 5' y es llamada hebra guía o conductora porque porta la información.
- • La hebra de enfrente es llamada hebra complementaria o retardada y su sentido es 5' a 3'.
- • Las hebras están formadas por esqueletos de azúcares de 5 carbonos (pentosas) llamados DESOXIRRIBOSAS.
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• Cada desoxirribosa de la misma cadena se une a través de ÁCIDO FOSFÓRICO.
Fenómenos bioquímicos:
REPLICACIÓN, TRANSCRIPCIÓN Y TRADUCCIÓN
