LA ESTRUCTURA DEL ADN

LA ESTRUCTURA DEL ADN

 

Muchos científicos se interesaron en descifrar la estructura del ADN, entre ellos, Francis Crick, James Watson, Rosalind Franklin, y Maurice Wilkins. Watson y Crick integraron todos los datos disponibles en un intento de desarrollar un modelo de la estructura del ADN. Franklin tomó fotomicrografías de difracción de rayos X de cristales de A DN, que fueron la pieza clave del rompecabezas. Los datos que se conocían por ese tiempo eran:

El ADN es una doble hélice, con las bases dirigidas hacia el centro, perpendiculares al eje de la molécula (como los peldaños de una escalera caracol) y las unidades azúcar-fosfato a lo largo de los lados de la hélice (como las barandas de una escalera caracol). Las hebras que la conforman son complementarias (deducción realizada por Watson y Crick a partir de los datos de Chargaff): Adenina se aparea con Timina  y Citocina  con Guanina  y este apareamiento se mantiene debido a la acción de los puentes hidrógeno entre ambas bases. Una purina con doble anillo siempre se aparea con una pirimidina con un solo anillo en su molécula. Las purinas son la Adenina (A) y la Guanina (G). Ya se ha nombrado varias veces en este módulo al ATP (Adenosintrifosfato), formado por la misma adenina, pero en ese caso el azúcar es ribosa, mientras que en el ADN se encuentra la desoxirribosa.

Las Pirimidinas son la Citosina (C) y la Timina (T). Las bases son complementarias, con A en un lado de la molécula únicamente encontramos T del otro lado, lo mismo ocurre con G y C. Si conocemos la secuencia de bases de una de las hebras, conocemos su complementaria.

REPLICACIÓN DEL ADN

Una vez que se comprobó que el ADN era el material hereditario y se descifró su estructura, lo que quedaba era determinar cómo el ADN copiaba su información y cómo la misma se expresaba en el fenotipo (el conjunto de las características de un organismo resultantes de la expresión de su genotipo: la información contenida en su ADN). Matthew Meselson y Franklin W. Stahl diseñaron el experimento para determinar el método de la replicación del ADN. Los tres modelos de replicación posibles eran:

Replicación conservativa durante la cual se produciría un ADN completamente nuevo durante la replicación.

En la replicación semiconservativa se originan dos moléculas de ADN, cada una de ellas compuesta de una hebra del ADN original y de una hebra complementaria nueva. En otras palabras el ADN se forma de una hebra vieja y otra nueva. Es decir que las hebras existentes sirven de molde complementario a las nuevas.

La replicación dispersiva implicaría la ruptura de las hebras de origen durante la replicación que, de alguna manera, se reordenarían en una molécula con una mezcla de fragmentos nuevos y viejos en cada hebra de ADN.

El experimento de Meselson-Stahl (Figura IX-1) consistió en cultivar la bacteria Escherichia coli en un medio que contenía nitrógeno pesado (15N es más pesado que el isótopo más común, el 14N). La primera generación de bacterias se hizo crecer en un medio que únicamente contenía 15N como fuente de nitrógeno. La bacteria se transfirió luego a un medio con 14N. Watson y Crick habían pronosticado que la replicación del ADN era semiconservativa, de ser así el ADN extraído de las bacterias luego de cultivarlas por una generación en 14N tendría un peso intermedio entre el ADN extraído del medio con 15N y el del extraído de medio con 14N y así fue.

La replicación del ADN, que ocurre una sola vez en cada generación celular, necesita de muchos “ladrillos”, enzimas, y una gran cantidad de energía en forma de ATP (como ya se ha dicho, luego de la fase S del ciclo celular las células pasan a una fase G a fin de, entre otras cosas, recuperar energía para la siguiente fase de la  división celular). La replicación del ADN se produce en el ser humano a una velocidad de 50 nucleótidos por segundo y en procariotas a 500/segundo. Los nucleótidos tienen que se armados y estar disponibles en el núcleo juntamente con la energía para unirlos. La iniciación de la replicación siempre acontece en un cierto grupo de nucleótidos llamados origen de la replicación, y requiere, entre otras, las enzimas helicasas para romper los puentes hidrógeno y las topoisomerasas para aliviar la tensión, y las proteínas de unión a cadena simple para mantener separadas las cadenas abiertas.

Una vez que se abre la molécula, se forma una área conocida como “burbuja de replicación”. En ella se encuentran las “horquillas de replicación”. Por acción de la ADN-polimerasa los nuevos nucleótidos entran en la horquilla y se enlazan con el nucleótido correspondiente de la cadena de origen (A con T, C con G). Los  procariotas abren una sola burbuja de replicación, mientras que los eucariotas abren múltiples burbujas. Finalmente el ADN se replica en toda su longitud por confluencia de estas “burbujas”.  Dado que las cadenas del ADN son antiparalelas, y que la replicación procede solo en la dirección 5' to 3' en amba s cadenas, numerosos experimentos mostraron que una cadena formará una copia continua, mientras que en la otra se formarán una

serie de fragmentos cortos conocidos como fragmentos de Okazaki. La cadena que se sintetiza de manera continua se conoce como cadena adelantada y, la que se sintetiza en fragmentos, cadena atrasada. Para que trabaje la ADN-polimerasa es necesaria la presencia, en el inicio de cada nuevo fragmento, de pequeñas unidades de ARN conocidas como cebadores. A posteriori, cuando la polimerasa toca el extremo 5' de un cebador, se activan otras enzimas, que remueven los fragmentos de ARN, colocan nucleótidos de ADN en su lugar y, una ADN-ligasa los une a la cadena en crecimiento.

ÁCIDO RIBONUCLEICO (ARN)

-Es un polímero de ribonucleótidos de A, G, C y U, en los que la pentosa es la ribosa.

-Con la excepción de los reovirus donde el ARN es bicatenario y constituye su material genético, los ARN son monocatenarios, aunque algunos pueden presentar regiones de apareamiento o complementariedad intracatenarias.

-Hay distintos tipos de ARN y sus funciones están relacionadas con la síntesis de proteínas.

-Los ARN se forman por transcripción de una cadena de la doble hélice de ADN, mediante la complementariedad de bases. Así se sintetizan los llamados transcritos primarios, que deben sufrir un proceso de maduración diferencial para originar los distintos tipos de ARN. (En procariotas no se produce este proceso de maduración en el caso del ARNm).

1) ARNm

-Solamente posee estructura primaria y está formado por 300-500 ribonucleótidos, representando el 5% del total de ARN. Tiene un peso molecular intermedio entre el ARNr y el ARNt.

-Su función es transportar la información genética codificada desde el núcleo hasta los ribosomas, para que tenga lugar la traducción de ese código (síntesis de proteínas).

-Estas moléculas tienen una vida muy corta, ya que tras su elaboración (transcripción) y cumplida su misión (traducción), son rápidamente degradadas (un minuto en bacterias).

Los ARN-transcritos primarios tienen fragmentos que codifican para la síntesis de proteínas, llamados exones, alternando con otras secuencias que no contienen esa información, llamadas intrones, y que son eliminados durante el proceso de maduración diferencial (en procariotas no hay maduración diferencial de ARNm).

2) ARNr

-Estas moléculas tienen entre 3.000 y 5.000 ribonucleótidos, representando el 80% del total del ARN. Tienen el peso molecular más elevado de todos los ARN.

-Junto a moléculas proteicas constituyen unidades supramoleculares, los ribosomas, que se encargan de sintetizar las proteínas, según la secuencia de nucleótidos del ARNm.

-Estas moléculas se elaboran en el nucleolo a partir de un único ARN nucleolar precursor, que posteriormente se fragmenta para originar las subunidades ribosómicas.

-Algunos ARNr tienen tramos de doble hélice intracatenaria porque presentan secuencias complementarias. El ARNr contribuye a dar al ribosoma su estructura acanalada, la cual le permite albergar simultáneamente un ARNm, un complejo de transferencia (ARNt-AA) y la proteína en síntesis.

-Su función, por tanto, está relacionada con la traslación del ribosoma a lo largo de la molécula de ARNm, durante la traducción.

-Hay distintos tipos de ribosomas (distintos ARNr), siendo siempre más pequeños en procariotas que en eucariotas.

3) ARNt

-Se trata de moléculas pequeñas (70-80 nucleótidos) y representa el 15% del total de ARN, siendo su peso molecular el más bajo de los ARN vistos. Los ARNt poseen alrededor de un 10% de derivados de las bases que tiene.

-Su estructura tridimensional presenta bucles y zonas de doble hélice intracatenaria mantenida por puentes de H; se conoce como estructura de trébol.

-Su función es triple:

a) captar AA activados del citoplasma.

b) transferirlos a los ribosomas en síntesis.

c) colocarlos en el lugar que les corresponde en la proteína de acuerdo con la información codificada en elARNm.

De lo anterior se deduce que los ARNt son específicos, de forma que cada AA sólo se une a un determinado ARNt o a un determinado grupo de ARNt; es decir, al menos, existe un ARNt para cada AA.

-Se conocen alrededor de 60 especies distintas de ARNt, pero todas poseen unas características comunes:

a) cada ARNt posee un bucle por el que, a través de una enzima específica (aminoacil-ARNt sintetasa), es capaz de reconocer y unirse a uno de los 20 aminoácidos proteicos.

b) cada ARNt tiene otro bucle donde se encuentra el anticodón, que es un triplete de nucleótidos complementario de un codón específico del ARNm.

c) cada ARNt tiene un extremo C3´por donde se une al AA específico para constituir el complejo de transferencia ARNt-AA.

4) ARNhn

-Se trata de moléculas de ARN del núcleo celular que tienen funciones catalíticas (por esta razón, también se las llama ribozimas); concretamente están implicadas en los procesos de maduración del ARNm, siendo capaces de cortar segmentos de los transcritos primarios y algunas estructuras mixtas ADN-ARN que se forman durante la duplicación del ADN.

-Como los demás ARN, es monocatenario.

EL LENGUAJE DE LA VIDA

El ADN, que posee toda la información genética necesaria para el funcionamiento de una célula, se aloja en el núcleo celular; por otra parte, la síntesis de las diferentes proteínasy enzimas (síntesis que resulta de las órdenes recibidas desde el ADN) ocurre en el citoplasma de la célula. El ácido ribonucleico o ARN mensajero (ARNm) es el encargado de transportar la información desde el núcleo hasta el citoplasma ya que por medio de un proceso llamado de transcripción copia en sus propias bases la información contenida en el ADN. Cabe preguntarse, entonces, de qué manera las cuatro bases del ARNm (adenina, A; citosina, C; guanina, G; uracilo, U) representan a los veinte aminoácidos que forman las proteínas y cómo está preestablecido en el ARNm el orden en el cual deberán ubicarse dichos aminoácidos en las cadenas peptídicas (los aminoácidos se unen mediante enlaces llamados peptídicos) para que pueda producirse la síntesis de las diferentes proteínas y enzimas del organismo.

Con el fin de contestar estas preguntas imaginémonos un sistema alfabético en el cual las cuatro bases son letras y los veinte aminoácidos, palabras. Además, permitámonos la licencia de aceptar que todas las palabras están representadas por un mismo número de letras. En un sistema de este tipo, si las palabras estuvieran constituidas por una única letra, solamente se podrían obtener cuatro palabras diferentes (una por cada base). Dos letras por palabra permitirían formar 42 = 16 palabras (2 representa el número de letras por palabra y 4 el número de letras del alfabeto). Si utilizáramos tres letras, obtendríamos 43 = 64 palabras distintas, y con series de cuatro letras la cantidad de palabras posibles sería 44 = 256. Teniendo en cuenta que solamente necesitamos 20 palabras distintas, una por aminoácido, el sistema de tres letras por palabra satisface con creces nuestros requerimientos. En efecto, actualmente se acepta que cada uno de los veinte aminoácidos está representado en la cadena de los ácidos nucleicos por una secuencia de tres bases (tripletes).

Con el sistema alfabético empleado hemos podido contestar la primera de las preguntas que nos formuláramos, de manera que ahora sabemos cómo cuatro bases (letras) pueden representar a veinte aminoácidos (palabras). Responder a la segunda cuestión ‑cómo está preestablecido en el ARNm el orden en el cual se ubicarán los aminoácidos en la cadena peptídico para dar origen a las diferentes proteínas‑ obliga a determinar, en primer lugar, de qué manera, dada una sucesión de letras, se identifican los tripletes que designan a cada uno de los aminoácidos.

Podríamos pensar en recurrir a un sistema de tripletes de letras superpuestas (a partir, por ejemplo, de la sucesión AMARO, los tripletes posibles comenzarían con cada una de las letras de la serie: AMA, MAR, ARO), pero por tratarse de una opción en la que cada una de las palabras debe utilizar las dos últimas letras de la palabra anterior, se produce una limitación que no condice con la flexibilidad exigida por la gran variedad de proteínas que se deben codificar.

Un sistema de tripletes constituido por los sucesivos grupos de tres letras de la serie (por ejemplo, AMAMASQUEANA=AMA MAS QUE ANA) resulta un modelo adecuado pues admite gran variedad de frases. Sin embargo, presenta el inconveniente de que al colocar dichas frases una tras otra sería difícil determinar cuáles son las palabras con las que comienza y termina cada una de ellas (por ejemplo, PAN CON SAL AMA MAS QUE ANA ESE REY). El problema se solucionaría colocando al final de cada frase una señal que sirviera como signo de puntuación (PAN CON SAL XXX AMA MAS QUE ANA XXX ESE REY XXX).

En efecto, éste es el sistema: un gen está formado por una secuencia de tripletes correspondientes a los aminoácidos de una cadena peptídica y por un triplete que no corresponde a ningún aminoácido y tiene por función indicar su fin. Vale decir que actúa como sistema de puntuación.

Hasta aquí hemos analizado el aspecto teórico del código genético. En la tabla adjunta se indican las bases que forman los tripletes representativos de cada aminoácido. Ella muestra que varios tripletes pueden representar un mismo aminoácido; debido a este fenómeno se califica al código genético como "degenerado". En los casos en que varios tripletes corresponden a un aminoácido, la base que habitualmente varía es la tercera y con menos frecuencia, la primera; la segunda base, en cambio, es constante. Los tripletes identificados con las letras CT (" chain terminator" = terminador de cadena) son los tripletes que cumplen funciones de puntuación.

EL CÓDIGO GENÉTICO

-La traducción o síntesis de proteínas tiene lugar en los ribosomas de manera similar en procariotas y eucariotas.

La traducción consiste en la unión de los AA mediante enlaces peptídicos, según una secuencia que corresponde a la de los nucleótidos (bases nitrogenadas) en el ARNm.

-La clave que establece la correspondencia entre una secuencia de bases nitrogenadas del ARNm con una secuencia de AA de una proteína es lo que define el código genético.

La unidad de esta clave genética o unidad codificadora es el codón y está constituido por un triplete de bases nitrogenadas del ARNm al que corresponde un determinado AA de la proteína.

-Características del código genético:

1) El código posee toda la información para llevar a cabo su función (control del metabolismo) y es lo suficientemente estable como para que, tras la reproducción, los descendientes estén dotados de la misma información.

2) El código es degenerado, lo que significa que existen AA que son codificados por más de un codón (excepto el triptófano y la metionina, los demás AA están codificados por más de un codón).

Esta degeneración no es uniforme, ya que no todos los AA se codifican por el mismo número de tripletes (por ejemplo: la serina lo está por seis y la tironina por dos).

3) Existen codones-stop que no codifican AA y actúan a modo de señales que indican el final de la traducción. Asimismo, hay un codón (AUG, codificador de la metionina) que actúa como señal de iniciación de la traducción del mensaje.

4) No hay imbricación o solapamiento de bases, es decir, cada base sólo pertenece a un codón.

5) El código es universal, pues es el mismo en todos los seres vivos.

UUU	Phe	UCU	Ser	UAU	Tyr	UGU	Gys
UUC		UUC		UAC		UGC
UUA	Leu	UCA		UAA	CT	UGA	CT
UUG		UCG		UAG		UGG	Trp
CUU	Leu	CCU	Pro	CAU	His	CGU	Arg
CUC		CCC		CAC		CGC
CUA		CCA		CAA	Gln	CGA
CUG		CCG		CAG		CGG
AUU	Ilu	ACU	Thr	AAU	Asn	AGU	Ser
AUC		ACC		AAC		AGC
AUA	Ilu	ACA		AAA	Lys	AGA	Arg
AUG	Met	ACG		AAG		AGG
GUU	Val	GCU	Ala	GAU	Asp	GGU	Gly
GUC		GCC		GAC		GGC
GUA		GCA		GAA	Glu	GGA
GUG		GCG		GAG		GGG

 

Código genético. Tripletes y aminoácidos codificados: Phe = fenilalanina; Leu = leucina; Ilu = isolencina; Met = metionina; Val = valina; Ser = serina; Pro = prolina; Thr = treonina; Ala = alanina; Tyr = tirosina; His = histidina; Gln = glutamina; Asn = asparagina; lys = lisina; Asp = ácido aspártico; Glu = ácido glutámico; Cys = cistina; Trp = triplofano; Arg = arginina; Gly = glicina; CT = terminador de cadena.