La molécula de ADN consta de dos hebras que forman una doble hélice. Su estructura fue descifrada por primera vez por Francis Crick y James Watson en 1953.
Al principio, la molécula de ADN, que consta de un par de cadenas de nucleótidos entrelazadas entre sí, generó preguntas sobre por qué tenía esta forma particular. Los científicos llaman a este fenómeno complementariedad, lo que significa que en sus hebras sólo se pueden encontrar ciertos nucleótidos opuestos entre sí. Por ejemplo, la adenina siempre es opuesta a la timina y la guanina siempre es opuesta a la citosina. Estos nucleótidos de la molécula de ADN se denominan complementarios.
Esquemáticamente se representa así:
T-A
do-sol
Estos pares forman un enlace químico de nucleótidos, que determina el orden de los aminoácidos. En el primer caso es un poco más débil. La conexión entre C y G es más fuerte. Los nucleótidos no complementarios no forman pares entre sí.
Sobre el edificio
Entonces, la estructura de la molécula de ADN es especial. Tiene esta forma por una razón: el hecho es que la cantidad de nucleótidos es muy grande y se necesita mucho espacio para acomodar cadenas largas. Es por esta razón que las cadenas se caracterizan por tener un giro en espiral. Este fenómeno se llama espiralización y permite que los hilos se acorten entre cinco y seis veces.
El cuerpo utiliza algunas moléculas de este tipo de forma muy activa, otras rara vez. Estos últimos, además de la espiralización, también se someten a un "envase compacto" como la superespiralización. Y luego la longitud de la molécula de ADN disminuye entre 25 y 30 veces.
¿Qué es el “envase” de una molécula?
El proceso de superenrollamiento involucra proteínas histonas. Tienen la estructura y apariencia de un carrete de hilo o de una varilla. Sobre ellos se enrollan hilos en espiral que inmediatamente quedan “empaquetados de forma compacta” y ocupan poco espacio. Cuando surge la necesidad de utilizar uno u otro hilo, se desenrolla de un carrete, por ejemplo, una proteína histona, y la hélice se desenrolla en dos cadenas paralelas. Cuando la molécula de ADN se encuentra en este estado, se pueden leer de ella los datos genéticos necesarios. Sin embargo, hay una condición. Obtener información sólo es posible si la estructura de la molécula de ADN tiene una forma no retorcida. Los cromosomas que son accesibles para la lectura se denominan eucromatinas y, si están superenrollados, ya son heterocromatinas.
Ácidos nucleicos
Los ácidos nucleicos, al igual que las proteínas, son biopolímeros. La función principal es el almacenamiento, implementación y transmisión de información hereditaria (genética). Los hay de dos tipos: ADN y ARN (desoxirribonucleicos y ribonucleicos). Los monómeros que contienen son nucleótidos, cada uno de los cuales contiene un residuo de ácido fosfórico, un azúcar de cinco carbonos (desoxirribosa/ribosa) y una base nitrogenada. El código de ADN incluye 4 tipos de nucleótidos: adenina (A) / guanina (G) / citosina (C) / timina (T). Se diferencian por la base nitrogenada que contienen.
En una molécula de ADN, la cantidad de nucleótidos puede ser enorme, desde varios miles hasta decenas y cientos de millones. Estas moléculas gigantes pueden examinarse a través de un microscopio electrónico. En este caso, podrá ver una doble cadena de hebras de polinucleótidos, que están conectadas entre sí mediante enlaces de hidrógeno de las bases nitrogenadas de los nucleótidos.
Investigación
Durante el curso de la investigación, los científicos descubrieron que los tipos de moléculas de ADN difieren en los diferentes organismos vivos. También se encontró que la guanina de una cadena solo puede unirse a la citosina y la timina a la adenina. La disposición de los nucleótidos en una cadena corresponde estrictamente a la paralela. Gracias a esta complementariedad de los polinucleótidos, la molécula de ADN es capaz de duplicarse y autorreproducirse. Pero primero, las cadenas complementarias, bajo la influencia de enzimas especiales que destruyen los nucleótidos emparejados, divergen y luego en cada una de ellas comienza la síntesis de la cadena faltante. Esto ocurre debido a los nucleótidos libres presentes en grandes cantidades en cada célula. Como resultado de esto, en lugar de la “molécula madre”, se forman dos “hijas”, idénticas en composición y estructura, y el código de ADN se convierte en el original. Este proceso es un precursor de la división celular. Garantiza la transmisión de todos los datos hereditarios de las células madre a las hijas, así como a todas las generaciones posteriores.
¿Cómo se lee el código genético?
Hoy en día, no sólo se calcula la masa de una molécula de ADN, sino que también es posible descubrir datos más complejos que antes eran inaccesibles para los científicos. Por ejemplo, puede leer información sobre cómo un organismo utiliza su propia célula. Por supuesto, al principio esta información está codificada y tiene la forma de una determinada matriz y, por lo tanto, debe transportarse a un portador especial, que es el ARN. El ácido ribonucleico puede penetrar la célula a través de la membrana nuclear y leer la información codificada en su interior. Por tanto, el ARN es un portador de datos ocultos desde el núcleo a la célula y se diferencia del ADN en que contiene ribosa en lugar de desoxirribosa y uracilo en lugar de timina. Además, el ARN es monocatenario.
síntesis de ARN
Un análisis en profundidad del ADN ha demostrado que una vez que el ARN sale del núcleo, ingresa al citoplasma, donde puede integrarse como matriz en los ribosomas (sistemas enzimáticos especiales). Guiados por la información recibida, pueden sintetizar la secuencia adecuada de aminoácidos proteicos. El ribosoma aprende del código triplete qué tipo de compuesto orgánico debe unirse a la cadena proteica en formación. Cada aminoácido tiene su propio triplete específico, que lo codifica.
Una vez completada la formación de la cadena, adquiere una forma espacial específica y se convierte en una proteína capaz de realizar sus funciones hormonales, constructivas, enzimáticas y otras. Para cualquier organismo es un producto genético. A partir de él se determinan todo tipo de cualidades, propiedades y manifestaciones de los genes.
genes
Los procesos de secuenciación se desarrollaron principalmente para obtener información sobre cuántos genes tiene una molécula de ADN en su estructura. Y, aunque las investigaciones han permitido a los científicos lograr grandes avances en esta materia, aún no es posible saber su número exacto.
Hace apenas unos años se suponía que las moléculas de ADN contenían aproximadamente 100.000 genes. Un poco más tarde, la cifra disminuyó a 80 mil, y en 1998 los genetistas afirmaron que en un ADN solo hay 50 mil genes, que representan solo el 3% de la longitud total del ADN. Pero las últimas conclusiones de los genetistas fueron sorprendentes. Ahora afirman que el genoma incluye entre 25.000 y 40.000 de estas unidades. Resulta que sólo el 1,5% del ADN cromosómico es responsable de codificar proteínas.
La investigación no se detuvo allí. Un equipo paralelo de especialistas en ingeniería genética descubrió que la cantidad de genes en una molécula es exactamente 32 mil. Como puede ver, todavía es imposible obtener una respuesta definitiva. Hay demasiadas contradicciones. Todos los investigadores se basan únicamente en sus resultados.
¿Hubo evolución?
A pesar de que no hay evidencia de la evolución de la molécula (ya que la estructura de la molécula de ADN es frágil y de tamaño pequeño), los científicos aún hicieron una suposición. Basándose en datos de laboratorio, expresaron la siguiente versión: en la etapa inicial de su aparición, la molécula tenía la forma de un péptido simple autorreplicante, que incluía hasta 32 aminoácidos que se encuentran en los océanos antiguos.
Después de la autorreplicación, gracias a las fuerzas de la selección natural, las moléculas adquirieron la capacidad de protegerse de los elementos externos. Comenzaron a vivir más y a reproducirse en mayores cantidades. Las moléculas que se encontraban en la burbuja de lípidos tenían todas las posibilidades de reproducirse. Como resultado de una serie de ciclos sucesivos, las burbujas de lípidos adquirieron la forma de membranas celulares y luego de las conocidas partículas. Cabe señalar que hoy en día cualquier sección de una molécula de ADN es una estructura compleja y que funciona claramente, cuyas características los científicos aún no han estudiado completamente.
Mundo moderno
Recientemente, científicos de Israel han desarrollado una computadora que puede realizar billones de operaciones por segundo. Hoy es el coche más rápido de la Tierra. Todo el secreto es que el innovador dispositivo funciona con ADN. Los profesores afirman que en un futuro próximo estos ordenadores podrán incluso generar energía.
Hace un año, especialistas del Instituto Weizmann de Rehovot (Israel) anunciaron la creación de una máquina de computación molecular programable formada por moléculas y enzimas. Reemplazaron microchips de silicio con ellos. Hasta la fecha, el equipo ha logrado más avances. Ahora una sola molécula de ADN puede proporcionar a un ordenador los datos y el combustible necesarios.
Las “nanocomputadoras” bioquímicas no son una ficción; ya existen en la naturaleza y se manifiestan en todos los seres vivos. Pero muchas veces no están gestionados por personas. Una persona todavía no puede operar el genoma de ninguna planta para calcular, digamos, el número "Pi".
La idea de utilizar ADN para almacenar/procesar datos surgió por primera vez en la mente de los científicos en 1994. Fue entonces cuando se utilizó una molécula para resolver un problema matemático sencillo. Desde entonces, varios grupos de investigación han propuesto diversos proyectos relacionados con las computadoras de ADN. Pero aquí todos los intentos se basaron únicamente en la molécula de energía. Una computadora así no se puede ver a simple vista; parece una solución transparente de agua en un tubo de ensayo. No contiene partes mecánicas, sino solo billones de dispositivos biomoleculares, ¡y esto está en solo una gota de líquido!
ADN humano
La gente se dio cuenta del tipo de ADN humano en 1953, cuando los científicos pudieron demostrar al mundo por primera vez un modelo de ADN bicatenario. Por ello, Kirk y Watson recibieron el Premio Nobel, ya que este descubrimiento se volvió fundamental en el siglo XX.
Con el tiempo, por supuesto, demostraron que una molécula humana estructurada no sólo puede verse como en la versión propuesta. Después de realizar un análisis de ADN más detallado, descubrieron la forma A-, B- y Z- para zurdos. La forma A es a menudo una excepción, ya que se forma sólo en caso de falta de humedad. Pero esto sólo es posible en estudios de laboratorio; para el entorno natural esto es anómalo; tal proceso no puede ocurrir en una célula viva.
La forma de B es clásica y se conoce como cadena doble a la derecha, pero la forma de Z no sólo está girada en la dirección opuesta a la izquierda, sino que también tiene una apariencia más en zigzag. Los científicos también han identificado la forma G-quadruplex. Su estructura no tiene 2, sino 4 hilos. Según los genetistas, esta forma se produce en zonas donde hay un exceso de guanina.
ADN artificial
Hoy ya existe ADN artificial, que es una copia idéntica del real; Sigue perfectamente la estructura de la doble hélice natural. Pero, a diferencia del polinucleótido original, el artificial tiene sólo dos nucleótidos adicionales.
Dado que el doblaje se creó a partir de información obtenida de diversos estudios de ADN real, también se puede copiar, autorreplicar y evolucionar. Los expertos llevan unos 20 años trabajando en la creación de una molécula artificial de este tipo. El resultado es un invento sorprendente que puede utilizar el código genético de la misma manera que el ADN natural.
A las cuatro bases nitrogenadas existentes, los genetistas añadieron dos más, que fueron creadas mediante modificación química de bases naturales. A diferencia del ADN natural, el ADN artificial resultó ser bastante corto. Contiene sólo 81 pares de bases. Sin embargo, también se reproduce y evoluciona.
La replicación de una molécula obtenida artificialmente se produce gracias a la reacción en cadena de la polimerasa, pero hasta ahora esto no ocurre de forma independiente, sino gracias a la intervención de científicos. Añaden de forma independiente las enzimas necesarias a dicho ADN, colocándolo en un medio líquido especialmente preparado.
Resultado final
El proceso y el resultado final del desarrollo del ADN pueden verse influenciados por varios factores, como las mutaciones. Esto hace necesario estudiar muestras de materia para que el resultado del análisis sea fiable y fiable. Un ejemplo es una prueba de paternidad. Pero no podemos evitar alegrarnos de que incidentes como las mutaciones sean raros. Sin embargo, siempre se vuelven a comprobar las muestras de materia para obtener información más precisa a partir del análisis.
ADN vegetal
Gracias a las tecnologías de alta secuenciación (HTS), se ha producido una revolución en el campo de la genómica: también es posible la extracción de ADN de plantas. Por supuesto, obtener ADN de peso molecular de alta calidad a partir de material vegetal plantea algunas dificultades debido a la gran cantidad de copias de ADN de mitocondrias y cloroplastos, así como al alto nivel de polisacáridos y compuestos fenólicos. Para aislar la estructura que estamos considerando en este caso, se utilizan una variedad de métodos.
Enlace de hidrógeno en el ADN.
El enlace de hidrógeno en la molécula de ADN es responsable de la atracción electromagnética creada entre un átomo de hidrógeno cargado positivamente que está unido a un átomo electronegativo. Esta interacción dipolar no cumple el criterio de un enlace químico. Pero puede ocurrir intermolecularmente o en diferentes partes de la molécula, es decir, intramolecularmente.
Un átomo de hidrógeno se une al átomo electronegativo que es el donante del enlace. Un átomo electronegativo puede ser nitrógeno, flúor u oxígeno. A través de la descentralización, atrae hacia sí la nube de electrones del núcleo de hidrógeno y hace que el átomo de hidrógeno esté (parcialmente) cargado positivamente. Dado que el tamaño del H es pequeño en comparación con otras moléculas y átomos, la carga también es pequeña.
decodificación de ADN
Antes de descifrar una molécula de ADN, los científicos primero toman una gran cantidad de células. Para realizar un trabajo más preciso y exitoso, se necesitan alrededor de un millón de ellos. Los resultados obtenidos durante el estudio se comparan y registran constantemente. Hoy en día, la decodificación del genoma ya no es una rareza, sino un procedimiento accesible.
Por supuesto, descifrar el genoma de una sola célula es un ejercicio poco práctico. Los datos obtenidos durante tales estudios no tienen interés para los científicos. Pero es importante comprender que todos los métodos de decodificación que existen actualmente, a pesar de su complejidad, no son lo suficientemente eficaces. Sólo permitirán leer entre un 40-70% del ADN.
Sin embargo, profesores de Harvard anunciaron recientemente un método mediante el cual se puede descifrar el 90% del genoma. La técnica se basa en añadir moléculas cebadoras a células aisladas, con cuya ayuda comienza la replicación del ADN. Pero ni siquiera este método puede considerarse exitoso; todavía necesita ser perfeccionado antes de que pueda usarse abiertamente en la ciencia.
Los ácidos nucleicos son sustancias de alto peso molecular que consisten en mononucleótidos, que están conectados entre sí en una cadena polimérica mediante enlaces fosfodiéster de 3", 5" y están empaquetados en células de una manera determinada.
Los ácidos nucleicos son biopolímeros de dos tipos: ácido ribonucleico (ARN) y ácido desoxirribonucleico (ADN). Cada biopolímero consta de nucleótidos que se diferencian en un residuo de carbohidrato (ribosa, desoxirribosa) y una de las bases nitrogenadas (uracilo, timina). Según estas diferencias, los ácidos nucleicos recibieron su nombre.
Estructura del ácido desoxirribonucleico.
Los ácidos nucleicos tienen una estructura primaria, secundaria y terciaria.
Estructura primaria del ADN.
La estructura primaria del ADN es una cadena de polinucleótidos lineal en la que los mononucleótidos están conectados por enlaces fosfodiéster de 3", 5". El material de partida para el ensamblaje de una cadena de ácido nucleico en una célula es el nucleósido trifosfato de 5", que, como resultado de la eliminación de los residuos de ácido fosfórico β y γ, es capaz de unir el átomo de carbono de 3" de otro nucleósido. . Así, el átomo de carbono de 3" de una desoxirribosa está unido covalentemente al átomo de carbono de 5" de otra desoxirribosa a través de un único residuo de ácido fosfórico y forma una cadena polinucleotídica lineal de ácido nucleico. De ahí el nombre: enlaces fosfodiéster de 3", 5". Las bases nitrogenadas no participan en la conexión de los nucleótidos de una cadena (Fig. 1).
Esta conexión entre el residuo de la molécula de ácido fosfórico de un nucleótido y el carbohidrato de otro conduce a la formación de un esqueleto de pentosa-fosfato de la molécula de polinucleótido, al que se unen una tras otra bases nitrogenadas. Su secuencia de disposición en las cadenas de moléculas de ácido nucleico es estrictamente específica de las células de diferentes organismos, es decir. tiene un carácter específico (regla de Chargaff).
Una cadena de ADN lineal, cuya longitud depende del número de nucleótidos incluidos en la cadena, tiene dos extremos: uno se llama extremo de 3" y contiene un hidroxilo libre, y el otro se llama extremo de 5" y contiene un extremo fosfórico. residuo ácido. El circuito es polar y puede tener una dirección de 5"->3" y 3"->5". La excepción es el ADN circular.
El "texto" genético del ADN está compuesto de "palabras" de código: tripletes de nucleótidos llamados codones. Las secciones de ADN que contienen información sobre la estructura primaria de todos los tipos de ARN se denominan genes estructurales.
Las cadenas de ADN polinucleotídico alcanzan tamaños gigantescos, por lo que se empaquetan de cierta forma en la célula.
Mientras estudiaba la composición del ADN, Chargaff (1949) estableció patrones importantes con respecto al contenido de las bases individuales del ADN. Ayudaron a revelar la estructura secundaria del ADN. Estos patrones se denominan reglas de Chargaff. reglas de chargaff
Estas reglas indican que al construir ADN, se debe observar una correspondencia (emparejamiento) bastante estricta, no de las bases purina y pirimidina en general, sino específicamente de timina con adenina y citosina con guanina. Basándose en estas reglas, en 1953 Watson y Crick propusieron un modelo de la estructura secundaria del ADN, llamado doble hélice (Fig.). |
Estructura secundaria del ADN.
La estructura secundaria del ADN es una doble hélice, cuyo modelo fue propuesto por D. Watson y F. Crick en 1953.
Requisitos previos para crear un modelo de ADN
Como resultado de los análisis iniciales, se creía que el ADN de cualquier origen contiene los cuatro nucleótidos en cantidades molares iguales. Sin embargo, en la década de 1940, E. Chargaff y sus colegas, como resultado del análisis del ADN aislado de una variedad de organismos, mostraron claramente que contenían bases nitrogenadas en diferentes proporciones cuantitativas. Chargaff descubrió que aunque estas proporciones son las mismas para el ADN de todas las células de la misma especie de organismo, el ADN de diferentes especies puede diferir notablemente en el contenido de ciertos nucleótidos. Esto sugirió que las diferencias en la proporción de bases nitrogenadas pueden estar asociadas con algún tipo de código biológico. Aunque la proporción de bases de purina y pirimidina individuales en diferentes muestras de ADN resultó ser diferente, al comparar los resultados de las pruebas surgió un cierto patrón: en todas las muestras, el número total de purinas fue igual al número total de pirimidinas (A + G = T + C), la cantidad de adenina era igual a la cantidad de timina (A = T), y la cantidad de guanina es la cantidad de citosina (G = C). El ADN aislado de células de mamíferos era generalmente más rico en adenina y timina y relativamente más pobre en guanina y citosina, mientras que el ADN de bacterias era más rico en guanina y citosina y relativamente más pobre en adenina y timina. Estos datos formaron una parte importante del material fáctico a partir del cual se construyó más tarde el modelo Watson-Crick de la estructura del ADN.
Otra indicación indirecta importante de la posible estructura del ADN la proporcionaron los datos de L. Pauling sobre la estructura de las moléculas de proteínas. Pauling demostró que son posibles varias configuraciones estables diferentes de la cadena de aminoácidos en una molécula de proteína. Una configuración común de la cadena peptídica, la hélice α, es una estructura helicoidal regular. Con esta estructura es posible la formación de enlaces de hidrógeno entre aminoácidos ubicados en espiras adyacentes de la cadena. Pauling describió la configuración helicoidal α de la cadena polipeptídica en 1950 y sugirió que las moléculas de ADN probablemente tengan una estructura helicoidal mantenida en su lugar mediante enlaces de hidrógeno.
Sin embargo, la información más valiosa sobre la estructura de la molécula de ADN la proporcionaron los resultados del análisis de difracción de rayos X. Los rayos X que atraviesan un cristal de ADN se difractan, es decir, se desvían en determinadas direcciones. El grado y la naturaleza de la desviación de los rayos dependen de la estructura de las propias moléculas. Un patrón de difracción de rayos X (Fig. 3) proporciona al ojo experimentado una serie de indicaciones indirectas sobre la estructura de las moléculas de la sustancia en estudio. El análisis de los patrones de difracción de rayos X del ADN llevó a la conclusión de que las bases nitrogenadas (que tienen forma plana) están dispuestas como una pila de placas. Los patrones de difracción de rayos X revelaron tres períodos principales en la estructura del ADN cristalino: 0,34, 2 y 3,4 nm.
Modelo de ADN de Watson-Crick
Basándose en los datos analíticos de Chargaff, los patrones de rayos X de Wilkins y la investigación de químicos que proporcionaron información sobre las distancias precisas entre los átomos de una molécula, los ángulos entre los enlaces de un átomo determinado y el tamaño de los átomos, Watson y Crick comenzó a construir modelos físicos de los componentes individuales de la molécula de ADN a cierta escala y a "ajustarlos" entre sí de tal manera que el sistema resultante correspondiera a varios datos experimentales. [espectáculo] .
Se sabía incluso antes que los nucleótidos vecinos en una cadena de ADN están conectados por puentes fosfodiéster, que unen el átomo de desoxirribosa de 5" de carbono de un nucleótido con el átomo de desoxirribosa de 3" de carbono del siguiente nucleótido. Watson y Crick no tenían dudas de que el período de 0,34 nm corresponde a la distancia entre nucleótidos sucesivos en la cadena de ADN. Además, se podría suponer que el período de 2 nm corresponde al espesor de la cadena. Y para explicar a qué estructura real corresponde el período de 3,4 nm, Watson y Crick, así como anteriormente Pauling, sugirieron que la cadena está retorcida en forma de espiral (o, más precisamente, forma una línea helicoidal, ya que (una espiral en el sentido estricto de esta palabra se obtiene cuando las espiras forman en el espacio una superficie cónica en lugar de cilíndrica). Entonces a la distancia entre espiras sucesivas de esta hélice le corresponderá un período de 3,4 nm. Una espiral de este tipo puede ser muy densa o algo estirada, es decir, sus vueltas pueden ser planas o empinadas. Dado que el período de 3,4 nm es exactamente 10 veces la distancia entre nucleótidos sucesivos (0,34 nm), está claro que cada vuelta completa de la hélice contiene 10 nucleótidos. A partir de estos datos, Watson y Crick pudieron calcular la densidad de una cadena de polinucleótidos retorcida en hélice de 2 nm de diámetro, con una distancia entre espiras de 3,4 nm. Resultó que dicha cadena tendría una densidad que era la mitad de la densidad real del ADN, que ya se conocía. Tuve que suponer que la molécula de ADN consta de dos cadenas, que es una doble hélice de nucleótidos.
La siguiente tarea fue, por supuesto, aclarar las relaciones espaciales entre las dos cadenas que forman la doble hélice. Después de haber probado varias opciones para la disposición de las cadenas en su modelo físico, Watson y Crick descubrieron que todos los datos disponibles coincidían mejor con la opción en la que dos hélices de polinucleótidos van en direcciones opuestas; en este caso, las cadenas formadas por residuos de azúcar y fosfato forman la superficie de la doble hélice, y en el interior se encuentran purinas y pirimidinas. Las bases ubicadas una frente a otra, pertenecientes a dos cadenas, están conectadas en pares mediante enlaces de hidrógeno; Son estos enlaces de hidrógeno los que mantienen unidas las cadenas, fijando así la configuración general de la molécula.
La doble hélice del ADN se puede imaginar como una escalera de cuerda retorcida en forma helicoidal, de modo que sus peldaños permanezcan horizontales. Entonces, las dos cuerdas longitudinales corresponderán a cadenas de residuos de azúcar y fosfato, y las barras transversales corresponderán a pares de bases nitrogenadas conectadas por enlaces de hidrógeno.
Como resultado de un estudio más detallado de posibles modelos, Watson y Crick concluyeron que cada "barra transversal" debería consistir en una purina y una pirimidina; en un período de 2 nm (correspondiente al diámetro de la doble hélice), no habría suficiente espacio para dos purinas y las dos pirimidinas no podrían estar lo suficientemente cerca entre sí para formar enlaces de hidrógeno adecuados. Un estudio en profundidad del modelo detallado mostró que la adenina y la citosina, si bien forman una combinación de un tamaño adecuado, aún no se pueden colocar de tal manera que se formen enlaces de hidrógeno entre ellas. Informes similares obligaron a excluir la combinación guanina - timina, mientras que las combinaciones adenina - timina y guanina - citosina resultaron ser bastante aceptables. La naturaleza de los enlaces de hidrógeno es tal que la adenina forma un par con timina y la guanina con citosina. Esta idea de emparejamiento de bases específico permitió explicar la "regla de Chargaff", según la cual en cualquier molécula de ADN la cantidad de adenina es siempre igual al contenido de timina, y la cantidad de guanina es siempre igual a la cantidad de citosina. Se forman dos enlaces de hidrógeno entre adenina y timina, y tres entre guanina y citosina. Debido a esta especificidad, la formación de enlaces de hidrógeno contra cada adenina en una cadena hace que se forme timina en la otra; de la misma manera, frente a cada guanina sólo puede estar la citosina. Por tanto, las cadenas son complementarias entre sí, es decir, la secuencia de nucleótidos en una cadena determina de forma única su secuencia en la otra. Las dos cadenas corren en direcciones opuestas y sus grupos fosfato terminales están en extremos opuestos de la doble hélice.
Como resultado de su investigación, en 1953 Watson y Crick propusieron un modelo de la estructura de la molécula de ADN (Fig. 3), que sigue siendo relevante en la actualidad. Según el modelo, la molécula de ADN consta de dos cadenas de polinucleótidos complementarias. Cada cadena de ADN es un polinucleótido que consta de varias decenas de miles de nucleótidos. En él, los nucleótidos vecinos forman una columna vertebral regular de pentosa-fosfato debido a la conexión de un residuo de ácido fosfórico y desoxirribosa mediante un fuerte enlace covalente. Las bases nitrogenadas de una cadena de polinucleótidos están dispuestas en un orden estrictamente definido frente a las bases nitrogenadas de la otra. La alternancia de bases nitrogenadas en una cadena de polinucleótidos es irregular.
La disposición de las bases nitrogenadas en la cadena del ADN es complementaria (del griego “complemento” - adición), es decir La timina (T) siempre está contra la adenina (A), y sólo la citosina (C) está contra la guanina (G). Esto se explica por el hecho de que A y T, así como G y C, se corresponden estrictamente entre sí, es decir se complementan mutuamente. Esta correspondencia está determinada por la estructura química de las bases, que permite la formación de enlaces de hidrógeno en el par purina y pirimidina. Hay dos conexiones entre A y T, y tres entre G y C. Estos enlaces proporcionan una estabilización parcial de la molécula de ADN en el espacio. La estabilidad de la doble hélice es directamente proporcional al número de enlaces G≡C, que son más estables en comparación con los enlaces A=T.
La secuencia conocida de disposición de los nucleótidos en una cadena de ADN permite, según el principio de complementariedad, establecer los nucleótidos de otra cadena.
Además, se ha descubierto que las bases nitrogenadas que tienen una estructura aromática en una solución acuosa se ubican una encima de la otra, formando una especie de pila de monedas. Este proceso de formación de pilas de moléculas orgánicas se llama apilamiento. Las cadenas de polinucleótidos de la molécula de ADN del modelo Watson-Crick considerado tienen un estado fisicoquímico similar, sus bases nitrogenadas están dispuestas en forma de una pila de monedas, entre cuyos planos surgen interacciones de van der Waals (interacciones de apilamiento).
Los enlaces de hidrógeno entre bases complementarias (horizontalmente) y las interacciones de apilamiento entre planos de bases en una cadena de polinucleótidos debido a las fuerzas de van der Waals (verticalmente) proporcionan a la molécula de ADN una estabilización adicional en el espacio.
Las cadenas principales de azúcar fosfato de ambas cadenas miran hacia afuera y las bases miran hacia adentro, una hacia la otra. La dirección de las cadenas en el ADN es antiparalela (una de ellas tiene una dirección de 5"->3", la otra - 3"->5", es decir, el extremo de 3" de una cadena está ubicado frente al extremo de 5" de el otro.). Las cadenas forman espirales a derechas con un eje común. Una vuelta de hélice tiene 10 nucleótidos, el tamaño de la vuelta es de 3,4 nm, la altura de cada nucleótido es de 0,34 nm y el diámetro de la hélice es de 2,0 nm. Como resultado de la rotación de una hebra alrededor de otra, se forman un surco mayor (de unos 20 Å de diámetro) y un surco menor (de unos 12 Å de diámetro) de la doble hélice del ADN. Esta forma de la doble hélice de Watson-Crick se denominó más tarde forma B. En las células, el ADN suele existir en la forma B, que es la más estable.
Funciones del ADN
El modelo propuesto explica muchas propiedades biológicas del ácido desoxirribonucleico, incluido el almacenamiento de información genética y la diversidad de genes proporcionada por una amplia variedad de combinaciones secuenciales de 4 nucleótidos y el hecho de la existencia de un código genético, la capacidad de autorreproducirse. y transmitir información genética proporcionada por el proceso de replicación, y la implementación de información genética en forma de proteínas, así como cualquier otro compuesto formado con la ayuda de proteínas enzimáticas.
Funciones básicas del ADN.
- El ADN es el portador de información genética, que está garantizada por la existencia de un código genético.
- Reproducción y transmisión de información genética a través de generaciones de células y organismos. Esta funcionalidad la proporciona el proceso de replicación.
- Implementación de información genética en forma de proteínas, así como cualquier otro compuesto formado con la ayuda de proteínas enzimáticas. Esta función la proporcionan los procesos de transcripción y traducción.
Formas de organización del ADN bicatenario.
El ADN puede formar varios tipos de dobles hélices (Fig. 4). Actualmente, ya se conocen seis formas (de la A a la E y la forma Z).
Las formas estructurales del ADN, como estableció Rosalind Franklin, dependen de la saturación de la molécula de ácido nucleico con agua. En estudios de fibras de ADN mediante análisis de difracción de rayos X, se demostró que el patrón de rayos X depende radicalmente de la humedad relativa, en qué grado de saturación de agua de esta fibra se lleva a cabo el experimento. Si la fibra estaba suficientemente saturada con agua, se obtenía una radiografía. Cuando se secó, apareció un patrón de rayos X completamente diferente, muy diferente del patrón de rayos X de la fibra con alto contenido de humedad.
La molécula de ADN de alta humedad se llama forma B. En condiciones fisiológicas (baja concentración de sal, alto grado de hidratación), el tipo estructural dominante de ADN es la forma B (la forma principal de ADN bicatenario, el modelo de Watson-Crick). El paso de hélice de dicha molécula es de 3,4 nm. Hay 10 pares complementarios por turno en forma de pilas retorcidas de "monedas": bases nitrogenadas. Las pilas se mantienen unidas mediante enlaces de hidrógeno entre dos “monedas” opuestas de las pilas, y están “enrolladas” por dos cintas de fosfodiéster retorcidas en una hélice derecha. Los planos de las bases nitrogenadas son perpendiculares al eje de la hélice. Los pares complementarios adyacentes giran entre sí 36°. El diámetro de la hélice es de 20 Å, ocupando el nucleótido de purina 12 Å y el nucleótido de pirimidina 8 Å.
La molécula de ADN de menor humedad se llama forma A.. La forma A se forma en condiciones de menor hidratación y con un mayor contenido de iones Na + o K +. Esta conformación helicoidal diestra más amplia tiene 11 pares de bases por vuelta. Los planos de las bases nitrogenadas tienen una mayor inclinación con respecto al eje de la hélice; están desviados de la normal al eje de la hélice en 20°. Esto implica la presencia de un vacío interno con un diámetro de 5 Å. La distancia entre nucleótidos adyacentes es de 0,23 nm, la longitud del giro es de 2,5 nm y el diámetro de la hélice es de 2,3 nm.
Inicialmente se pensó que la forma A de ADN era menos importante. Sin embargo, más tarde quedó claro que la forma A del ADN, al igual que la forma B, tiene un enorme significado biológico. La hélice de ARN-ADN en el complejo plantilla-cebador tiene la forma A, así como la hélice de ARN-ARN y las estructuras de horquilla de ARN (el grupo 2'-hidroxilo de la ribosa evita que las moléculas de ARN formen la forma B). La forma A del ADN se encuentra en las esporas. Se ha establecido que la forma A del ADN es 10 veces más resistente a los rayos UV que la forma B.
La forma A y la forma B se denominan formas canónicas de ADN.
Formularios CE También son diestros, su formación sólo se puede observar en experimentos especiales y, aparentemente, no existen in vivo. La forma C de ADN tiene una estructura similar a la del ADN B. El número de pares de bases por vuelta es 9,33 y la longitud de la vuelta de la hélice es 3,1 nm. Los pares de bases están inclinados en un ángulo de 8 grados con respecto a la posición perpendicular al eje. Los surcos son similares en tamaño a los surcos del ADN B. En este caso, el surco principal es algo menos profundo y el surco menor es más profundo. Los polinucleótidos de ADN naturales y sintéticos pueden transformarse en forma C.
| Tabla 1. Características de algunos tipos de estructuras de ADN. | |||
| tipo espiral | A | B | z |
| Paso en espiral | 0,32 nanómetros | 3,38 millas náuticas | 4,46 millas náuticas |
| giro en espiral | Bien | Bien | Izquierda |
| Número de pares de bases por turno | 11 | 10 | 12 |
| Distancia entre planos base | 0,256 nanómetro | 0,338 nm | 0,371 nanómetro |
| Conformación del enlace glicosídico | anti | anti | grotesco cantar |
| Conformación del anillo de furanosa. | C3"-endo | C2"-endo | C3"-endo-G C2"-endo-C |
| Ancho de ranura, pequeño/grande | 1,11/0,22 nanómetros | 0,57/1,17 nanómetros | 0,2/0,88 nm |
| Profundidad de ranura, pequeña/grande | 0,26/1,30 nanómetros | 0,82/0,85 nanómetros | 1,38/0,37 nanómetros |
| Diámetro espiral | 2,3 millas náuticas | 2,0 nanómetros | 1,8 millas náuticas |
Elementos estructurales del ADN.
(estructuras de ADN no canónicas)
Los elementos estructurales del ADN incluyen estructuras inusuales limitadas por algunas secuencias especiales:
|
ADN en forma de Z Fue descubierto en 1979 mientras se estudiaba el hexanucleótido d(CG)3 -. Fue descubierto por el profesor del MIT Alexander Rich y sus colegas. La forma Z se ha convertido en uno de los elementos estructurales más importantes del ADN debido a que su formación se ha observado en regiones del ADN donde las purinas se alternan con las pirimidinas (por ejemplo, 5'-GCGCGC-3'), o en repeticiones 5 '-CGCGCG-3' que contiene citosina metilada. Una condición esencial para la formación y estabilización del ADN Z fue la presencia de nucleótidos de purina en la conformación syn, alternando con bases de pirimidina en la conformación anti.
Las moléculas de ADN natural existen principalmente en la forma B derecha, a menos que contengan secuencias como (CG)n. Sin embargo, si tales secuencias son parte del ADN, entonces estas secciones, cuando cambia la fuerza iónica de la solución o los cationes que neutralizan la carga negativa en la estructura del fosfodiéster, estas secciones pueden transformarse en la forma Z, mientras que otras secciones del ADN en la cadena permanece en la forma clásica de B. La posibilidad de tal transición indica que las dos hebras de la doble hélice del ADN se encuentran en un estado dinámico y pueden desenrollarse entre sí, pasando de la forma derecha a la izquierda y viceversa. Las consecuencias biológicas de tal labilidad, que permite transformaciones conformacionales de la estructura del ADN, aún no se comprenden completamente. Se cree que secciones de ADN Z desempeñan un papel determinado en la regulación de la expresión de ciertos genes y participan en la recombinación genética.
La forma Z del ADN es una doble hélice izquierda en la que la columna vertebral de fosfodiéster se encuentra en un patrón en zigzag a lo largo del eje de la molécula. De ahí el nombre de la molécula (zigzag)-DNK. El ADN Z es el ADN menos retorcido (12 pares de bases por vuelta) y más delgado conocido en la naturaleza. La distancia entre nucleótidos adyacentes es de 0,38 nm, la longitud del giro es de 4,56 nm y el diámetro del ADN Z es de 1,8 nm. Además, el aspecto de esta molécula de ADN se distingue por la presencia de un único surco.
La forma Z del ADN se ha encontrado en células procarióticas y eucariotas. Ahora se han obtenido anticuerpos que pueden distinguir la forma Z de la forma B del ADN. Estos anticuerpos se unen a determinadas regiones de los cromosomas gigantes de las células de las glándulas salivales de Drosophila (Dr. melanogaster). La reacción de unión es fácil de controlar debido a la estructura inusual de estos cromosomas, en la que las regiones más densas (discos) contrastan con las regiones menos densas (interdiscos). Las regiones de ADN Z se encuentran en los interdiscos. De esto se deduce que la forma Z realmente existe en condiciones naturales, aunque aún se desconocen los tamaños de las secciones individuales de la forma Z.
(inversores) son las secuencias de bases más famosas y frecuentes en el ADN. Un palíndromo es una palabra o frase que se lee igual de izquierda a derecha y viceversa. Ejemplos de tales palabras o frases son: CHOZA, COSACO, INUNDACIÓN Y LA ROSA CAYÓ EN LA PATA DE AZOR. Cuando se aplica a secciones de ADN, este término (palíndromo) significa la misma alternancia de nucleótidos a lo largo de la cadena de derecha a izquierda y de izquierda a derecha (como las letras de la palabra "choza", etc.).
Un palíndromo se caracteriza por la presencia de repeticiones invertidas de secuencias de bases que tienen simetría de segundo orden con respecto a dos cadenas de ADN. Estas secuencias, por razones obvias, son autocomplementarias y tienden a formar estructuras en horquilla o cruciformes (Fig.). Las horquillas ayudan a las proteínas reguladoras a reconocer dónde se copia el texto genético del ADN cromosómico.
Cuando hay una repetición invertida en la misma cadena de ADN, la secuencia se denomina repetición especular. Las repeticiones especulares no tienen propiedades de autocomplementariedad y, por lo tanto, no son capaces de formar estructuras en horquilla o cruciformes. Secuencias de este tipo se encuentran en casi todas las moléculas grandes de ADN y pueden variar desde unos pocos pares de bases hasta varios miles de pares de bases.
No se ha demostrado la presencia de palíndromos en forma de estructuras cruciformes en células eucariotas, aunque se ha detectado in vivo un cierto número de estructuras cruciformes en células de E. coli. La presencia de secuencias autocomplementarias en el ARN o en el ADN monocatenario es la razón principal del plegamiento de la cadena de ácido nucleico en soluciones en una determinada estructura espacial, caracterizada por la formación de muchas "horquillas".
ADN en forma H es una hélice formada por tres hebras de ADN: una triple hélice de ADN. Se trata de un complejo de una doble hélice de Watson-Crick con una tercera cadena de ADN monocatenario, que encaja en su surco principal, formando el llamado par Hoogsteen.
La formación de dicho triplex se produce como resultado del plegamiento de la doble hélice del ADN de tal manera que la mitad de su sección permanece en forma de doble hélice y la otra mitad se separa. En este caso, una de las hélices desconectadas forma una nueva estructura con la primera mitad de la doble hélice, una triple hélice, y la segunda resulta no estructurada, en forma de una sección monocatenaria. Una característica de esta transición estructural es su fuerte dependencia del pH del medio, cuyos protones estabilizan la nueva estructura. Debido a esta característica, la nueva estructura se denominó forma H del ADN, cuya formación se descubrió en plásmidos superenrollados que contienen regiones de homopurina-homopirimidina, que son una repetición especular.
En estudios posteriores, se encontró que es posible llevar a cabo una transición estructural de algunos polinucleótidos de doble hebra de homopurina-homopirimidina con la formación de una estructura de tres hebras que contiene:
- una cadena de homopurina y dos de homopirimidina ( Triplex Py-Pu-Py) [Interacción Hoogsteen].
Los bloques constituyentes del triplete Py-Pu-Py son las tríadas canónicas isomorfas CGC+ y TAT. La estabilización del triplex requiere la protonación de la tríada CGC+, por lo que estos triplex dependen del pH de la solución.
- una homopirimidina y dos hebras de homopurina ( Triplex Py-Pu-Pu) [interacción inversa de Hoogsteen].
Los bloques constituyentes del triplex Py-Pu-Pu son las tríadas canónicas isomorfas CGG y TAA. Una propiedad esencial de los triplex de Py-Pu-Pu es la dependencia de su estabilidad de la presencia de iones doblemente cargados, y se requieren diferentes iones para estabilizar triplex de diferentes secuencias. Dado que la formación de triplex Py-Pu-Pu no requiere la protonación de sus nucleótidos constituyentes, dichos triplex pueden existir a pH neutro.
Nota: las interacciones de Hoogsteen directas e inversas se explican por la simetría de la 1-metiltimina: una rotación de 180° hace que el átomo de O2 reemplace al átomo de O4, mientras se conserva el sistema de enlaces de hidrógeno.
Se conocen dos tipos de triples hélices:
- Triples hélices paralelas en las que la polaridad de la tercera hebra coincide con la polaridad de la cadena de homopurina del dúplex Watson-Crick.
- Triples hélices antiparalelas, en las que las polaridades de la tercera cadena y de la homopurina son opuestas.
G-cuádruplex- ADN de 4 cadenas. Esta estructura se forma si hay cuatro guaninas, que forman el llamado G-quadruplex, una danza circular de cuatro guaninas.
Los primeros indicios de la posibilidad de la formación de tales estructuras se recibieron mucho antes del innovador trabajo de Watson y Crick, allá por 1910. Luego, el químico alemán Ivar Bang descubrió que uno de los componentes del ADN, el ácido guanosínico, forma geles en altas concentraciones, mientras que otros componentes del ADN no tienen esta propiedad.
En 1962, utilizando el método de difracción de rayos X, fue posible establecer la estructura celular de este gel. Resultó estar compuesto por cuatro residuos de guanina, conectados entre sí en un círculo y formando un cuadrado característico. En el centro, el enlace está sostenido por un ion metálico (Na, K, Mg). Se pueden formar las mismas estructuras en el ADN si contiene mucha guanina. Estos cuadrados planos (cuartetos G) se apilan para formar estructuras densas y bastante estables (cuádruplex G).
Se pueden tejer cuatro hebras separadas de ADN en complejos de cuatro hebras, pero esto es más bien una excepción. Más a menudo, una sola hebra de ácido nucleico simplemente se ata en un nudo, formando engrosamientos característicos (por ejemplo, en los extremos de los cromosomas), o el ADN bicatenario en alguna región rica en guanina forma un cuádruplex local.
La más estudiada es la existencia de cuádruplex en los extremos de los cromosomas (en los telómeros y en los promotores tumorales). Sin embargo, aún no se conoce una imagen completa de la localización de dicho ADN en los cromosomas humanos.
Todas estas estructuras inusuales de ADN en forma lineal son inestables en comparación con el ADN en forma B. Sin embargo, el ADN a menudo existe en una forma circular de tensión topológica cuando tiene lo que se llama superenrollamiento. En estas condiciones, se forman fácilmente estructuras de ADN no canónicas: formas Z, “cruces” y “horquillas”, formas H, cuádruplex de guanina y motivos i.
- Forma superenrollada: se observa cuando se libera del núcleo celular sin dañar la columna vertebral de las pentosas fosfato. Tiene forma de anillos cerrados súper retorcidos. En el estado superenrollado, la doble hélice del ADN se "retuerce sobre sí misma" al menos una vez, es decir, contiene al menos una supervuelta (toma la forma de un ocho).
- Estado relajado del ADN: observado con una sola rotura (rotura de una hebra). En este caso, las superenrollamientos desaparecen y el ADN toma la forma de un anillo cerrado.
- La forma lineal del ADN se observa cuando se rompen dos hebras de una doble hélice.
Estructura terciaria del ADN.
Estructura terciaria del ADN. se forma como resultado de una torsión adicional en el espacio de una molécula de doble hélice: su superenrollamiento. El superenrollamiento de la molécula de ADN en las células eucariotas, a diferencia de las procariotas, se produce en forma de complejos con proteínas.
Casi todo el ADN de los eucariotas se encuentra en los cromosomas de los núcleos, solo una pequeña cantidad está contenida en las mitocondrias y, en las plantas, en los plastidios. La sustancia principal de los cromosomas de las células eucariotas (incluidos los cromosomas humanos) es la cromatina, que consta de ADN bicatenario, histonas y proteínas no histonas.
Proteínas de cromatina histonas
Las histonas son proteínas simples que constituyen hasta el 50% de la cromatina. En todas las células animales y vegetales estudiadas se encontraron cinco clases principales de histonas: H1, H2A, H2B, H3, H4, que se diferencian en tamaño, composición de aminoácidos y carga (siempre positiva).
La histona H1 de mamífero consta de una única cadena polipeptídica que contiene aproximadamente 215 aminoácidos; los tamaños de otras histonas varían de 100 a 135 aminoácidos. Todos ellos están en espiral y retorcidos formando un glóbulo con un diámetro de aproximadamente 2,5 nm, y contienen una cantidad inusualmente grande de aminoácidos cargados positivamente lisina y arginina. Las histonas se pueden acetilar, metilar, fosforilar, poli(ADP)-ribosilar y las histonas H2A y H2B están unidas covalentemente a la ubiquitina. El papel de tales modificaciones en la formación de la estructura y el desempeño de funciones por parte de las histonas aún no se ha dilucidado completamente. Se supone que esta es su capacidad para interactuar con el ADN y proporcionar uno de los mecanismos para regular la acción de los genes.
Las histonas interactúan con el ADN principalmente a través de enlaces iónicos (puentes salinos) formados entre los grupos fosfato del ADN cargados negativamente y los residuos de lisina y arginina cargados positivamente de las histonas.
Proteínas de cromatina no histonas
Las proteínas no histonas, a diferencia de las histonas, son muy diversas. Se han aislado hasta 590 fracciones diferentes de proteínas no histonas que se unen al ADN. También se les llama proteínas ácidas, ya que en su estructura predominan los aminoácidos ácidos (son polianiones). La diversidad de proteínas no histonas está asociada con una regulación específica de la actividad de la cromatina. Por ejemplo, las enzimas necesarias para la replicación y expresión del ADN pueden unirse a la cromatina de forma transitoria. Otras proteínas, por ejemplo las implicadas en diversos procesos reguladores, se unen al ADN sólo en tejidos específicos o en determinadas etapas de diferenciación. Cada proteína es complementaria a una secuencia específica de nucleótidos de ADN (sitio de ADN). Este grupo incluye:
- familia de proteínas con dedos de zinc específicas de sitio. Cada "dedo de zinc" reconoce un sitio específico que consta de 5 pares de nucleótidos.
- familia de proteínas específicas de sitio: homodímeros. El fragmento de dicha proteína en contacto con el ADN tiene una estructura de hélice-vuelta-hélice.
- Las proteínas en gel de alta movilidad (proteínas HMG) son un grupo de proteínas estructurales y reguladoras que están constantemente asociadas con la cromatina. Tienen un peso molecular inferior a 30 kDa y se caracterizan por un alto contenido en aminoácidos cargados. Debido a su bajo peso molecular, las proteínas HMG tienen una alta movilidad durante la electroforesis en gel de poliacrilamida.
- enzimas de replicación, transcripción y reparación.
Con la participación de proteínas y enzimas reguladoras estructurales involucradas en la síntesis de ADN y ARN, el hilo del nucleosoma se convierte en un complejo altamente condensado de proteínas y ADN. La estructura resultante es 10.000 veces más corta que la molécula de ADN original.
cromatina
La cromatina es un complejo de proteínas con ADN nuclear y sustancias inorgánicas. La mayor parte de la cromatina está inactiva. Contiene ADN condensado y muy empaquetado. Esta es la heterocromatina. Hay cromatina constitutiva, genéticamente inactiva (ADN satélite), que consta de regiones no expresadas, y facultativa, inactiva en varias generaciones, pero que, en determinadas circunstancias, es capaz de expresarse.
La cromatina activa (eucromatina) no está condensada, es decir Embalado menos apretado. En diferentes celdas su contenido oscila entre el 2 y el 11%. En las células del cerebro es más abundante (10-11%), en las células del hígado (3-4%) y en las células renales (2-3%). Se nota la transcripción activa de la eucromatina. Además, su organización estructural permite que la misma información genética del ADN inherente a un determinado tipo de organismo se utilice de forma diferente en células especializadas.
En un microscopio electrónico, la imagen de la cromatina se asemeja a cuentas: engrosamientos esféricos de aproximadamente 10 nm de tamaño, separados por puentes en forma de hilos. Estos engrosamientos esféricos se denominan nucleosomas. El nucleosoma es una unidad estructural de la cromatina. Cada nucleosoma contiene un segmento de ADN superenrollado de 146 pb enrollado para formar 1,75 giros a la izquierda por núcleo nucleosomal. El núcleo nucleosomal es un octámero de histonas formado por histonas H2A, H2B, H3 y H4, dos moléculas de cada tipo (Fig. 9), que parece un disco con un diámetro de 11 nm y un espesor de 5,7 nm. La quinta histona, H1, no forma parte del núcleo nucleosomal y no participa en el proceso de enrollado del ADN en el octámero de histonas. Hace contacto con el ADN en los sitios donde la doble hélice entra y sale del núcleo nucleosomal. Se trata de secciones de ADN entre núcleos (enlazadores), cuya longitud varía según el tipo de célula de 40 a 50 pares de nucleótidos. Como resultado, la longitud del fragmento de ADN incluido en los nucleosomas también varía (de 186 a 196 pares de nucleótidos).
Los nucleosomas contienen aproximadamente un 90% de ADN y el resto son conectores. Se cree que los nucleosomas son fragmentos de cromatina "silenciosa" y el conector está activo. Sin embargo, los nucleosomas pueden desplegarse y volverse lineales. Los nucleosomas desplegados ya son cromatina activa. Esto demuestra claramente la dependencia de la función de la estructura. Se puede suponer que cuanto más cromatina hay en los nucleosomas globulares, menos activo es. Obviamente, en diferentes células la proporción desigual de cromatina en reposo está asociada con el número de dichos nucleosomas.
En fotografías de microscopio electrónico, dependiendo de las condiciones de aislamiento y del grado de estiramiento, la cromatina puede verse no solo como un hilo largo con engrosamientos, "cuentas" de nucleosomas, sino también como una fibrilla (fibra) más corta y densa con un diámetro de 30 nm, cuya formación se observa durante la interacción de la histona H1 unida a la región conectora del ADN y la histona H3, lo que conduce a una torsión adicional de la hélice de seis nucleosomas por vuelta para formar un solenoide con un diámetro de 30 nm. En este caso, la proteína histona puede interferir con la transcripción de varios genes y así regular su actividad.
Como resultado de las interacciones del ADN con las histonas descritas anteriormente, un segmento de una doble hélice de ADN de 186 pares de bases con un diámetro promedio de 2 nm y una longitud de 57 nm se convierte en una hélice con un diámetro de 10 nm y una longitud de 5 nm. Cuando esta hélice se comprime posteriormente hasta formar una fibra con un diámetro de 30 nm, el grado de condensación aumenta seis veces más.
En última instancia, el empaquetado de un dúplex de ADN con cinco histonas da como resultado una condensación del ADN 50 veces mayor. Sin embargo, ni siquiera un grado tan alto de condensación puede explicar la compactación del ADN entre 50.000 y 100.000 veces en el cromosoma en metafase. Desafortunadamente, aún no se conocen los detalles del empaquetado posterior de la cromatina hasta el cromosoma en metafase, por lo que sólo podemos considerar las características generales de este proceso.
Niveles de compactación del ADN en los cromosomas.
Cada molécula de ADN está empaquetada en un cromosoma separado. Las células diploides humanas contienen 46 cromosomas, que se encuentran en el núcleo celular. La longitud total del ADN de todos los cromosomas de una célula es de 1,74 m, pero el diámetro del núcleo en el que están empaquetados los cromosomas es millones de veces menor. Este empaquetado compacto del ADN en los cromosomas y los cromosomas en el núcleo celular está garantizado por una variedad de proteínas histonas y no histonas que interactúan en una secuencia determinada con el ADN (ver arriba). La compactación del ADN en los cromosomas permite reducir sus dimensiones lineales unas 10.000 veces, aproximadamente de 5 cm a 5 micrones. Existen varios niveles de compactación (Fig. 10).
- La doble hélice del ADN es una molécula cargada negativamente con un diámetro de 2 nm y una longitud de varios cm.
- nivel de nucleosoma- La cromatina se ve en un microscopio electrónico como una cadena de "cuentas" - nucleosomas - "en un hilo". El nucleosoma es una unidad estructural universal que se encuentra tanto en la eucromatina como en la heterocromatina, en el núcleo en interfase y en los cromosomas en metafase.
El nivel de compactación nucleosomal está garantizado por proteínas especiales: las histonas. Ocho dominios de histonas cargados positivamente forman el núcleo del nucleosoma alrededor del cual se enrolla una molécula de ADN cargada negativamente. Esto da como resultado un acortamiento de 7 veces, mientras que el diámetro aumenta de 2 a 11 nm.
- nivel de solenoide
El nivel solenoide de organización cromosómica se caracteriza por la torsión del filamento del nucleosoma y la formación de fibrillas más gruesas de 20 a 35 nm de diámetro: solenoides o superbids. El paso del solenoide es de 11 nm; hay entre 6 y 10 nucleosomas por vuelta. El empaquetamiento solenoide se considera más probable que el empaquetamiento superbid, según el cual una fibrilla de cromatina con un diámetro de 20 a 35 nm es una cadena de gránulos, o superbid, cada uno de los cuales consta de ocho nucleosomas. A nivel del solenoide, el tamaño lineal del ADN se reduce de 6 a 10 veces y el diámetro aumenta a 30 nm.
- nivel de bucle
El nivel de bucle lo proporcionan proteínas de unión al ADN no específicas del sitio de histonas que reconocen y se unen a secuencias de ADN específicas, formando bucles de aproximadamente 30 a 300 kb. El bucle asegura la expresión genética, es decir. el bucle no es sólo una formación estructural, sino también funcional. El acortamiento en este nivel ocurre de 20 a 30 veces. El diámetro aumenta a 300 nm. En las preparaciones citológicas se pueden observar estructuras en forma de bucle, como los “cepillos de lámpara” en los ovocitos de anfibios. Estos bucles parecen estar superenrollados y representan dominios de ADN, probablemente correspondientes a unidades de transcripción y replicación de la cromatina. Proteínas específicas fijan las bases de los bucles y, posiblemente, algunas de sus secciones internas. La organización del dominio en forma de bucle promueve el plegamiento de la cromatina en los cromosomas en metafase en estructuras helicoidales de órdenes superiores.
- nivel de dominio
El nivel de dominio de la organización cromosómica no se ha estudiado lo suficiente. En este nivel, se observa la formación de dominios de bucle: estructuras de hilos (fibrillas) de 25 a 30 nm de espesor, que contienen 60% de proteínas, 35% de ADN y 5% de ARN, son prácticamente invisibles en todas las fases del ciclo celular. excepción de la mitosis y se distribuyen de forma algo aleatoria por todo el núcleo celular. En las preparaciones citológicas se pueden observar estructuras en forma de bucle, como los “cepillos de lámpara” en los ovocitos de anfibios.
Los dominios de bucle están unidos en su base a la matriz proteica intranuclear en los llamados sitios de unión integrados, a menudo denominados secuencias MAR/SAR (MAR, del inglés Matrix Associated Region; SAR, del inglés Scaffold Attachment Regions). - Fragmentos de ADN de varios cientos de pares de bases de longitud que se caracterizan por un alto contenido (>65%) de pares de nucleótidos A/T. Cada dominio parece tener un único origen de replicación y funciona como una unidad superhélice autónoma. Cualquier dominio de bucle contiene muchas unidades de transcripción, cuyo funcionamiento probablemente esté coordinado: todo el dominio está en estado activo o inactivo.
A nivel de dominio, como resultado del empaquetamiento secuencial de cromatina, se produce una disminución en las dimensiones lineales del ADN aproximadamente 200 veces (700 nm).
- nivel cromosómico
A nivel cromosómico, la condensación del cromosoma en profase en un cromosoma en metafase se produce con la compactación de dominios de bucle alrededor de la estructura axial de proteínas no histonas. Este superenrollamiento va acompañado de la fosforilación de todas las moléculas H1 de la célula. Como resultado, el cromosoma en metafase puede representarse como bucles de solenoide densamente empaquetados, enrollados en una espiral apretada. Un cromosoma humano típico puede contener hasta 2600 bucles. El espesor de dicha estructura alcanza los 1400 nm (dos cromátidas) y la molécula de ADN se acorta 104 veces, es decir. desde 5 cm de ADN estirado hasta 5 µm.
Funciones de los cromosomas
En interacción con mecanismos extracromosómicos, los cromosomas proporcionan
- almacenamiento de información hereditaria
- Usar esta información para crear y mantener la organización celular.
- regulación de la lectura de información hereditaria
- autoduplicación de material genético
- transferencia de material genético de la célula madre a las células hijas.
Existe evidencia de que cuando se activa una región de la cromatina, es decir durante la transcripción, primero se eliminan de forma reversible la histona H1 y luego el octeto de histona. Esto provoca la descondensación de la cromatina, la transición secuencial de una fibrilla de cromatina de 30 nm a una fibrilla de 10 nm y su posterior despliegue en secciones de ADN libre, es decir, Pérdida de la estructura del nucleosoma.
MOSCÚ, 25 de abril - RIA Novosti, Tatyana Pichugina. Hace exactamente 65 años, los científicos británicos James Watson y Francis Crick publicaron un artículo sobre cómo descifrar la estructura del ADN, sentando las bases de una nueva ciencia: la biología molecular. Este descubrimiento cambió mucho en la vida de la humanidad. RIA Novosti habla sobre las propiedades de la molécula de ADN y por qué es tan importante.
En la segunda mitad del siglo XIX, la biología era una ciencia muy joven. Los científicos apenas comenzaban a estudiar la célula y las ideas sobre la herencia, aunque ya formuladas por Gregor Mendel, no fueron ampliamente aceptadas.
En la primavera de 1868, un joven médico suizo, Friedrich Miescher, llegó a la Universidad de Tubinga (Alemania) para dedicarse a trabajos científicos. Su intención era descubrir de qué sustancias está hecha una célula. Para los experimentos elegí leucocitos, que se obtienen fácilmente a partir del pus.
Al separar el núcleo del protoplasma, las proteínas y las grasas, Miescher descubrió un compuesto con un alto contenido de fósforo. Llamó a esta molécula nucleína ("núcleo" en latín - núcleo).
Este compuesto presentaba propiedades ácidas, por lo que surgió el término “ácido nucleico”. Su prefijo "desoxirribo" significa que la molécula contiene grupos H y azúcares. Luego resultó que en realidad era sal, pero no le cambiaron el nombre.
A principios del siglo XX, los científicos ya sabían que la nucleína es un polímero (es decir, una molécula muy larga y flexible de unidades repetidas), las unidades están compuestas por cuatro bases nitrogenadas (adenina, timina, guanina y citosina), y la nucleína está contenido en los cromosomas, estructuras compactas que se encuentran en las células en división. Su capacidad para transmitir características hereditarias fue demostrada por el genetista estadounidense Thomas Morgan en experimentos con moscas de la fruta.
El modelo que explicaba los genes.
Pero hace mucho tiempo que no se comprende qué hace el ácido desoxirribonucleico, o ADN, en el núcleo celular. Se pensaba que desempeñaba algún papel estructural en los cromosomas. Las unidades de la herencia (los genes) se atribuyeron a una naturaleza proteica. El avance lo logró el investigador estadounidense Oswald Avery, quien demostró experimentalmente que el material genético se transfiere de una bacteria a otra a través del ADN.
Quedó claro que era necesario estudiar el ADN. ¿Pero cómo? En aquella época, los científicos sólo disponían de rayos X. Para iluminar con él las moléculas biológicas había que cristalizarlas, lo cual es difícil. La estructura de las moléculas de proteínas se descifró a partir de patrones de difracción de rayos X en el Laboratorio Cavendish (Cambridge, Reino Unido). Los jóvenes investigadores que trabajaron allí, James Watson y Francis Crick, no tenían sus propios datos experimentales sobre el ADN, por lo que utilizaron fotografías de rayos X de colegas del King's College Maurice Wilkins y Rosalind Franklin.
Watson y Crick propusieron un modelo de estructura del ADN que coincidía exactamente con los patrones de rayos X: dos hebras paralelas retorcidas en una hélice dextrógira. Cada cadena está compuesta por un conjunto aleatorio de bases nitrogenadas ensartadas en la columna vertebral de sus azúcares y fosfatos, y se mantienen unidas mediante enlaces de hidrógeno entre las bases. Además, la adenina se combina únicamente con timina y la guanina con citosina. Esta regla se llama principio de complementariedad.
El modelo de Watson y Crick explicó las cuatro funciones principales del ADN: la replicación del material genético, su especificidad, el almacenamiento de información en la molécula y su capacidad de mutar.
Los científicos publicaron su descubrimiento en la revista Nature el 25 de abril de 1953. Diez años más tarde, junto con Maurice Wilkins, recibieron el Premio Nobel de Biología (Rosalind Franklin murió en 1958 de cáncer a la edad de 37 años).
"Ahora, más de medio siglo después, podemos afirmar que el descubrimiento de la estructura del ADN jugó el mismo papel en el desarrollo de la biología que el descubrimiento del núcleo atómico en la física. El esclarecimiento de la estructura del átomo llevó a el nacimiento de una nueva física cuántica y el descubrimiento de la estructura del ADN condujeron al nacimiento de una nueva, la biología molecular”, escribe Maxim Frank-Kamenetsky, destacado genetista, investigador del ADN y autor del libro “La Molécula más importante”.
Codigo genetico
Ahora sólo quedaba descubrir cómo funcionaba esta molécula. Se sabía que el ADN contiene instrucciones para la síntesis de proteínas celulares, que realizan todo el trabajo en la célula. Las proteínas son polímeros formados por conjuntos (secuencias) repetidos de aminoácidos. Además, sólo hay veinte aminoácidos. Las especies animales se diferencian entre sí en el conjunto de proteínas de sus células, es decir, en diferentes secuencias de aminoácidos. La genética afirmaba que estas secuencias estaban determinadas por genes, que entonces se creía que servían como elementos básicos de la vida. Pero nadie sabía exactamente qué eran los genes.
La claridad la aportó el autor de la teoría del Big Bang, el físico Georgiy Gamow, empleado de la Universidad George Washington (EE.UU.). Basándose en el modelo de Watson y Crick de una hélice de ADN de doble hebra, sugirió que un gen es una sección de ADN, es decir, una determinada secuencia de enlaces: nucleótidos. Dado que cada nucleótido es una de las cuatro bases nitrogenadas, simplemente necesitamos descubrir cómo cuatro elementos codifican veinte. Ésta era la idea del código genético.
A principios de la década de 1960, se estableció que las proteínas se sintetizan a partir de aminoácidos en los ribosomas, una especie de “fábrica” dentro de la célula. Para comenzar la síntesis de proteínas, una enzima se acerca al ADN, reconoce una determinada región al comienzo del gen, sintetiza una copia del gen en forma de un pequeño ARN (se llama plantilla), luego la proteína se cultiva en el ribosoma desde aminoácidos.
También descubrieron que el código genético tiene tres letras. Esto significa que un aminoácido corresponde a tres nucleótidos. La unidad de código se llama codón. En el ribosoma, la información del ARNm se lee codón por codón, de forma secuencial. Y cada uno de ellos corresponde a varios aminoácidos. ¿Cómo se ve el cifrado?
Esta pregunta fue respondida por Marshall Nirenberg y Heinrich Mattei de Estados Unidos. En 1961, informaron por primera vez de sus resultados en el congreso de bioquímica celebrado en Moscú. En 1967, el código genético había sido completamente descifrado. Resultó ser universal para todas las células de todos los organismos, lo que tuvo consecuencias de gran alcance para la ciencia.
El descubrimiento de la estructura del ADN y del código genético reorientó por completo la investigación biológica. El hecho de que cada individuo tenga una secuencia de ADN única ha revolucionado la ciencia forense. Descifrar el genoma humano ha proporcionado a los antropólogos un método completamente nuevo para estudiar la evolución de nuestra especie. El editor de ADN CRISPR-Cas, recientemente inventado, ha avanzado enormemente en la ingeniería genética. Al parecer, esta molécula contiene la solución a los problemas más acuciantes de la humanidad: el cáncer, las enfermedades genéticas, el envejecimiento.
Estructura y funciones del ADN.
| Nombre del parámetro | Significado |
| Tema del artículo: | Estructura y funciones del ADN. |
| Rúbrica (categoría temática) | Educación |
ADN- un polímero cuyos monómeros son desoxirribonucleótidos. En 1953 se propuso un modelo de la estructura espacial de la molécula de ADN en forma de doble hélice. J. Watson y F. Crick (para construir este modelo utilizaron los trabajos de M. Wilkins, R. Franklin, E. Chargaff).
molécula de ADN formado por dos cadenas de polinucleótidos, enrolladas helicoidalmente entre sí y juntas alrededor de un eje imaginario, ᴛ.ᴇ. Es una doble hélice (a excepción de algunos virus que contienen ADN, tienen ADN monocatenario). El diámetro de la doble hélice del ADN es de 2 nm, la distancia entre nucleótidos vecinos es de 0,34 nm y hay 10 pares de nucleótidos por vuelta de la hélice. La longitud de la molécula puede alcanzar varios centímetros. Peso molecular: decenas y cientos de millones. La longitud total del ADN en el núcleo de una célula humana es de unos 2 m. En las células eucariotas, el ADN forma complejos con proteínas y tiene una conformación espacial específica.
Monómero de ADN - nucleótido (desoxirribonucleótido)- consta de residuos de tres sustancias: 1) una base nitrogenada, 2) un monosacárido de cinco carbonos (pentosa) y 3) ácido fosfórico. Las bases nitrogenadas de los ácidos nucleicos pertenecen a las clases de pirimidinas y purinas. Bases de pirimidina del ADN(tienen un anillo en su molécula) - timina, citosina. bases purínicas(tiene dos anillos) - adenina y guanina.
El monosacárido de nucleótidos del ADN es la desoxirribosa.
El nombre de un nucleótido se deriva del nombre de la base correspondiente. Los nucleótidos y las bases nitrogenadas se indican con letras mayúsculas.
La cadena de polinucleótidos se forma como resultado de reacciones de condensación de nucleótidos. En este caso, entre el carbono 3" del residuo de desoxirribosa de un nucleótido y el residuo de ácido fosfórico de otro, enlace fosfoéster(pertenece a la categoría de enlaces covalentes fuertes). Un extremo de la cadena de polinucleótidos termina con un carbono de 5" (llamado extremo de 5"), el otro termina con un carbono de 3" (extremo de 3").
Frente a una cadena de nucleótidos hay una segunda cadena. La disposición de los nucleótidos en estas dos cadenas no es aleatoria, sino estrictamente definida: la timina siempre se encuentra frente a la adenina de una cadena en la otra cadena, y la citosina siempre se encuentra frente a la guanina, surgen dos enlaces de hidrógeno entre la adenina y la timina, y entre Guanina y citosina: tres enlaces de hidrógeno. El patrón según el cual los nucleótidos de diferentes cadenas de ADN están estrictamente ordenados (adenina - timina, guanina - citosina) y se conectan selectivamente entre sí se suele denominar el principio de complementariedad. Cabe señalar que J. Watson y F. Crick llegaron a comprender el principio de complementariedad después de familiarizarse con los trabajos de E. Chargaff. E. Chargaff, después de estudiar una gran cantidad de muestras de tejidos y órganos de varios organismos, descubrió que en cualquier fragmento de ADN el contenido de residuos de guanina siempre corresponde exactamente al contenido de citosina y de adenina a timina ( "La regla de Chargaff"), pero no puede explicar este hecho.
Del principio de complementariedad se deduce que la secuencia de nucleótidos de una cadena determina la secuencia de nucleótidos de la otra.
Las cadenas de ADN son antiparalelas (multidireccionales), ᴛ.ᴇ. Los nucleótidos de diferentes cadenas están ubicados en direcciones opuestas y, por lo tanto, frente al extremo de 3" de una cadena está el extremo de 5" de la otra. A veces se compara la molécula de ADN con una escalera de caracol. La “barandilla” de esta escalera es una columna vertebral de azúcar-fosfato (residuos alternos de desoxirribosa y ácido fosfórico); Los “pasos” son bases nitrogenadas complementarias.
Función del ADN- almacenamiento y transmisión de información hereditaria.
Estructura y funciones del ADN: concepto y tipos. Clasificación y características de la categoría "Estructura y funciones del ADN" 2017, 2018.
El ADN es una fuente universal y un guardián de información hereditaria, que se registra mediante una secuencia especial de nucleótidos; determina las propiedades de todos los organismos vivos.
Se supone que el peso molecular promedio de un nucleótido es 345 y el número de residuos de nucleótidos puede alcanzar varios cientos, miles e incluso millones. El ADN se encuentra principalmente en los núcleos de las células. Se encuentra ligeramente en cloroplastos y mitocondrias. Sin embargo, el ADN del núcleo celular no es una sola molécula. Está formado por muchas moléculas que se distribuyen en diferentes cromosomas, su número varía según el organismo. Estas son las características estructurales del ADN.
Historia del descubrimiento del ADN.
La estructura y funciones del ADN fueron descubiertas por James Watson y Francis Crick, e incluso recibieron el Premio Nobel en 1962.
Pero el científico suizo Friedrich Johann Miescher, que trabajaba en Alemania, fue el primero en descubrir los ácidos nucleicos. En 1869 estudió células animales: los leucocitos. Para obtenerlos utilizó vendajes con pus, que consiguió en los hospitales. Mischer lavó los leucocitos del pus y aisló proteínas de ellos. Durante estos estudios, el científico pudo establecer que en los leucocitos, además de las proteínas, hay algo más, alguna sustancia desconocida en ese momento. Era un sedimento filiforme o floculento que se liberaba si se creaba un ambiente ácido. El precipitado se disolvió inmediatamente cuando se añadió álcali.
Usando un microscopio, el científico descubrió que cuando los leucocitos se lavan con ácido clorhídrico, quedan núcleos de las células. Luego concluyó que había una sustancia desconocida en el núcleo, a la que llamó nucleína (la palabra núcleo traducida significa núcleo).
Tras realizar un análisis químico, Miescher descubrió que la nueva sustancia contiene carbono, hidrógeno, oxígeno y fósforo. En aquel momento, se sabía poco sobre los compuestos organofosforados, por lo que Friedrich creía haber descubierto una nueva clase de compuestos que se encontraban en el núcleo celular.
Así, en el siglo XIX se descubrió la existencia de los ácidos nucleicos. Sin embargo, en aquel momento nadie podía siquiera pensar en el importante papel que desempeñaban.
Sustancia de la herencia
Se siguió estudiando la estructura del ADN y, en 1944, un grupo de bacteriólogos dirigido por Oswald Avery recibió pruebas de que esta molécula merece una atención seria. El científico pasó muchos años estudiando los neumococos, organismos que causaban neumonía o enfermedades pulmonares. Avery realizó experimentos mezclando neumococos que causan enfermedades con aquellos que son seguros para los organismos vivos. Primero, se eliminaron las células que causaban enfermedades y luego se les agregaron aquellas que no causaban enfermedades.
Los resultados de la investigación sorprendieron a todos. Había células vivas que, tras interactuar con las muertas, aprendían a provocar enfermedades. El científico descubrió la naturaleza de la sustancia que interviene en el proceso de transmisión de información a las células vivas desde las muertas. La molécula de ADN resultó ser esta sustancia.
Estructura
Por tanto, es necesario comprender qué estructura tiene la molécula de ADN. El descubrimiento de su estructura fue un acontecimiento importante que condujo a la formación de la biología molecular, una nueva rama de la bioquímica. El ADN se encuentra en grandes cantidades en los núcleos de las células, pero el tamaño y la cantidad de moléculas dependen del tipo de organismo. Se ha establecido que los núcleos de las células de los mamíferos contienen muchas de estas células, están distribuidas a lo largo de los cromosomas, hay 46 en total.
Mientras estudiaba la estructura del ADN, en 1924 Feulgen estableció por primera vez su localización. La evidencia obtenida de los experimentos mostró que el ADN se encuentra en las mitocondrias (1-2%). En otros lugares, estas moléculas se pueden encontrar durante la infección viral, en los cuerpos basales y también en los huevos de algunos animales. Se sabe que cuanto más complejo es el organismo, mayor es la masa de ADN. El número de moléculas presentes en una célula depende de la función y suele ser del 1 al 10%. La menor cantidad se encuentra en los miocitos (0,2%), la mayor parte en las células germinales (60%).
La estructura del ADN ha demostrado que en los cromosomas de organismos superiores están asociados con proteínas simples: albúminas, histonas y otras, que juntas forman DNP (desoxirribonucleoproteína). Normalmente, una molécula grande es inestable y, para que durante la evolución permanezca intacta y sin cambios, se ha creado el llamado sistema de reparación, que consta de enzimas: ligasas y nucleasas, que son responsables de la "reparación" de la molécula.
Estructura química del ADN.
El ADN es un polímero, un polinucleótido, que consta de una gran cantidad (hasta decenas de miles de millones) de mononucleótidos. La estructura del ADN es la siguiente: los mononucleótidos contienen bases nitrogenadas: citosina (C) y timina (T), de derivados de pirimidina, adenina (A) y guanina (G), de derivados de purina. Además de las bases nitrogenadas, la molécula humana y animal contiene 5-metilcitosina, una base pirimidina menor. Las bases nitrogenadas se unen al ácido fosfórico y a la desoxirribosa. La estructura del ADN se muestra a continuación.
reglas de chargaff
La estructura y el papel biológico del ADN fueron estudiados por E. Chargaff en 1949. Durante su investigación, identificó patrones que se observaron en la distribución cuantitativa de bases nitrogenadas:
- ∑T + C = ∑A + G (es decir, el número de bases pirimidínicas es igual al número de bases purínicas).
- El número de residuos de adenina es siempre igual al número de residuos de timina y el número de guanina es igual al de citosina.
- El coeficiente de especificidad tiene la fórmula: G+C/A+T. Por ejemplo, para una persona es 1,5, para un toro es 1,3.
- La suma de “A+C” es igual a la suma de “G+T”, es decir, hay tanta adenina y citosina como guanina y timina.
modelo de estructura de ADN
Fue creado por Watson y Crick. Los residuos de fosfato y desoxirribosa se encuentran a lo largo de la columna vertebral de dos cadenas de polinucleótidos retorcidas en espiral. Se determinó que las estructuras planas de las bases de pirimidina y purina están ubicadas perpendiculares al eje de la cadena y forman, por así decirlo, escalones de una escalera en forma de espiral. También se ha establecido que A siempre está unida a T mediante dos enlaces de hidrógeno, y G está unida a C mediante tres enlaces iguales. A este fenómeno se le dio el nombre de “principio de selectividad y complementariedad”.
Niveles de organización estructural
Una cadena de polinucleótidos doblada en espiral es una estructura primaria que tiene un cierto conjunto cualitativo y cuantitativo de mononucleótidos unidos por un enlace 3',5'-fosfodiéster. Así, cada una de las cadenas tiene un extremo 3' (desoxirribosa) y un extremo 5' (fosfato). Las áreas que contienen información genética se denominan genes estructurales.
La molécula de doble hélice es la estructura secundaria. Además, sus cadenas de polinucleótidos son antiparalelas y están unidas por enlaces de hidrógeno entre las bases complementarias de las cadenas. Se ha establecido que cada vuelta de esta hélice contiene 10 residuos de nucleótidos, su longitud es de 3,4 nm. Esta estructura también está sustentada por las fuerzas de interacción de van der Waals, que se observan entre las bases de una misma cadena, incluyendo componentes repulsivos y atractivos. Estas fuerzas se explican por la interacción de electrones en átomos vecinos. La interacción electrostática también estabiliza la estructura secundaria. Ocurre entre moléculas de histonas cargadas positivamente y una cadena de ADN cargada negativamente.
La estructura terciaria es el enrollamiento de las hebras de ADN alrededor de histonas o superenrollamiento. Se han descrito cinco tipos de histonas: H1, H2A, H2B, H3, H4.
El plegamiento de los nucleosomas en cromatina es una estructura cuaternaria, por lo que una molécula de ADN de varios centímetros de largo puede plegarse hasta 5 nm.
Funciones del ADN
Las principales funciones del ADN son:
- Almacenamiento de información hereditaria. La secuencia de aminoácidos que se encuentran en una molécula de proteína está determinada por el orden en que se ubican los residuos de nucleótidos en la molécula de ADN. También cifra toda la información sobre las propiedades y características del organismo.
- El ADN es capaz de transmitir información hereditaria a la siguiente generación. Esto es posible gracias a la capacidad de replicación: autoduplicación. El ADN es capaz de dividirse en dos cadenas complementarias y en cada una de ellas (de acuerdo con el principio de complementariedad) se restaura la secuencia de nucleótidos original.
- Con la ayuda del ADN se produce la biosíntesis de proteínas, enzimas y hormonas.
Conclusión
La estructura del ADN le permite ser custodio de la información genética y también transmitirla a las generaciones futuras. ¿Qué características tiene esta molécula?
- Estabilidad. Esto es posible gracias a los enlaces glicosídicos, de hidrógeno y fosfodiéster, así como al mecanismo de reparación de daños inducidos y espontáneos.
- Posibilidad de replicación. Este mecanismo permite mantener el número diploide de cromosomas en las células somáticas.
- La existencia de un código genético. Mediante los procesos de traducción y transcripción, la secuencia de bases que se encuentra en el ADN se convierte en una secuencia de aminoácidos que se encuentran en la cadena polipeptídica.
- Capacidad de recombinación genética. En este caso se forman nuevas combinaciones de genes que están vinculados entre sí.
Así, la estructura y funciones del ADN le permiten desempeñar un papel invaluable en los seres vivos. Se sabe que la longitud de las 46 moléculas de ADN que se encuentran en cada célula humana es de casi 2 m y el número de pares de nucleótidos es de 3,2 mil millones.
