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1.1: La estructura del ADN - Biología

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Objetivos de aprendizaje

  • Identifique el azúcar, el fosfato, la base nitrogenada, los carbonos 5 'y 3' en un nucleótido y la diferencia clave entre el ADN y el ARN.
  • Explica la estructura de la doble hélice, incluido el papel de los enlaces de hidrógeno y los enlaces covalentes (fosfodiéster).
  • Explique por qué la abundancia de A es aproximadamente igual a T y G es aproximadamente igual a C en el ADN.
  • Utilizando las reglas del emparejamiento de bases, predice la hebra complementaria (o antiparalela) de ADN para una secuencia determinada.

Los ácidos nucleicos son las macromoléculas más importantes para la continuidad de la vida. Llevan el modelo genético de una célula y llevan instrucciones para el funcionamiento de la célula.

ADN y ARN

Los dos tipos principales de ácidos nucleicos son el ácido desoxirribonucleico (ADN) y el ácido ribonucleico (ARN). El ADN es el material genético que se encuentra en todos los organismos vivos, desde bacterias unicelulares hasta mamíferos multicelulares. El ADN se encuentra en el núcleo de los eucariotas y en los orgánulos, cloroplastos y mitocondrias. En los procariotas, el ADN no está encerrado en una envoltura membranosa.

Todo el contenido genético de una célula se conoce como su genoma y el estudio de los genomas es genómica. En las células eucariotas, pero no en las procariotas, el ADN forma un complejo con las proteínas histonas para formar la cromatina, la sustancia de los cromosomas eucariotas. Un cromosoma puede contener decenas de miles de genes. Muchos genes contienen la información para fabricar productos proteicos; otros genes codifican productos de ARN. El ADN controla todas las actividades celulares activando o desactivando los genes.

El otro tipo de ácido nucleico, el ARN, participa principalmente en la síntesis de proteínas. Las moléculas de ADN nunca abandonan el núcleo, sino que utilizan un intermediario para comunicarse con el resto de la célula. Este intermediario es el ARN mensajero (ARNm). Otros tipos de ARN, como ARNr, ARNt y microARN, participan en la síntesis de proteínas y su regulación.

El ADN y el ARN están formados por monómeros conocidos como nucleótidos. Los nucleótidos se combinan entre sí para formar un polinucleótido, ADN o ARN. Cada nucleótido está formado por tres componentes: una base nitrogenada, un azúcar pentosa (cinco carbonos) y un grupo fosfato (Figura ( PageIndex {1} )). Cada base nitrogenada en un nucleótido está unida a una molécula de azúcar, que está unida a uno o más grupos fosfato.

Las bases nitrogenadas, componentes importantes de los nucleótidos, son moléculas orgánicas y se denominan así porque contienen carbono y nitrógeno. Son bases porque contienen un grupo amino que tiene el potencial de unirse a un hidrógeno adicional y, por lo tanto, disminuir la concentración de iones de hidrógeno en el medio ambiente, haciéndolo más básico. Cada nucleótido del ADN contiene una de las cuatro posibles bases nitrogenadas: adenina (A), guanina (G) citosina (C) y timina (T).

La adenina y la guanina se clasifican como purinas. La estructura principal de una purina son dos anillos de carbono-nitrógeno. La citosina, timina y uracilo se clasifican como pirimidinas que tienen un solo anillo de carbono-nitrógeno como estructura primaria (Figura ( PageIndex {1} )). Cada uno de estos anillos básicos de carbono-nitrógeno tiene diferentes grupos funcionales unidos. En forma abreviada de biología molecular, las bases nitrogenadas se conocen simplemente por sus símbolos A, T, G, C y U.El ADN contiene A, T, G y C, mientras que el ARN contiene A, U, G y C.

El azúcar pentosa en el ADN es desoxirribosa y en el ARN, el azúcar es ribosa (Figura ( PageIndex {1} )). La diferencia entre los azúcares es la presencia del grupo hidroxilo en el segundo carbono de la ribosa e hidrógeno en el segundo carbono de la desoxirribosa (por lo que a la desoxirribosa le "falta" un grupo -OH). Los átomos de carbono de la molécula de azúcar se numeran como 1 ′, 2 ′, 3 ′, 4 ′ y 5 ′ (1 ′ se lee como "un primo").

El residuo de fosfato está unido al grupo hidroxilo del carbono 5 ′ de un azúcar y al grupo hidroxilo del carbono 3 ′ del azúcar del siguiente nucleótido, que forma un enlace fosfodiéster 5′-3 ′. El enlace fosfodiéster no se forma por una simple reacción de deshidratación como los otros enlaces que conectan monómeros en macromoléculas: su formación implica la eliminación de dos grupos fosfato. Un polinucleótido puede tener miles de tales enlaces fosfodiéster.

Reglas de Chargaff

Cuando Watson y Crick establecido en la década de 1940 para determinar la estructura del ADN, ya se sabía que el ADN está formado por una serie de cuatro tipos diferentes de moléculas, llamadas bases o nucleótidos: adenina (A), citosina (C), timina (T), guanina (G). Watson y Crick también conocían Reglas de Chargaff, que eran un conjunto de observaciones sobre la cantidad relativa de cada nucleótido que estaba presente en casi cualquier extracto de ADN. Chargaff había observado que para cualquier especie dada, la abundancia de A era la misma que la de T y G era la misma que la de C. Esto era esencial para el modelo de Watson & Crick.

Ejemplo ( PageIndex {1} )

Chargaff determinó la composición de ácidos nucleicos en muestras de una variedad de especies, incluidos procariotas y eucariotas. En una muestra bacteriana, la proporción de adenina fue del 15,5% (datos adaptados de Vischer et al, 1949). ¿Qué proporción de guanina habría estado presente en esta muestra y por qué?

Solución

Debido a que A se empareja con T, la cantidad de T debería ser aproximadamente igual a A, o aproximadamente el 15,5% por ciento. Por tanto, A + T = 15,5 + 15,5 = 31%.

El porcentaje de G + C = 100% - 31% = 69%. Debido a que G se empareja con C, la cantidad de cada uno de estos debe ser aproximadamente igual, aproximadamente un 34,5% cada uno.

Estructura de ADN de doble hélice

Usando modelos metálicos proporcionales de los nucleótidos individuales, Watson y Crick dedujeron una estructura para el ADN que era consistente con las Reglas de Chargaff y con datos de cristalografía de rayos X que se obtuvieron (con cierta controversia) de otra investigadora llamada Rosalind Franklin. En Watson y Crick's famoso doble hélice, cada una de las dos hebras contiene bases de ADN conectadas a través de enlaces covalentes (fosfodiéster) a un esqueleto de azúcar-fosfato. Debido a que un lado de cada molécula de azúcar siempre está conectado al lado opuesto de la siguiente molécula de azúcar, cada hebra de ADN tiene polaridad: estos se llaman el extremo 5 '(5-primo) y el extremo 3' (3-primo), de acuerdo con la nomenclatura de los carbonos en los azúcares. Las dos hebras de la doble hélice corren en antiparalelo (es decir, opuestas), con el extremo de 5 'de una hebra adyacente al extremo de 3' de la otra hebra. La doble hélice tiene un diestro giro, (en lugar del giro a la izquierda que a menudo se representa incorrectamente en los medios populares). Las bases de ADN se extienden desde la columna vertebral hacia el centro de la hélice, con un par de bases de cada hebra formando enlaces de hidrógeno que ayudan a mantener unidas las dos hebras. En la mayoría de las condiciones, las dos hebras están ligeramente desplazadas, lo que crea un surco mayor en una cara de la doble hélice y un surco menor en la otra.

Reglas de emparejamiento de bases

  • A se empareja con T (o U si es ARN)
  • G se empareja con C

Debido a la estructura de las bases, A solo puede formar enlaces de hidrógeno con T, y G solo puede formar enlaces de hidrógeno con C (recuerde las reglas de Chargaff). Por lo tanto, se dice que cada hebra es complementaria de la otra, por lo que cada hebra también contiene suficiente información para actuar como plantilla para la síntesis de la otra. Esta redundancia complementaria es importante en la replicación y reparación del ADN. Si la secuencia de una hebra es AATTGGCC, la hebra complementaria tendría la secuencia TTAACCGG. Durante la replicación del ADN, se copia cada hebra, lo que da como resultado una doble hélice de ADN hija que contiene una hebra de ADN parental y una hebra recién sintetizada.

Estructura 3D de una doble hélice de ADN

Gire la doble hélice para ver la orientación de los azúcares y fosfatos en la columna vertebral (cinta en el modelo), los pares de bases, surcos mayores y menores. (ID de PDB = 1bna https://www.rcsb.org/3d-view/1BNA)

Implicaciones de la estructura del ADN

Como ocurre con la mayoría de las moléculas biológicas, la estructura es importante para la función y la función del ADN es contener información. Las propiedades importantes que se derivan de la estructura del ADN son:

  • Una hebra complementaria siempre se puede sintetizar a partir de una sola hebra, debido a la disposición de los enlaces de hidrógeno entre las bases GC y AT.
  • Los enlaces de hidrógeno estabilizan la doble hélice, pero pueden romperse cuando se necesita acceder al ADN.
  • El orden de las bases contiene la información necesaria para codificar los aminoácidos en las proteínas durante la traducción.
  • Incluso las secuencias de ADN que no codifican aminoácidos pueden proporcionar información al interactuar con proteínas que funcionan en el empaquetamiento y la regulación del ADN. Los surcos mayor y menor del ADN pueden determinar qué secuencias son visibles para las proteínas que interactúan con el ADN.

Ejercicio para pensar en el futuro ( PageIndex {1} )

Se produce una mutación y la citosina se reemplaza por adenina. ¿Qué impacto crees que tendrá esto en la estructura del ADN?

Respuesta

La adenina es más grande que la citosina y no podrá emparejarse correctamente con la guanina de la hebra opuesta, lo que provocará que la doble hélice se abulte en esa posición. Las enzimas reparadoras del ADN pueden reconocer el bulto y reemplazar el nucleótido incorrecto.

Referencias

VISCHER E, ZAMENHOF S, CHARGAFF E. Ácidos nucleicos microbianos; los ácidos nucleicos desoxipentosa del bacilo tuberculoso aviar y la levadura. J Biol Chem. 1949;177(1):429-438.


Ver el vídeo: Structure and Replication of DNA Section 1 Structure of DNA (Agosto 2022).