El ADN Como material gentico (un poco de historia)

Los neumococos de GriffithLa historia del descubrimiento de la composicin qumica de los genes se inicia en 1928, cuando el mdico ingls Frederick Griffith realizaba sus experimentosde infeccin de ratones con los neumococos (bacterias que causan la neumona en humanos). La inoculacin de estas bacterias en los ratones causa su muerte en 24hs y su patogenicidad se debe a la cpsula de polisacridos que poseen por fuera de su pared celular. Esta cpsula le otorga a las colonias de neumococos un aspecto brillante o liso, denominado S. Existen mutantes de neumococos que no producen la cpsula de polisacridos y forman colonias de aspecto rugoso o R. Griffith descubri que estas mutantes no mataban a los ratones. Pero sin embargo, si mezclaba a los neumococos R con neumococos S previamente muertos por calor, entonces los ratones se moran. An ms, en la sangre de estos ratones muertos Griffith encontr neumococos con cpsula (S). Es decir que en las bacterias S muertas haba algo capaz de transformar a las bacterias R en patgenas y este cambio era permanente y heredable! Ms tarde se demostr que esta transformacintambin se produca si se incubaban los neumococos R con un extracto libre de clulas S.Qu sustancia transmita la propiedad de matar a los ratones de las bacterias S muertas a las bacterias R vivas? Esta pregunta es clave si consideramos a la transformacin de R en S como un fenmeno de intercambio de informacin gentica. Pero en ese entonces nadie imaginaba que las bacterias llevaran genes y por lo tanto la identificacin de la sustancia responsable de tal transformacin pareca no estar relacionada con el descubrimiento de la naturaleza de los mismos.La naturaleza del principio transformanteEl mdico microbilogo Oswald Avery qued sorprendido por los resultados publicados por Griffith y aunque al principio no crea mucho en ellos, se propuso descubrir la sustancia responsable del fenmeno de transformacin.As fue como Oswald Avery, junto a sus colegas Colin MacLeod y Maclyn McCarty comenzaron a fraccionar el extracto de bacterias S libre de clulas donde, segn Griffith, estaba elprincipio transformante. Encontraron que podan eliminar las protenas, los lpidos, los polisacridos y el ARN del extracto sin disminuir la propiedad del extracto de transformar a los neumococos R en S. Sin embargo, si purificaban el ADN presente en el extracto y lo incubaban con las bacterias R, stas se transformaban en S. Era el ADN el principio transformante que haca que los neumococos R se transformaran en S, es decir, era el ADN el que llevaba la informacin necesaria para que la cepa R fuera capaz de sintetizar una cpsula de polisacridos idntica a la que posean las bacterias S.Cuando Avery, MacLeod y McCarty publicaron sus resultados en 1944, fueron muy pocos los que concluyeron que los genes estaban compuestos de ADN. En esa poca era realmente difcil de imaginar que una molcula montona compuesta slo de cuatro bases nitrogenadas diferentes pudiera tener la suficiente variabilidad como para llevar toda la informacin gentica que precisaban los seres vivos. Sin duda, eran las protenas las candidatas para tal funcin, debido a su gran complejidad y mltiples formas. En este contexto, Avery, MacLeod y McCarty concluyeron, tmidamente, en su artculo:Si los resultados del presente estudio se confirman, entonces el ADN debe ser considerado como una molcula que posee especificidad biolgica cuya base qumica an no ha sido determinada.Los bacterifagos de Hershey y ChaseLlev ocho aos ms para que la comunidad cientfica se convenciera de que el ADN era el material gentico. Fue gracias al experimento que presentaron Al Hershey y Martha Chase en 1952, sobre la infeccin debacterifagos o fagos(virus que infectan bacterias). Los fagos estn compuestos por una cabeza proteica que guarda en su interior ADN. Hershey y Chase vieron que durante la infeccin el ADN abandona la cabeza del fago y entra en la bacteria, dejando afuera la cabeza proteica. Es decir que el ADN lleva la informacin necesaria y suficiente para hacer ms fagos hijos dentro de la bacteria. En otras palabras, el experimento indicaba que era el ADN el portador de la informacin gentica del fago.La conclusin de que el ADN portara la informacin gentica para la continuidad de los fagos coincida plenamente con la obtenida por Avery, MacLeod y McCarty, que indicaba que el ADN era el material gentico de las bacterias. Sin embargo, y despus de la desconfianza con que haban sido tomados los resultados sobre la transformacin bacteriana, fue el experimento de los fagos el que disip las dudas sobre la composicin qumica de los genes.El ADN no es tan aburrido como pareceComo mencionamos anteriormente, para esa poca prevaleca la idea de que el ADN era una molcula demasiado aburrida como para ser considerada portadora de la informacin gentica. Esta idea fue desechada gracias al trabajo de Erwin Chargaff, quien analiz en detalle la composicin de bases del ADN extrado de diferentes organismos. Lleg a la sorprendente conclusin de que las bases nitrogenadas no se encontraban en proporciones exactamente iguales en levaduras, bacterias, cerdos, cabras y humanos, sugiriendo que el ADN no deba ser tan montono. Sin embargo, demostr que, independientemente del origen del ADN, la proporcin de purinas era igual a la de pirimidinas, y que la proporcin de adeninas era igual a la de timinas, y la de citosinas igual a la de guaninas. En su artculo, publicado en 1950, seal:Los resultados ayudan a refutar la hiptesis del tetranucletido. Es sin embargo notable, aunque no podemos decir que este hallazgo no sea ms que accidental, que en todos los ADN examinados las proporciones entre el total de purinas y el total de pirimidinas, as como entre adenina y timina, y citosina y guanina, fueron prximos a 1Este resultado reflejaba por primera vez un aspecto estructural del ADN, indicaba que independientemente de la composicin de A o de G en un ADN, siempre la concentracin de A es igual a la de T y la de C igual a la de G. Sin embargo, en aquel momento Chargaff no sospech las implicancias que podan tener estas reglas (denominadas ms tarde reglas de Chargaff) en la elucidacin de la estructura del ADN. Ni siquiera queda claro si Watson y Crick las tuvieron en cuenta para postular el modelo de la doble hlice.Finalmente, la doble hliceA comienzos de la dcada de 1950, tres grupos de investigadores trabajaban simultneamente en la estructura del ADN. Uno de ellos, el de Linus Pauling y sus colegas, formul un modelo equivocado, en el cual la molcula de ADN deba estar formada por una triple hlice.En el segundo equipo, liderado por Maurice Wilkins, trabajabaRosalind Franklin. Ella fue la primera en obtener una excelente fotografa del ADN pordifraccin de rayos X, a partir de la cual poda deducirse la distribucin y la distancia entre los tomos que formaban parte del ADN. Cuentan que mientras Wilkins y Franklin intentaban traducir sus datos en una estructura probable, la fotografa fue vista porJames Watson y Francis Crick, el tercer equipo que estaba investigando la estructura del ADN. Watson y Crick tenan en mente una serie de posibles estructuras, pero al carecer de buenas fotografas no podan concluir sobre cul era la correcta. La fotografa de Franklin fue clave en este sentido, y as Watson y Crick pudieron publicar en 1953, en el mismo nmero de la revista Natureen el que publicaron sus fotografas Wilkins y Franklin, la estructura de doble hlice del ADN. Watson y Crick inician su artculo original de esta manera:Deseamos sugerir una estructura para el cido desoxirribonucleico (ADN). Esta estructura tiene caractersticas novedosas que son de considerable inters desde el punto de vista biolgico.Segn el modelo de Watson y Crick, el ADN deba ser unadoble hlicey calcularon las distancias exactas que deba haber entre las cadenas y entre los tomos que las componen. Dedujeron que una pirimidina siempre se enfrentaba a una purina de la otra hebra y que estas bases se unan por puentes de hidrgeno.La estructura de la doble hlice sin duda revolucion la biologa molecular. Ms all de haber sido validada por una infinidad de experimentos y tcnicas, proporcion respuestas a muchas preguntas que se tenan sobre la herencia. Predijo la autorreplicacin del material gentico y la idea de que la informacin gentica estaba contenida en la secuencia de las bases.En 1962 James Watson, Francis Crick y Maurice Wilkins recibieron el premio Nobel en medicina por el descubrimiento de la estructura del ADN. Rosalind Franklin haba fallecido en 1958, a los 37 aos de edad.

WatsonyCrickpropusieron que las dos cadenas depolinuclotidosen la doble hlice estn asociadas por puentes de hidrgeno entre las bases nitrogenadas:La siguiente figura muestra que usualmente, G solo puede hacer puentes de hidrgeno con G, por el contrario, A solo puede unirse con T. Estas reacciones se describen como pares de bases y las bases apareadas (G con C y A con T) son complementarias.

Figura: complementariedad de los pares de bases deWatsonyCrick.El modelo requiere las dos cadenas depolinuclotidoscorriendo en direcciones (antiparalelas). Al observar la hlice, se aprecia que una hebra corre en direccin 53, mientras que su hebra complementaria lo hace en direccin 35. Esto se refiere al enlace que se forma entre el grupo fosfato en posicin 3 de un nucletido y el grupo hidroxilo 5 en el siguiente nucletido, de tal forma que en los extremos se encuentra un grupo3 libre de un lado y uno 5 del otro.

Estructura secundariaLa estructura secundaria del ADN corresponde a la disposicin en el espacio de dos hebras o cadenas de polinucletidos que forman una doble hlice, con las bases nitrogenadas enfrentadas y unidas mediante enlaces de hidrgeno.A partir de datos experimentales, el qumico Edwin Chargaff, en 1950 observ que todos los ADN tienen tantas molculas de Adenina como de Timina, y tantas molculas de Citosina como de Guanina.Esto implica que los puentes de hidrgeno se establecen entre las adeninas y las timinas y, por otro lado entre las citosinas y las guaninas y, por tanto, exista una complementariedad entre las bases. Debido a las caractersticas de la Adenina y Timina, se establecen dos puentes de hidrgeno, y entre las citosinas y guaninas tres puentes de hidrgeno.