EL DESCUBRIMIENTO DE LA DOBLE HÉLICE

¿CÓMO SE LLEGÓ A LA DOBLE HÉLICE?

Aunque actualmente, el ADN se considera el principal protagonista en la biología molecular, hace tan sólo poco más de medio siglo, muchos científicos le concedían un papel bastante secundario (pues la opinión general era que el material genético residía en las proteínas, no en el ácido desoxirribonucleico [ADN]).

HITOS DE LA HISTORIA DEL ADN:

- 1869: El médico alemán Friedrich Miescher aísla por primera vez una molécula de ADN (a partir de los glóbulos blancos que se encuentran en el pus). Le otorga el nombre de ácido nucleico, ya que esta substancia reside en el núcleo de la célula.

- 1928: Frederick Griffith, bacteriólogo inglés, observa en unos experimentos con pneumococos (los organismos que provocan la pneumonía) que algunas bacterias muertas transmiten "algo" a otras vivas y que este "algo" (que Griffith denominó factor transformante) altera sus rasgos hereditarios.

- En 1944, Oswald Avery, junto a Colin Macleod y Maclyn McCarty. Los resultados de sus investigaciones ponían en evidencia que era el ADN (y no las proteínas) la substancia que almacenaba las características genéticas.

- 1952: Alfred D. Hershey y Marta Chase, mediante una serie de experimentos con fagos (conocido como "los experimentos de la batidora Warin"), confirman las tesis de Avery y su grupo, concretando más detalladamente la función del ADN.

1953: Watson y Crick descubren la doble hélice.

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,1987).

Actividad 1

1. Realiza en tu cuaderno una linea de tiempo con los principales aportes al descubrimiento de la molécula de ADN.2. Investiga de diversas fuentes y contesta las siguientes preguntas:a. ¿Por que es importante el descubrimiento del ADN como molécula de la información genética?, ¿que relación tiene con las proteínas?b. ¿En que consiste el experimento de Gourdon?c. ¿A que se debe el nombre de ácido nucleico ?d. busque información sobre el experimento de Griffith y resumalo.

Las bases de la doble hélice.

El descubrimiento de una fórmula tan compleja como la estructura del ADN no surgió de forma azarosa, es decir, Watson y Crick no "inventaron" la doble hélice (puesto que siempre había existido), simplemente fueron los primeros en definirla y mostrarla al mundo.

Así, para crear su modelo, la pareja de científicos analizaron y reflexionaron sobre una serie de trabajos que les proporcionaron la información base de la molécula del ADN, sin la cual hubiera sido imposible resolver la estructura de doble hélice:

- Alexander Todd establece la composición química de la molécula del ADN: dos cadenas de desoxirribosa unidas por grupos fosfato y por bases de cuatro tipos (adenina, guanina, citosina, tinina).

-Erwin Chargaff demuestra que dichas bases guardan una relación de proporcionalidad, es decir, que "la cantidad total de purinas (adenina y guanina) siempre es igual a la de pirimidinas (citosina y tinina),es más hay tanta adennina como tinina y tanta guanina como citosina " (GRIBBIN,1986).

Estos datos serán particularmente importantes para Watson, pues a raíz de ellos descubre la complementariedad de las bases: la adenina sólo puede emparejarse con la timina, y la guanina sólo con la citosina, formando, así, una estructura perfecta para el modelo de la doble hélice.

- Linus Pauling, en 1950, identifica como una hélice (la llamada hélice alfa) la molécula de una proteina: la hemoglobina, sugiriendo, además que la forma del ADN puede ser parecida.( 2 años después propondrá un modelo para la estructura del ADN, pero se equivoca en el planteamiento químico).

- Maurice Wilkins y Rosalind Franklin obtienen imágenes de la difracción por rayos X del ADN, en las que se vislumbra su forma helicoidal. (Estas fotografías confirmaron totalmente las hipótesis de Watson y Crick.

LA ESTRUCTURA QUÍMICA DEL ADN

Para construir el modelo de ADN, Watson y Crick imaginaron una escalera de cuerda que gira en forma de hélice, manteniendo los peldaños perpendiculares: Los dos lados de la escalera estarían formados por moléculas de glúcido y fósforo dispuestas alternativamente. Los peldaños de la escalera se compondrían de las bases nitrogenadas: Adenina, Timina, Guanina, Citosina, un par de bases por cada travesaño. Por último, las bases se unirían mediante enlaces de hidrógeno. Esta forma imaginaria resultó ser, finalmente, la estructura correcta.

Asimismo, la estructura helicoidal del ADN, resolvía perfectamente la cuestión de la replicación de los genes (las dos cadenas se separan formando otras dos nuevas que portan la misma información genética).

 En 1953, los científicos que participaron, de alguna manera u otra, en este descubrimiento, no podían suponer que conocer la estructura del ADN, sería una de las claves para acceder a su manipulación. Sería mucho después (cuando empezaron los primeros experimentos de ingeniería genética) cuando el público en general se diera cuenta de la importancia que tenía este hallazgo, ya que suponía la clave de la intervención artificial en la creación de la vida humana.

Antes de Watson y Crick, los experimentos de Hershey y Chase demostraron que el material génico es el ADN, la estructura molecular de esta molécula todavía era un misterio.

El análisis bioquímico, sin embargo, había revelado que: La molécula de ADN está compuesta por tres sustancias químicas diferentes: Una pentosa (azúcar con 5 carbonos): la desoxirribosa.

Un grupo fosfato. Cuatro bases nitrogenadas: adenina (A), guanina (G), citosina (C) y timina (T). Estos componentes básicos de la molécula de ADN se unen formando unidades

llamadas "nucleótidos". Cada nucleótido se forma, entonces, por una pentosa (desoxirribosa), un grupo fosfato y una base nitrogenada. Como hay cuatro bases nitrogenadas se pueden formar cuatro tipos de nucleótidos.

Estos nucleótidos pueden unirse entre sí para formar largas cadenas de polinucleótidos. Las proporciones de las cuatro bases nitrogenadas son constantes en todos los tipos

celulares en un organismo individual. Las proporciones de las bases nitrogenadas también son constantes en una

determinada especie. Las proporciones de adenina son iguales a las de timina, y las proporciones de guanina

son iguales a las de citosina. (A=T y G=C)

El modelo de ADN Watson y Crick (1953)De acuerdo con el modelo Watson - Crick, se pueden resumir en los siguientes puntos:

La molécula se compone de dos barras torcidas entre sí, configurando una doble hélice. Cada barra se compone de una cadena de nucleótidos, las que se disponen de manera

antiparalela, es decir, una cadena va en dirección 5' 3' y la otra 3' 5'. Los nucleótidos de cada barra se unen entre sí por los grupos fosfatos. Las cuatro bases nitrogenadas se encuentran apareadas con sólo dos posibles

combinaciones: A =T y G = C. Las bases nitrogenadas están unidas entre sí por débiles enlaces de hidrógeno, los que

son fáciles de romper. Como la secuencia de nucleótidos es el único elemento variable en la molécula, es

evidente que debe ser también la propiedad que se utiliza para codificar las instrucciones genéticas.

Figura 3: Modelo de la molécula de ADN de Watson y Crick; A: detalle en que se muestra la disposición de los nucleótidos formando enlaces de hidrógeno entre los pares de bases (flecha); B: esquema más general, en que se muestra la organización general de las dos fibras antiparalelas; C: morfología general de la molécula de ADN, la doble hélice.

Actividad 2

1) Realiza una descripción de la estructura del ADN

2) ¿Qué características permiten diferenciar las bases nitrogenadas? ¿Cómo se pueden agrupar?

3) ¿Cómo es la complementariedad entre las bases nitrogenadas?

4) Revisa la siguiente cadena de ADN y determina las bases de la cadena complementaria.

A B C

A C T G A T G C C T

5) Realiza un dibujo que muestre la complementariedad de bases entre las bases nitrogenadas Adenina y Timina.

MODELOS DE REPLICACIÓN.

Para poder comprender de qué manera se produce la replicación del ADN, proceso imprescindible en la reproducción celular, debemos conocer los diferentes modelos propuestos.

Modelo Semiconservativo: Cuando Watson y Crick (1953) propusieron el modelo de la Doble Hélice indicaron que dicho modelo sugería una forma sencilla de replicación. El modelo de replicación propuesto por Watson y Crick suponía que el ADN doble hélice separa sus dos hebras y cada una sirve de molde para sintetizar una nueva hebra siguiendo las reglas de complementariedad de las bases nitrogenadas. Dicho modelo recibió el nombre de Semiconservativo, ya que las dos dobles hélices recién sintetizadas poseen una hebra vieja (una mitad vieja) y otra hebra nueva (mitad nueva).

Frente al modelo Semiconservativo propuesto por Watson y Crick (1953) se postularon otros posibles modelos de replicación del ADN, uno de ellos se denominó Modelo Conservativo y otro Modelo Dispersivo.

Modelo Conservativo: cuando el ADN doble hélice se replica se producen dos dobles hélices, una de ellas tienen las dos hebras viejas (esta intacta, se conserva) y la otra doble hélice posee ambas hebras de nueva síntesis.

Modelo Dispersivo: Cuando el ADN doble hélice se replica se originan dos dobles hélices, cada una de ellas con hebras que poseen tramos viejos y tramos de nueva síntesis en diferentes proporciones. Los siguientes esquemas representan los tres Modelos de Replicación:

Dibuja acá

Semiconservativo Conservativo Dispersivo.

Meselson y Stahl (1957) diseñaron un experimento para tratar de averiguar la forma en la que se realiza la replicación del ADN en E. coli, es decir, la pregunta que se plantearon fue: ¿Qué modelo de replicación del ADN sigue E. coli, semiconservativo, conservativo o dispersivo?

Concluyeron que la replicación de la molécula de ADN implica construir moléculas hijas a partir de una sola madre; separando cada hebra de esta molécula madre y adicionando nuevos nucleótidos para así formar una hebra hija y complementaria.

Actividad 3.

1. Explica el modelo semiconservativo y establece por que es el mas adecuado para explicar la replicación del ADN.

2. Busca información acerca del experimento de Meselson y Stahl y explícala detalladamente.

3. ¿Qué errores presentan los otros modelos de replicación?

4.¿Qué sucedería si la replicación fuera dispersiva?

DUPLICACIÓN DEL ADN.

El proceso de replicación del ADN es la base de la herencia. Este se basa en la separación de las hebras complementarias de ADN que están formando la molécula madre y la formación de dos nuevas cadenas (moléculas hijas). Este proceso es fundamental ya que En toda célula que va a dividirse la cromatina debe duplicarse para repartirse por igual en cada una de las células hijas.

La replicación del ADN tres fases bien diferenciadas: Iniciación, Elongación y Terminación.

PRIMERA FASE: INICIACIÓN.

La INICIACIÓN de la replicación del ADN comienza siempre en una secuencia específica de nucleótidos conocida como origen de replicación, en el que hay un gran contenido de adenina y timina. Esta fase requiere de una serie de proteínas iniciadoras especiales (proteínas desestabilizadoras de la hélice) y enzimas conocidas como helicasas, que rompen los puentes de hidrógeno abriendo la hélice, formándose las horquillas de replicación.

SEGUNDA FASE: ELONGACIÓN.

En esta fase ocurre la elongación de las nuevas cadenas de ADN, esta se realiza desde el extremo 5’ hacia el extremo 3’ de cada hebra madre, por lo tanto es un proceso bidireccional y opuesto en cada hebra (doble hélice antiparalela).

Durante la elongación actúa la enzima ADN polimerasa III, la que está encargada de catalizar la síntesis de las nuevas cadenas añadiendo nucleótidos sobre el molde.

Dependiendo de la manera en que se produce la elongación de la nueva cadena tenemos: Una cadena retrasada o retardada y una cadena líder o adelantada.

Cadena Líder: la duplicación de esta cadena es continua, ya que la enzima ADN polimerasa III que se encarga de adicionar nucleótidos en la nueva hebra, actúa en dirección 5’ – 3’, esto significa que esta enzima tiene afinidad por el OH libre del extremo 3’.

Cadena Retardada: Si nos fijamos en la dirección de duplicación, nos daremos cuenta que en la cadena retardada es el extremo 5’ el que queda a merced de la acción de la ADN polimerasa III. En este caso La ADN polimerasa III no encuentra afinidad con este extremo.

gtc

a5’

5’

3’

3’ 5’

3’ 5’3’5’3’5’3’

Primer de ARNHebra nueva

ADN

Origen de replicació

n

Dirección de

duplicación

Cadena líder Cadena retardada

A cada lado de la burbuja a que da lugar la separación de las ramas del ADN. Una vez abierta la cadena de ADN se unen otras proteínas adicionales (conocidas como proteínas de unión a cadena simple o topoisomerasas) a las cadenas individuales del ADN manteniéndolas separadas y evitando que se retuerzan y formen superenrrollamientos.

Entonces en este caso actúa una enzima llamada ARN primasa sintetiza un fragmento de ARN al que llamaremos ARN cebador y que posee un extremo 3’, que será entonces el punto en donde la ADN polimerasa III comience a añadir nucleótidos, continuando por la cadena de ADN de molde En dirección 5’ – 3’. Los fragmentos de ADN sintetizados en esta cadena se denominan Fragmentos de Okazaki.

TERCERA FASE: TERMINACIÓN.

Cuando Una ADN polimerasa III hace contacto con el extremo 5’ del ARN cebador, se desencadena la actividad de la enzima ADN polimerasa I, que remueve al ARN cebador de la cadena retardada y lo remplaza por ADN. Y para terminar el proceso Actúa la enzima ADN ligasa conecta los dos fragmentos de Okazaki de ADN recién sintetizados a través de enlaces fosfodiester.

Una vez unidos todos los fragmentos de Okazaki se completa la doble hélice de ADN.

Actividad 4.

1. explica las etapas de la replicación

2. ¿Cual es la función de la replicación?

3. Realiza un cuadro con las principales proteínas involucradas en la replicación y determina sus caracteristias

4. investiga las diferencias entre la replicación en eucariontes y procariontes