Naturaleza del geny del genoma

Ácidos nucleicos

Los ácidos nucleicos son macromoléculas construidas en forma de cadena larga (hebra) de monómeros llamados nucleótidos. La función principal de los ácidos nucleicos es almacenar y transmitir información genética, pero también pueden desempeñar funciones estructurales o catalíticas.

Hay dos tipos de ácidos nucleicos en los organismos vivos, ácido desoxirribonucleico (DNA) y ácido ribonucleico (RNA).

En las células, la información almacenada en la plantilla de DNA se emplea para dirigir las actividades celulares durante la formación de mensajes de RNA.

Estructura del DNA

La unidad básica para construir DNA era un Nucleótido, constituido por un azúcar desoxiribosa de cinco carbones al cual se fijaba un fosfato esterificado en la posición 5' del anillo de azúcar, y en el sitio 1‘ una base nitrogenada

Hay dos tipos de bases, las pirimidinas más pequeñas y las purinas de mayor tamaño. También se sabía que los nucleótidos se unen entre sí mediante enlaces covalentes para formar un polímero lineal, o cadena, con un eje central compuesto por grupos alternos de azúcar y fosfato unidos por enlaces 3',5'-fosfodiéster. Se pensaba que las bases fijas a cada azúcar se proyectan desde el esqueleto central como una columna de entrepaños apilados.

Los nucleótidos poseen una estructura polarizada: un borde denominado extremo 5' donde se localiza el fosfato y otro borde llamado extremo 3‘.

El análisis de composición de bases se efectuó por hidrólisis de las bases fijas a los azúcares, aislando las bases del hidrolizado mediante cromatografía en papel y determinando la cantidad de material en cada uno de los cuatro puntos a los cuales se desplazaron las cuatro bases.

La composición de bases permanecía constante en dichas especies sin que el tejido empleado como fuente de DNA hiciera diferencia alguna. Dentro de esta gran variabilidad en las bases que componen diferentes DNA se descubrió una importante relación numérica. En una muestra determinada de DNA, e! número de purinas siempre es igual al número de pirimidinas. Más específicamente, el número de adeninas siempre igualó al número de tíminas, y el número de guaninas siempre fue igual al de citosinas. En otras palabras, Chargaff descubrió las siguientes reglas en la composición de bases del DNA:[A] = [T] [G] = [C] [A] + [T] * [G] + [C]

La propuesta de Watson y Crick

Watson y Crick propusieron un modelo de la estructura del DNA que incluye los siguientes elementos:

La molécula se compone de dos cadenas de nucleótidos. Esta proposición fue seguida casi de inmediato por una propuesta errónea de Linus Pauling, quien sugirió que el DNA se compone de tres cadenas de nucleótidos.

Las dos cadenas se enrollan alrededor de un eje central formando un par de hélices derechas. Las hélices derechas avanzan girando en dirección de las manecillas del reloj. La naturaleza helicoidal del DNA fue revelada por un patrón de puntos producido por difracción de rayos X.

El esqueleto -azúcar-fosfato-azúcar-fosfato- se localiza en el exterior de la molécula con los dos grupos de bases proyectándose hacia el centro. En el modelo de Pauling, el esqueleto de cada cadena se situó equivocadamente en el centro de la molécula. Los grupos fosfato confieren a la molécula carga negativa.

Las bases ocupan planos aproximadamente perpendiculares al eje longitudinal de la molécula y por lo tanto se colocan una sobre otra igual que platos apilados. Las interacciones hidrófobas y las fuerzas de van der Waals entre las bases planares apiladas estabilizan toda la molécula del DNA. Las vueltas helicoidales y los pares de bases planares, en conjunto, confieren a la molécula el aspecto de una escalera de caracol.

Las dos cadenas se conservan unidas mediante puentes de hidrógeno entre las bases de una cadena y sus correspondientes bases sobre la otra cadena. Un puente de hidrógeno, por sí solo, es débil y fácil de romper, lo que permite la separación de las cadenas de DNA durante ciertas actividades. Al mismo tiempo, la fuerza de los puentes de hidrógeno es aditiva, de modo que el gran número de ellos que mantiene las cadenas juntas confiere estabilidad a la doble hélice de la molécula.

La distancia del átomo de fósforo del esqueleto al centro del eje es de 10 A (por lo tanto, la anchura de la doble hélice es de 20 A).

La pirimidína de una cadena siempre coincide con una purina de la otra cadena. Esta relación genera una molécula de 20 A de ancho. Por lo contrario, la asociación de dos purinas podría extenderse más allá de la anchura especificada, y la asociación de dos pirimidinas podría no ser suficientemente ancha.

Los átomos de nitrógeno unidos al carbono 4 de la citosina y al carbono 6 de la adenína muestran predominantemente la configuración amino (NH2) y no la forma imino (NH). De manera similar, los átomos de oxígeno enlazados al carbono 6 de la guanina y al carbono 4 de la timina predominantemente muestran configuración ceto (C=O) en vez de configuraciónenol (C – OH)

Estas restricciones estructurales en la configuracion de las bases sugieren que la única purina estructuralmente capaz de enlazarse a timina es adenina y que guanina es la única purina capaz de enlazarse a citosina. Por lo tanto, los únicos pares posibles fueron A-T y G-C, que satisfacen perfectamente el análisis previo de la composición de bases efectuado por Chargaff. Los pares A-T se unen mediante dos puentes de hidrógeno y los pares G-C mediante tres puentes de hidrógeno.

Las dos cadenas que componen una doble hélice corren en direcciones opuestas; o sea, son antiparalelas. Por lo tanto, si una cadena se encuentra alineada en la dirección 5'3'.

Al observar la molécula desde el exterior se nota que en el espacio entre vueltas adyacentes de la hélice se forman dos surcos de diferente amplitud: un surco mayor más ancho y un surco menor más estrecho, que rodean en espiral la superficie externa de la doble hélice. Las proteínas unidas al DNA casi siempre se alojan en estos surcos.

La doble hélice efectúa una vuelta completa cada 10 residuos (3.4 nm), o 150 vueltas por cada fragmento igual a un millón de veces el peso molecular.

No hay restricción alguna sobre la secuencia de bases de determinada cadena de la molécula. Sin embargo, una vez especificada la secuencia particular de una cadena automáticamente queda determinada la secuencia de la otra cadena.

Esta relación entre las dos cadenas de la doble hélice se conoce como complementariedad. Por ejemplo, A es complementaria de T, AGC es complementaria de TCG, y una cadena completaes complementaria de la otra.

Importancia de la propusta de Watson-

Crick

Almacén de información genética. El DNA es la "plantilla" molecular, un registro de instrucciones precisas almacenadas que definen todas las características hereditarias mostradas por un organismo.

Autoduplicación y herencia. Puesto que el DNA contiene toda la plantilla de un organismo, debe contener la información para su propia duplicación. La duplicación del DNA es el medio para transmitir instrucciones genéticas de una célula a sus células hijas o de un individuo a su descendencia

Expresión del mensaje genético. Durante muchosaños los biólogos sospecharon que los genes individuales transportan información para sintetizar proteínas específicas. Debía existir algún mecanismo para utilizar la información almacenada en un gen en la síntesis de polipéptidos específicos.