6.2: ADN y ARN

¿Qué te hace... a ti?

Esta persona tiene el pelo naturalmente rojo. ¿Por qué este pelo es rojo en vez de algún otro color? Y, en general, ¿qué causa que ocurran rasgos específicos? Hay una molécula en los seres humanos y en la mayoría de los demás seres vivos que es en gran parte responsable de sus rasgos. La molécula es grande y tiene una estructura espiral en eucariotas. ¿Qué molécula es? Con estos indicios, probablemente sepas que la molécula es ADN.

Figura\(\PageIndex{1}\): Pelo rojo

Presentamos el ADN

Hoy en día, se sabe comúnmente que el ADN es el material genético que se transmite de padres a hijos y determina nuestros rasgos. Durante mucho tiempo, los científicos sabían que tales moléculas existían, es decir, eran conscientes de que la información genética está contenida dentro de las moléculas bioquímicas. Sin embargo, no sabían qué moléculas desempeñan este papel. De hecho, durante muchas décadas, los científicos pensaron que las proteínas eran las moléculas que contienen información genética.

Descubrimiento de que el ADN es el Material Genético

Determinar que el ADN es el material genético fue un hito importante en biología. Muchos científicos tardaron en realizar experimentos creativos a lo largo de varias décadas para demostrar con certeza que el ADN es la molécula que determina los rasgos de los organismos. Esta investigación comenzó a principios del siglo XX.

Experimentos de Griffith con ratones

El primer descubrimiento importante se realizó en la década de 1920. Un científico estadounidense llamado Frederick Griffith estaba estudiando ratones y dos cepas diferentes de una bacteria llamada cepa R (áspera) y cepa S (lisa). Inyectó las dos cepas bacterianas en ratones. La cepa S fue virulenta y mató a los ratones, mientras que la cepa R no fue virulenta y no mató a los ratones. Puedes ver estos detalles en la Figura\(\PageIndex{2}\). Griffith también inyectó a ratones bacterias de la cepa S que habían sido destruidas por el calor. Como era de esperar, la bacteria muerta no dañó a los ratones. Sin embargo, cuando las bacterias muertas de la cepa S se mezclaron con bacterias vivas de la cepa R y se inyectaron, los ratones murieron.

Figura\(\PageIndex{2}\): Experimento de Griffith descubriendo un “principio transformante” en neumococos lisos virulentos muertos por calor que permite la transformación de bacterias neumocócicas ásperas no virulentas rugosas.

Con base en sus observaciones, Griffith dedujo que algo en la cepa S muerta se transfirió a la cepa R previamente inofensiva, haciendo que la cepa R sea mortal. ¿Qué era ese “algo”? ¿Qué tipo de sustancia podría cambiar las características del organismo que la recibió?

Avery y sus colegas hacen una importante contribución

A principios de la década de 1940, un equipo de científicos dirigido por Oswald Avery intentó responder a la pregunta planteada por los resultados de la investigación de Griffith. Primero, inactivaron diversas sustancias en la bacteria de la cepa S. Luego mataron a la bacteria de la cepa S y mezclaron los restos con bacterias vivas de la cepa R. (Tenga en cuenta que la bacteria de la cepa R normalmente no dañó a los ratones). Cuando inactivaron proteínas, la cepa R fue mortal para los ratones inyectados. Esto descartó las proteínas como material genético. ¿Por qué? Incluso sin las proteínas de la cepa S, la cepa R se cambió o se transformó en una cepa mortal. Sin embargo, cuando los investigadores inactivaron el ADN en la cepa S, la cepa R permaneció inofensiva. Esto llevó a la conclusión de que el ADN —y no la proteína— es la sustancia que controla las características de los organismos. En otras palabras, el ADN es el material genético.

Hershey y Chase confirman los resultados

La conclusión de que el ADN es el material genético no fue ampliamente aceptada hasta que fue confirmada por investigaciones adicionales. En la década de 1950, Alfred Hershey y Martha Chase hicieron experimentos con virus y bacterias. Los virus no son células. En cambio, son básicamente ADN (o ARN) dentro de una cubierta proteica. Para reproducirse, un virus debe insertar su propio material genético en una célula (como una bacteria). Entonces usa la maquinaria de la célula para producir más virus. Los investigadores utilizaron diferentes elementos radiactivos para etiquetar el ADN y las proteínas en los virus de ADN. Esto les permitió identificar qué molécula insertaron los virus en las células bacterianas. El ADN fue la molécula que identificaron. Esto confirmó que el ADN es el material genético.

Chargaff se enfoca en bases de ADN

Erwin Chargaff (1905-2002), bioquímico austriacoamericano de la Universidad de Columbia, analizó la composición base del ADN de diversas especies. Esto lo llevó a proponer dos reglas principales que se han denominado apropiadamente reglas de Chargaff.

Regla 1

Chargaff determinó que en el ADN, la cantidad de una base, una purina, siempre es aproximadamente igual a la cantidad de una segunda base particular, una pirimidina. Específicamente, en cualquier ADN bicatenario, el número de unidades de guanina equivale aproximadamente al número de unidades de citosina y el número de unidades de adenina equivale aproximadamente al número de unidades de timina.

El ADN humano es 30.9% A y 29.4% T, 19.9% G y 19.8% C. La regla constituye la base de los pares de bases en la doble hélice del ADN: A siempre se empareja con T, y G siempre se empareja con C. También demostró que el número de purinas (A+G) siempre se aproxima al número de pirimidinas (T+C), un obvio consecuencia de la naturaleza de emparejamiento de bases de la doble hélice de ADN.

Regla 2

En 1947 Chargaff demostró que la composición del ADN, en términos de las cantidades relativas de las bases A, C, G y T, variaba de una especie a otra. Esta diversidad molecular se sumó a la evidencia de que el ADN podría ser el material genético.

Figura\(\PageIndex{3}\): Estructura química de las cuatro bases nitrogenadas en las dos cadenas de ADN. Observe cómo las purinas (A y G) están compuestas por dos estructuras de anillo, mientras que las pirimidinas (T y C) están compuestas por una estructura de anillo. El ADN de todas las especies tiene las mismas cuatro bases nitrogenadas. La figura también ilustra que la adenina se empareja con timina y guanina se empareja con citosina.

Descubrimiento de la Doble Hélice

Después de que se demostró que el ADN era el material genético, los científicos quisieron aprender más sobre él, incluida su estructura. James Watson y Francis Crick suelen recibir crédito por descubrir que el ADN tiene una forma de doble hélice como una escalera de caracol, como se muestra en la Figura\(\PageIndex{4}\). De hecho, el descubrimiento de Watson y Crick de la doble hélice dependía en gran medida del trabajo previo de Rosalind Franklin y otros científicos, quienes habían utilizado rayos X para aprender más sobre la estructura del ADN. Desafortunadamente, Franklin y estos otros científicos no suelen recibir crédito por sus importantes contribuciones al descubrimiento de la doble hélice.

Figura\(\PageIndex{4}\): La estructura de doble hélice del ADN se asemeja a una escalera retorcida. En esta imagen A. Adenina B. Timina C. Guanina D. Citosina 1. Azúcar, Fosfato, Cadena 2. Par de bases 3. Base nitrogenada. Esta imagen también muestra la aplicación de 2 reglas de Chargaff.

La forma de doble hélice del ADN, junto con las reglas de Chargaff, llevaron a una mejor comprensión del ADN. Como ácido nucleico, el ADN se elabora a partir de monómeros nucleotídicos. Las cadenas largas de nucleótidos forman polinucleótidos, y la doble hélice del ADN consiste en dos cadenas polinucleotídicas. Cada nucleótido consiste en un azúcar (desoxirribosa), un grupo fosfato y una de las cuatro bases (adenina, citosina, guanina o timina). Las moléculas de azúcar y fosfato en nucleótidos adyacentes se unen entre sí y forman la “cadena principal” de cada cadena polinucleotídica.

Los científicos concluyeron que los enlaces entre las bases mantienen unidas las dos cadenas polinucleotídicas del ADN. Además, la adenina siempre se une a la timina, y la citosina siempre se une a la guanina. Por eso estos pares de bases se denominan pares de bases complementarias. Si miras las bases nitrogenadas en la Figura\(\PageIndex{3}\), verá por qué las bases se unen solo en estos maridajes. La adenina y la guanina tienen una estructura de dos anillos, mientras que la citosina y la timina tienen solo un anillo. Si la adenina se uniera con guanina así como con timina, por ejemplo, la distancia entre las dos cadenas de ADN sería variable. Sin embargo, cuando una molécula de un anillo (como la timina) siempre se une con una molécula de dos anillos (como la adenina), la distancia entre las dos cadenas permanece constante. Esto mantiene la forma uniforme de la doble hélice del ADN. Los pares de bases unidas (A-T y G-C) se adhieren en el medio de la doble hélice, formando, en esencia, los escalones de la escalera de caracol.

Replicación de ADN

El conocimiento de la estructura del ADN ayudó a los científicos a comprender cómo se replica el ADN. La replicación del ADN es el proceso en el que se copia el ADN. Se produce durante la fase de síntesis (S) del ciclo celular eucariota. El ADN debe copiarse para que, después de que ocurra la división celular, cada célula hija tenga un conjunto completo de cromosomas.

La replicación del ADN comienza cuando una enzima rompe los enlaces entre bases complementarias en la molécula. Esto expone las bases dentro de la molécula para que puedan ser “leídas” por otra enzima y utilizadas para construir dos nuevas cadenas de ADN con bases complementarias. Las dos moléculas hijas que resultan contienen cada una una cadena de la molécula parental y una nueva cadena que es complementaria a ella. Como resultado, las dos moléculas hijas son idénticas a la molécula parental. Se trata de un proceso semi-conservador (ver Figura\(\PageIndex{5}\).)

Figura\(\PageIndex{5}\): Replicación de ADN. La replicación del ADN es un proceso semi-conservador. La mitad de la molécula de ADN parental se conserva en cada una de las dos moléculas de ADN hijas. La hebra azul pertenece a la célula parental, y la cadena de ADN verde representa una cadena de ADN completamente nueva.

Helicasa y Polimerasa

La replicación del ADN comienza como una enzima, la helicasa de ADN, rompe los enlaces de hidrógeno que mantienen unidas las dos cadenas y forma una horquilla de replicación (ver Figura\(\PageIndex{6}\). La estructura resultante tiene dos cadenas ramificadas de la cadena principal de ADN con bases expuestas. Estas bases expuestas permiten que el ADN sea “leído” por otra enzima, la ADN polimerasa, que luego construye la cadena de ADN complementaria. A medida que la helicasa de ADN continúa abriendo la doble hélice, la horquilla de replicación crece.

Hebras principales y rezagadas

Dos enzimas ADN polimerasa trabajan en una horquilla de Replicación. Esta enzima solo puede construir nuevo ADN en la dirección 5' → 3'. También necesita un cebador construido por primasa para comenzar a construir ADN. Por lo tanto, las dos nuevas hebras, la hebra l eading y la hebra rezagada, del ADN se “construyen” en direcciones opuestas. La cadena principal es la cadena de ADN que la ADN polimerasa construye en la dirección 5' → 3'. Esta cadena de ADN se elabora de manera continua, moviéndose a medida que crece la horquilla de replicación. La hebra “rezagada” se sintetiza en segmentos cortos conocidos como fragmentos de Okazaki. En la hebra rezagada, la primasa construye un cebador de ARN corto. La ADN polimerasa es entonces capaz de usar el grupo 3'-OH libre en el cebador de ARN para hacer ADN en la dirección 5' → 3' hasta que llega al final de la cadena molde. La ADN polimerasa de la hebra rezagada luego salta para ir más allá en la horquilla de replicación para hacer otro fragmento de Okazaki. Luego se degradan los fragmentos de ARN y se agregan nuevos nucleótidos de ADN para llenar los huecos donde estaba presente el ARN. Otra enzima, la ADN ligasa, es capaz entonces de unir (ligar) los nucleótidos de ADN entre sí, completando la síntesis de la hebra rezagada (Figura\(\PageIndex{6}\)).

Figura\(\PageIndex{6}\): Replicación del ADN. Las dos cadenas de ADN son abiertas por helicasa. Las hebras se mantienen abiertas por una sola cadena de proteínas de unión, evitando el reapareamiento prematuro. La topoisomerasa resuelve el problema causado por la tensión generada por el enrollado/desenrollado del ADN. Esta enzima envuelve el ADN y hace un corte permitiendo que la hélice gire y se relaje. Una vez que el ADN está relajado, la topoisomerasa reconecta las hebras rotas. La ADN primasa sintetiza un cebador de ARN corto que inicia el fragmento de Okazaki y la cadena principal. La ADN polimerasa sintetiza la cadena principal y los fragmentos de Okazaki. Los fragmentos de Okazaki se unen mediante ADN ligasa después de que se eliminan los cebadores.

¿Qué es el ARN?

La estructura del ARN difiere de la estructura del ADN en tres formas específicas. Ambos son ácidos nucleicos y están hechos de nucleótidos; sin embargo, el ARN es monocatenario mientras que el ADN es bicatenario. Los nucleótidos de ARN, como los del ADN, tienen tres partes: un azúcar de 5 carbonos, un grupo fosfato y una base. El ARN contiene el azúcar ribosa de 5 carbonos, mientras que, en el ADN, el azúcar es desoxirribosa. La diferencia entre ribosa y desoxirribosa es la falta de un grupo hidroxilo unido al anillo de pentosa en la posición 2' de la desoxirribosa (ver figura Figura\(\PageIndex{7}\).

Tabla\(\PageIndex{1}\): comparación de ARN y ADN

	RNA	ADN
Hebras	de una sola cadena	de doble cadena
Base Específica	contiene uracilo	contiene timina
Azúcar	ribosa	desoxirribosa
Tamaño	relativamente pequeño	grande (cromosomas)
Ubicación	se mueve al citoplasma	se queda en núcleo
Tipos	3 tipos: ARNm, ARNt, ARNr	generalmente 1 tipo

Aunque tanto el ARN como el ADN contienen las bases nitrogenadas adenina, guanina y citosina, el ARN contiene la base nitrogenada uracilo en lugar de timina. El uracilo se empareja con adenina en el ARN, así como la timina se empareja con adenina en el ADN. El uracilo y la timina tienen estructuras muy similares; el uracilo es una forma no metilada de timina.

La secuencia de nucleótidos del ARN, que es complementaria a la secuencia de ADN, permite al ARN codificar información genética. Sin embargo, el ARN lleva la información genética de un solo gen. De ahí que, en comparación con el ADN, las moléculas de ARN son relativamente pequeñas.

Figura\(\PageIndex{7}\). Comparación de un ARN monocatenario y un ADN bicatenario con sus correspondientes nucleobases. También, refiérase a Tabla\(\PageIndex{1}\) como su lectura de esta imagen.

Revisar

1. Esbozar los descubrimientos que llevaron a la determinación de que el ADN, y no la proteína, es la molécula bioquímica que contiene información genética.
2. Reglas del Encargado Estatal. Explicar cómo se relacionan las reglas con la estructura de la molécula de ADN.
3. Explique cómo la estructura de una molécula de ADN es como una escalera de caracol. ¿Qué partes de la escalera representan las diversas partes de la molécula?
4. Describir el proceso de replicación del ADN.
5. ¿Cuándo ocurre la replicación del ADN y por qué se dice que el proceso es semiconservador?
6. ¿Por qué crees que las bacterias muertas de la cepa S inyectadas en ratones no dañan a los ratones pero los matan cuando se mezclan con bacterias vivas (y normalmente inofensivas) de la cepa R?
7. En el experimento de Griffith, ¿crees que el tratamiento térmico que mató a la bacteria también inactivó el ADN bacteriano? ¿Por qué o por qué no?
8. Dé un ejemplo de una pieza de evidencia específica que ayudó a descartar las proteínas como material genético.
9. Verdadero o Falso. Las bases de dos anillos siempre se unen entre sí.
10. Verdadero o Falso. La replicación del ADN implica la ruptura de una de las cadenas polinucleotídicas en nucleótidos individuales.
11. Verdadero o Falso. En el ADN, cada nucleótido tiene un azúcar.
12. ¿Cuál sería la cadena complementaria de este tramo de bases de ADN? GTTAC
13. ¿Qué científicos detectaron ADN etiquetado que se transfirió de un organismo a otro?
    1. Hershey y Chase
    2. Chargaff
    3. Avery
    4. Griffith
14. ¿Qué enzima rompe los enlaces entre bases complementarias y agrega nuevos nucleótidos complementarios a las cadenas parentales durante la replicación del ADN?
    1. Fosfatos
    2. Enzimas
    3. Virus
    4. Moléculas de ARN
15. Describir las diferencias entre ADN y ARN.
16. ¿Cómo se replica el ADN? ¿Por qué la replicación del ADN se llama un proceso “semi-conservador”?
17. ¿Cuáles son los papeles de las siguientes enzimas?
    1. ADN polimerasa
    2. ADN helicasa
    3. ADN ligasa
    4. primasa

Explora más

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Rosalind Franklin fue una científica británica que ayudó a descubrir la estructura del ADN. Para obtener más información, consulta esto:

Atribuciones

1. Rood de Zoë Cleeren, dominio público vía Wikimedia Commons
2. Experimento Griffith de Madprime, dedicado CC0 vía Wikimedia Commons
3. Nucleótido de ADN por OpenStax College, con licencia CC BY 3.0 vía Wikimedia Commons
4. Estructura y bases del ADN por MesserWoland, con licencia CC BY-SA .30 vía Wikimedia Commons
5. Replicación de ADN por Madprime, CC0 dedicado a través de Wikimedia Commons
6. Replicación de ADN por LadyofHats Mariana Ruiz, liberada al dominio público a través de Wikimedia Commons
7. Diferencia de ADN y ARN por Roland1952 con licencia CC BY-SA .30 vía Wikimedia Commons
8. Texto adaptado de Biología Humana por CK-12 licenciado CC BY-NC 3.0