La estructura del ADN [El MODELO de WATSON y CRICK]

[0:00]Los biólogos de la década de 1940 aceptaban con dificultad el papel del ADN como material genético, debido a su aparente sencillez química. Se pensó que el ADN era un simple polímero largo formado por solo cuatro tipos de subunidades, parecidas químicamente entre sí. En los primeros años de la década de 1950, se estudió el ADN mediante la técnica de difracción de rayos X, un método que permite determinar la estructura tridimensional de una molécula a una resolución atómica. Los primeros resultados de difracción de rayos X aportaron una de las primeras pistas que condujeron a la estructura de Watson y Crick del ADN. Solo cuando se propuso el modelo de la estructura del ADN, resultó evidente la capacidad de esta molécula para la replicación y el almacenamiento de información. En este video, examinaremos la estructura de la molécula de ADN y expondremos de forma muy generalizada por qué puede almacenar información hereditaria. Bienvenidos a una nueva edición de Nutrimente. Aunque la estructura del ADN era desconocida, sus unidades básicas sí se conocían desde hacía muchos años. Los elementos básicos del ADN se habían aislado y analizado mediante rotura parcial del ADN purificado. Tales estudios demostraron que el ADN estaba compuesto solo de cuatro moléculas básicas, llamadas nucleótidos, idénticas entre sí, excepto por contener cada una una base nitrogenada diferente. Cada nucleótido contiene fosfato, azúcar del tipo llamado desoxirribosa, y una de las cuatro bases. En ausencia del grupo fosfato, la base y la desoxirribosa forman un nucleótido en vez de un nucleótido. Las cuatro bases son: adenina, guanina, citosina, y timina. Sin embargo, resulta más cómodo referirse a cada nucleótido por la abreviatura de su base, A, G, C y T respectivamente. Dos de las bases, adenina y guanina, son de estructura similar y se denominan purinas. Las otras dos bases, citosina y timina, también son similares y se denominan pirimidinas. Después de que se hiciera evidente el papel central del ADN en la herencia, muchos científicos se dispusieron a determinar su estructura con exactitud. ¿Cómo puede una molécula con un rango tan limitado de componentes distintos almacenar la inmensa variedad informativa de las estructuras primarias de todas las proteínas de los seres vivos? Los primeros que tuvieron éxito en el empeño de encontrar una estructura razonable para el ADN fueron Watson y Crick en 1953. Trabajaron en dos tipos de pistas. En primer lugar, Rosalind Franklin y Maurice Wilkins habían acumulado gran número de datos de difracción de rayos X sobre la estructura del ADN.

[3:30]En estos experimentos, se dirigen rayos X sobre fibras de ADN y se recoge la difracción de los rayos sobre una película fotográfica en la que los rayos producen manchas. El ángulo de difracción, representado por cada mancha de la película, suministra información sobre la posición en la molécula de ADN de un átomo o ciertos grupos de átomos. Este procedimiento no es fácil de llevar a cabo ni de explicar, y la interpretación de las distribuciones de manchas resulta muy dificultosa. Los datos disponibles sugerían que el ADN es largo y muy fino, y que consta de dos partes similares que corren paralelamente una a otra a lo largo de la molécula.

[4:18]Los datos de rayos X demostraban también que la molécula es helicoidal, como una espiral. Se presentaban otras regularidades en la distribución de manchas, pero nadie había pensado todavía en una estructura tridimensional que diera cuenta exacta de esos patrones de manchas. El segundo tipo de datos a disposición de Watson y Crick procedía del trabajo realizado varios años antes por Erwing Chargaff. Estudiando una variada gama de ADN de diferentes organismos, Chargaff estableció ciertas reglas empíricas sobre las cantidades de cada componente del ADN: En primer lugar, observó que la cantidad total de nucleótidos pirimidínicos (es decir, T más C) es siempre igual a la cantidad total de nucleótidos púricos (A más G). En segundo lugar, observó que la cantidad de T es siempre igual a la de A, y la cantidad de C es siempre igual a la de G. Pero la cantidad de A más T no necesariamente es igual a la de G más C.

[5:36]A partir de estas pistas, Watson y Crick, en un intento de construir un modelo de ADN que concordara con los datos previamente conocidos y explicara su papel biológico, armaron modelos de las moléculas con alambre y hojalata, para ensayar dónde podía encajar cada pieza en el rompecabezas tridimensional. Los dos jóvenes investigadores postularon una estructura de una doble hélice entrelazada y sumamente larga para el ADN, similar a la que se obtendría al retorcer una escalera para formar una hélice, manteniendo los peldaños perpendiculares.

[6:15]Según su modelo, una molécula de ADN está formada por dos largas cadenas de polinucleótidos compuestas por cuatro tipos de subunidades nucleotídicas.

[6:27]Cada una de estas cadenas se denomina cadena o hebra de ADN. Las dos cadenas permanecen unidas entre sí mediante enlaces de hidrógeno que se forman entre las bases de los nucleótidos. Los nucleótidos están unidos covalentemente entre sí a través de los azúcares y los fosfatos, formando una cadena que constituye el esqueleto de azúcar-fosfato, azúcar-fosfato.

[7:00]Los cuatro tipos de subunidades se diferencian únicamente en la base, por lo que cada cadena de polinucleótidos del ADN puede describirse como un collar (el esqueleto) formado por cuatro tipos de cuentas: las cuatro bases A, C, G y T. Las subunidades nucleotídicas se unen entre sí formando la cadena de ADN, de manera que confieren a la molécula una polaridad química. Si imaginamos que cada nucleótido tiene una protuberancia (el fosfato en 5') y un orificio (el hidroxilo en 3'), cada cadena completa, formada por la unión de protuberancias y orificios, tendrá todas sus subunidades alineadas en la misma orientación.

[7:42]Además, los dos extremos de la cadena serán fácilmente diferenciables. Uno será una protuberancia y el otro será un orificio.

[7:54]Esta polaridad del ADN se indica identificando un extremo como extremo 3' y el otro como extremo 5'. La estructura tridimensional del ADN (la doble hélice) es una consecuencia de las propiedades químicas y estructurales que tienen las cadenas de polinucleótidos. Estas dos cadenas se mantienen unidas entre sí por enlaces de hidrógeno que se forman entre las bases de las diferentes cadenas. Por lo tanto, todas las bases se encuentran en el interior de la doble hélice y el esqueleto de azúcar-fosfato en la periferia. En cada caso, una base de dos anillos (una purina) se aparea con una base de un solo anillo (una pirimidina). A siempre se aparea con T, y G siempre con C.

[8:50]Este apareamiento de bases complementarias permite que los pares de bases se empaqueten en el interior de la doble hélice de la forma más favorable energéticamente. Según esta disposición, cada par de bases tiene aproximadamente el mismo tamaño, manteniendo así el esqueleto de azúcar-fosfato a la misma distancia a lo largo de la molécula de ADN. Además, los dos esqueletos de azúcar-fosfato se enrollan uno en torno al otro formando una doble hélice que da una vuelta completa cada 10 pares de bases. Los miembros de cada par de bases solo pueden unirse dentro de la doble hélice si las dos cadenas son antiparalelas, es decir, si la polaridad de una cadena está orientada de manera opuesta a la de la otra cadena. Una consecuencia de los requerimientos del apareamiento de las bases es que cada una de las cadenas de una molécula de ADN contiene una secuencia de nucleótidos exactamente complementaria a la secuencia de nucleótidos de la otra.

[9:58]Vistas en tres dimensiones, las bases aparecen más bien como estructuras planas que se apilan parcialmente una sobre otras en la estructura retorcida de la hélice doble. Este apilamiento de bases coopera tremendamente a la estabilidad de la molécula al excluir las moléculas de agua de los espacios entre los pares de bases. Este fenómeno se parece mucho a la fuerza estabilizadora que se percibe al introducir en el agua dos placas de cristal unidas y se intenta a continuación separarlas. Posteriormente, se observó que había dos formas de ADN en las fibras analizadas mediante difracción. La forma A está menos hidratada que la forma B y es más compacta. Se cree que la forma B del ADN es la que se encuentra comúnmente en las células vivas. El apilamiento de las bases en la doble hélice genera dos surcos en los esqueletos azúcar-fosfato. Tales surcos se denominan surco mayor y surco menor y pueden observarse fácilmente en el modelo tridimensional de espacios atómicos en esta figura. A medida que Watson y Crick trabajaban con el modelo, comenzaron a advertir varios hechos interesantes. Por ejemplo, que los nucleótidos situados en cualquiera de las cadenas de la doble hélice podían acoplarse en cualquier orden o secuencia. Pese a que existen solo cuatro nucleótidos, dado que una molécula de ADN puede tener miles de nucleótidos de largo, la variedad de secuencias diferentes posibles es enorme, y la variedad, como se recordará, es uno de los requisitos primarios del material genético. La elucidación de la estructura del ADN provocó una gran excitación entre los genetistas y en todas las áreas de la biología por dos razones fundamentales. En primer lugar, la estructura sugería una forma obvia por la que la molécula puede ser duplicada o replicada, ya que cada base determina a su complementaria mediante los puentes de hidrógeno. Hasta entonces, esta propiedad esencial de la molécula genética había sido un misterio. En segundo lugar, la estructura hace pensar que quizás la secuencia de pares de nucleótidos del ADN dicte la secuencia de aminoácidos de la proteína determinada por un gen. En otras palabras, algún tipo de código genético podría escribir información en el ADN como una secuencia de pares de nucleótidos y traducirla luego al lenguaje diferente de secuencias de aminoácidos de las proteínas. Profundizaremos en esto en otros videos del canal. Si este video te sirvió para aprender o comprender mejor este tema, o si simplemente te gustó, por favor dale like y te invito a suscribirte al canal para poder tener a mano mucha más información. Porque lo que sabes influencia tu destino.