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10.2: Estructura y función del ADN - Biología

10.2: Estructura y función del ADN - Biología


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Objetivos de aprendizaje

  • Describir la estructura bioquímica de los desoxirribonucleótidos.
  • Identificar los pares de bases utilizados en la síntesis de desoxirribonucleótidos.
  • Explica por qué la doble hélice del ADN se describe como antiparalela.

En Metabolismo microbiano, discutimos tres clases de macromoléculas: proteínas, lípidos y carbohidratos. En este capítulo, discutiremos una cuarta clase de macromoléculas: los ácidos nucleicos. Al igual que otras macromoléculas, los ácidos nucleicos están compuestos de monómeros, llamados nucleótidos, que se polimerizan para formar cadenas grandes. Cada hebra de ácido nucleico contiene ciertos nucleótidos que aparecen en un cierto orden dentro de la hebra, denominada secuencia de bases. La secuencia de bases del ácido desoxirribonucleico (ADN) es responsable de transportar y retener la información hereditaria en una célula. En Mechanisms of Microbial Genetics discutiremos en detalle las formas en que el ADN utiliza su propia secuencia de bases para dirigir su propia síntesis, así como la síntesis de ARN y proteínas, lo que, a su vez, da lugar a productos con estructura y estructura diversas. función. En esta sección, discutiremos la estructura y función básicas del ADN.

Nucleótidos de ADN

Los componentes básicos de los ácidos nucleicos son los nucleótidos. Los nucleótidos que componen el ADN se denominan desoxirribonucleótidos. Los tres componentes de un desoxirribonucleótido son un azúcar de cinco carbonos llamado desoxirribosa, un grupo fosfato y una base nitrogenada, una estructura de anillo que contiene nitrógeno que es responsable del apareamiento de bases complementarias entre las cadenas de ácido nucleico (Figura ( PageIndex {1} )). Los átomos de carbono de la desoxirribosa de cinco carbonos se numeran 1ʹ, 2ʹ, 3ʹ, 4ʹ y 5ʹ (1ʹ se lee como "un primo"). Un nucleósido comprende el azúcar de cinco carbonos y la base nitrogenada.

El desoxirribonucleótido se nombra de acuerdo con las bases nitrogenadas (Figura ( PageIndex {2} )). Las bases nitrogenadas adenina (A) y guanina (G) son las purinas; tienen una estructura de doble anillo con un anillo de seis carbonos fusionado con un anillo de cinco carbonos. Las pirimidinas, citosina (C) y timina (T), son bases nitrogenadas más pequeñas que tienen solo una estructura de anillo de seis carbonos.

Los trifosfatos de nucleósidos individuales se combinan entre sí mediante enlaces covalentes conocidos como enlaces fosfodiéster 5ʹ-3ʹ, o enlaces mediante los cuales el grupo fosfato unido al carbono 5ʹ del azúcar de un nucleótido se une al grupo hidroxilo del carbono 3ʹ del azúcar del siguiente nucleótido. La unión del fosfodiéster entre los nucleótidos forma la estructura de azúcar-fosfato, la estructura alterna de azúcar-fosfato que compone el marco de una cadena de ácido nucleico (Figura ( PageIndex {3} )). Durante el proceso de polimerización se utilizan desoxinucleótidos trifosfatos (dNTP). Para construir el esqueleto de azúcar-fosfato, los dos fosfatos terminales se liberan del dNTP como pirofosfato. La hebra resultante de ácido nucleico tiene un grupo fosfato libre en el extremo del carbono 5ʹ y un grupo hidroxilo libre en el extremo del carbono 3ʹ. Los dos grupos fosfato no utilizados del nucleótido trifosfato se liberan como pirofosfato durante la formación del enlace fosfodiéster. Posteriormente, el pirofosfato se hidroliza, liberando la energía utilizada para impulsar la polimerización de nucleótidos.

Ejercicio ( PageIndex {1} )

¿Qué se entiende por los extremos 5ʹ y 3ʹ de una cadena de ácido nucleico?

Descubriendo la Doble Hélice

A principios de la década de 1950, se habían acumulado pruebas considerables que indicaban que el ADN era el material genético de las células, y ahora había comenzado la carrera para descubrir su estructura tridimensional. Por esta época, el bioquímico austriaco Erwin Chargaff1(1905-2002) examinó el contenido de ADN en diferentes especies y descubrió que la adenina, timina, guanina y citosina no se encontraban en cantidades iguales y que variaba de una especie a otra, pero no entre individuos de la misma especie. Descubrió que la cantidad de adenina estaba muy cerca de igualar la cantidad de timina, y la cantidad de citosina estaba muy cerca de igualar la cantidad de guanina, o A = T y G = C. Estas relaciones también se conocen como reglas de Chargaff.

Otros científicos también exploraron activamente este campo a mediados del siglo XX. En 1952, el científico estadounidense Linus Pauling (1901-1994) fue el principal químico estructural del mundo y el favorito para resolver la estructura del ADN. Pauling había descubierto anteriormente la estructura de las proteínas α hélices, utilizando difracción de rayos X y, basándose en imágenes de difracción de rayos X de ADN obtenidas en su laboratorio, propuso un modelo de ADN de triple cadena.2 Al mismo tiempo, los investigadores británicos Rosalind Franklin (1920-1958) y su estudiante de posgrado R.G. Gosling también estaba usando difracción de rayos X para comprender la estructura del ADN (Figura ( PageIndex {4} )). Fue la experiencia científica de Franklin la que dio como resultado la producción de imágenes de ADN de difracción de rayos X más bien definidas que mostrarían claramente la estructura general de doble hélice del ADN.

James Watson (1928–), un científico estadounidense, y Francis Crick (1916–2004), un científico británico, trabajaron juntos en la década de 1950 para descubrir la estructura del ADN. Utilizaron las reglas de Chargaff y las imágenes de difracción de rayos X de las fibras de ADN de Franklin y Wilkins para reconstruir el emparejamiento purina-pirimidina de la molécula de ADN de doble hélice (Figura ( PageIndex {5} )). En abril de 1953, Watson y Crick publicaron su modelo de la doble hélice de ADN en Naturaleza.3 El mismo número también incluyó artículos de Wilkins y colegas,4 así como por Franklin y Gosling,5 cada uno describiendo diferentes aspectos de la estructura molecular del ADN. En 1962, James Watson, Francis Crick y Maurice Wilkins recibieron el Premio Nobel de Fisiología y Medicina. Desafortunadamente, para entonces Franklin había muerto y los premios Nobel en ese momento no se otorgaron póstumamente. Sin embargo, prosiguió el trabajo de aprendizaje sobre la estructura del ADN. En 1973, Alexander Rich (1924-2015) y sus colegas pudieron analizar cristales de ADN para confirmar y dilucidar aún más la estructura del ADN.6

Ejercicio ( PageIndex {2} )

¿A qué científicos se les atribuye la mayor parte del crédito por describir la estructura molecular del ADN?

Estructura del ADN

Watson y Crick propusieron que el ADN está formado por dos hebras que se enrollan entre sí para formar una hélice a la derecha. Las dos hebras de ADN son antiparalelas, de modo que el extremo 3ʹ de una hebra se enfrenta al extremo 5ʹ de la otra (Figura ( PageIndex {6} )). El extremo 3ʹ de cada hebra tiene un grupo hidroxilo libre, mientras que el extremo 5ʹ de cada hebra tiene un grupo fosfato libre. El azúcar y el fosfato de los nucleótidos polimerizados forman la columna vertebral de la estructura, mientras que las bases nitrogenadas se apilan en el interior. Estas bases nitrogenadas en el interior de la molécula interactúan entre sí, apareamiento de bases.

El análisis de los patrones de difracción del ADN ha determinado que hay aproximadamente 10 bases por turno en el ADN. El espaciado asimétrico de los esqueletos de azúcar-fosfato genera surcos principales (donde el esqueleto está muy alejado) y surcos menores (donde el esqueleto está muy cerca uno del otro) (Figura ( PageIndex {6} )). Estos surcos son lugares donde las proteínas se pueden unir al ADN. La unión de estas proteínas puede alterar la estructura del ADN, regular la replicación o regular la transcripción del ADN en ARN.

El emparejamiento de bases tiene lugar entre una purina y pirimidina. En el ADN, la adenina (A) y la timina (T) son pares de bases complementarios, y la citosina (C) y la guanina (G) también son pares de bases complementarios, lo que explica las reglas de Chargaff (Figura ( PageIndex {7} )). Los pares de bases están estabilizados por enlaces de hidrógeno; la adenina y la timina forman dos enlaces de hidrógeno entre ellos, mientras que la citosina y la guanina forman tres enlaces de hidrógeno entre ellos.

En el laboratorio, la exposición de las dos hebras de ADN de la doble hélice a altas temperaturas o a ciertos productos químicos puede romper los enlaces de hidrógeno entre bases complementarias, separando así las hebras en dos hebras individuales separadas de ADN (ADN monocatenario [ssDNA]). Este proceso se llama desnaturalización del ADN y es análogo a la desnaturalización de proteínas, como se describe en Proteínas. Las hebras de ssDNA también se pueden volver a unir como DNA bicatenario (dsDNA), a través del recocido o renaturalización enfriando o eliminando los desnaturalizantes químicos, permitiendo que estos enlaces de hidrógeno se vuelvan a formar. La capacidad de manipular artificialmente el ADN de esta manera es la base de varias técnicas importantes en biotecnología (Figura ( PageIndex {8} )). Debido al enlace de hidrógeno adicional entre el par de bases C = G, el ADN con un alto contenido de GC es más difícil de desnaturalizar que el ADN con un contenido de GC más bajo.

Vea una animación sobre la estructura del ADN en el Centro de aprendizaje de ADN para obtener más información.

Ejercicio ( PageIndex {3} )

¿Cuáles son los dos pares de bases complementarios del ADN y cómo se unen?

Función del ADN

El ADN almacena la información necesaria para construir y controlar la célula. La transmisión de esta información de las células madre a las hijas se denomina transferencia genética vertical y se produce a través del proceso de replicación del ADN. El ADN se replica cuando una célula hace una copia duplicada de su ADN, luego la célula se divide, lo que resulta en la distribución correcta de una copia de ADN a cada célula resultante. El ADN también puede degradarse enzimáticamente y usarse como fuente de nucleósidos y nucleótidos para la célula. A diferencia de otras macromoléculas, el ADN no desempeña un papel estructural en las células.

Ejercicio ( PageIndex {4} )

¿Cómo transmite el ADN la información genética a la descendencia?

PREPARANDO EL CAMINO PARA LAS MUJERES EN LAS PROFESIONES DE LA CIENCIA Y LA SALUD

Históricamente, las mujeres han estado infrarrepresentadas en las ciencias y la medicina y, a menudo, sus contribuciones pioneras han pasado relativamente desapercibidas. Por ejemplo, aunque Rosalind Franklin realizó los estudios de difracción de rayos X que demuestran la estructura de doble hélice del ADN, fueron Watson y Crick quienes se hicieron famosos por este descubrimiento, basándose en sus datos. Todavía existe una gran controversia sobre si la adquisición de sus datos fue apropiada y si los conflictos de personalidad y los prejuicios de género contribuyeron al retraso en el reconocimiento de sus importantes contribuciones. De manera similar, Barbara McClintock realizó un trabajo pionero en la genética del maíz desde la década de 1930 hasta la de 1950, descubriendo transposones (genes saltarines), pero no fue reconocida hasta mucho más tarde, recibiendo un Premio Nobel de Fisiología o Medicina en 1983 (Figura ( PageIndex {9} )).

Hoy en día, las mujeres siguen estando infrarrepresentadas en muchos campos de la ciencia y la medicina. Si bien más de la mitad de los títulos universitarios en ciencias se otorgan a mujeres, solo el 46% de los títulos de doctorado en ciencias se otorgan a mujeres. En el ámbito académico, el número de mujeres en cada nivel de avance profesional sigue disminuyendo, y las mujeres ocupan menos de un tercio de los puestos de científicas con nivel de doctorado en puestos de permanencia y menos de una cuarta parte de los cátedras completas en colegios y universidades de 4 años.7 Incluso en las profesiones de la salud, como en casi todos los demás campos, las mujeres a menudo están subrepresentadas en muchas carreras médicas y ganan significativamente menos que sus homólogos masculinos, como se muestra en un estudio de 2013 publicado por el Revista de la Asociación Médica Estadounidense.8

¿Por qué continúan existiendo tales disparidades y cómo rompemos estos ciclos? La situación es compleja y probablemente sea el resultado de la combinación de varios factores, incluida la forma en que la sociedad condiciona los comportamientos de las niñas desde una edad temprana y apoya sus intereses, tanto a nivel profesional como personal. Algunos han sugerido que las mujeres no pertenecen al laboratorio, incluido el premio Nobel Tim Hunt, cuyos comentarios públicos de 2015 sugieren que las mujeres son demasiado emocionales para la ciencia.9 fueron recibidos con una condena generalizada.

Quizás las niñas deberían recibir más apoyo desde una edad temprana en las áreas de ciencias y matemáticas (Figura ( PageIndex {9} )). Programas de ciencia, tecnología, ingeniería y matemáticas (STEM) patrocinados por la Asociación Americana de Mujeres Universitarias (AAUW)10 y Administración Nacional de Aeronáutica y del Espacio (NASA)11 son excelentes ejemplos de programas que ofrecen dicho apoyo. Las contribuciones de las mujeres a la ciencia deben darse a conocer más ampliamente al público, y el marketing dirigido a las niñas debe incluir más imágenes de científicas y profesionales médicas histórica y profesionalmente exitosas, alentando a todas las mentes jóvenes brillantes, incluidas las niñas y las mujeres, a seguir una carrera. en ciencia y medicina.

parte 2

Según sus síntomas, el médico de Alex sospecha que sufre de una enfermedad transmitida por los alimentos que adquirió durante sus viajes. Las posibilidades incluyen infección bacteriana (p. Ej., Enterotoxigénica E. coli, Vibrio cholerae, Campylobacter jejuni, Salmonela), infección viral (rotavirus o norovirus) o infección por protozoos (Giardia lamblia, Cryptosporidium parvum, o Entamoeba histolytica).

Su médico solicita una muestra de heces para identificar posibles agentes causantes (por ejemplo, bacterias, quistes) y para buscar la presencia de sangre porque ciertos tipos de agentes infecciosos (como C. jejuni, Salmonela, y E. histolytica) se asocian con la producción de heces con sangre.

La muestra de heces de Alex no mostró sangre ni quistes. Tras el análisis de su muestra de heces y basándose en su historial de viajes reciente, el médico del hospital sospechó que Alex sufría de diarrea del viajero causada por enterotoxigenic E. coli (ETEC), el agente causante de la mayoría de las diarreas del viajero. Para verificar el diagnóstico y descartar otras posibilidades, el médico de Alex ordenó una prueba de laboratorio de diagnóstico de su muestra de heces para buscar secuencias de ADN que codifiquen factores de virulencia específicos de ETEC. El médico le indicó a Alex que bebiera muchos líquidos para reemplazar lo que estaba perdiendo y lo dio de alta del hospital.

ETEC produce varios factores de virulencia codificados por plásmidos que lo hacen patógeno en comparación con los típicos E. coli. Estos incluyen las toxinas secretadas enterotoxina termolábil (LT) y enterotoxina termoestable (ST), así como el factor de colonización (CF). Tanto la LT como la ST provocan la excreción de iones cloruro de las células intestinales a la luz intestinal, lo que provoca la consiguiente pérdida de agua de las células intestinales, lo que provoca diarrea. La FQ codifica una proteína bacteriana que ayuda a permitir que la bacteria se adhiera al revestimiento del intestino delgado.

Ejercicio ( PageIndex {5} )

¿Por qué el médico de Alex utilizó el análisis genético en lugar del aislamiento de bacterias de la muestra de heces o la tinción de Gram directa de la muestra de heces sola?

Conceptos clave y resumen

  • Ácidos nucleicos Está compuesto de nucleótidos, cada uno de los cuales contiene un azúcar pentosa, un grupo fosfato y un base de nitrogeno. Desoxirribonucleótidos dentro del ADN contienen desoxirribosa como el azúcar pentosa.
  • El ADN contiene el pirimidinas citosina y timina, y el purinas adenina y guanina.
  • Nucleótidos están unidos por enlaces fosfodiéster entre el grupo fosfato 5ʹ de un nucleótido y el grupo hidroxilo 3ʹ de otro. A hebra de ácido nucleico tiene un grupo fosfato libre en el extremo 5ʹ y un grupo hidroxilo libre en el extremo 3ʹ.
  • Chargaff descubrió que la cantidad de adenina es aproximadamente igual a la cantidad de timina en el ADN, y que la cantidad de guanina es aproximadamente igual a citosina. Más tarde se determinó que estas relaciones se debían al emparejamiento de bases complementarias.
  • Watson y Crick, basándose en el trabajo de Chargaff, Franklin y Gosling y Wilkins, propusieron el modelo de doble hélice y el emparejamiento de bases para la estructura del ADN.
  • El ADN está compuesto por dos hebras complementarias orientadas antiparalelo el uno al otro con el espinas dorsales de fosfodiéster en el exterior de la molécula. Las bases nitrogenadas de cada hebra se enfrentan entre sí y las bases complementarias se unen de hidrógeno entre sí, estabilizando la doble hélice.
  • El calor o los productos químicos pueden romper los enlaces de hidrógeno entre bases complementarias, desnaturalizando el ADN. El enfriamiento o la eliminación de sustancias químicas puede provocar la renaturalización o el recocido del ADN al permitir que los enlaces de hidrógeno se vuelvan a formar entre las bases complementarias.
  • El ADN almacena las instrucciones necesarias para construir y controlar la célula. Esta información se transmite de padres a hijos a través de transferencia de genes vertical.

Opción multiple

¿Cuál de los siguientes no se encuentra dentro del ADN?

A. timina
B. enlaces fosfodiéster
C. emparejamiento de bases complementarias
D. aminoácidos

D

Si el 30% de las bases de una molécula de ADN son adenina, ¿cuál es el porcentaje de timina?

A. 20%
B. 25%
C. 30%
D. 35%

C

¿Cuál de las siguientes afirmaciones sobre el apareamiento de bases en el ADN es incorrecta?

R. Las purinas siempre son pares de bases con pirimidinas.
B. La adenina se une a la guanina.
C. Los pares de bases se estabilizan mediante enlaces de hidrógeno.
D. El emparejamiento de bases se produce en el interior de la doble hélice.

B

Si una hebra de ADN contiene la secuencia 5ʹ-ATTCCGGATCGA-3ʹ, ¿cuál de las siguientes es la secuencia de la hebra complementaria de ADN?

A. 5ʹ-TAAGGCCTAGCT-3ʹ
B. 5ʹ-ATTCCGGATCGA-3ʹ
C. 3ʹ-TAACCGGTACGT-5ʹ
D. 5ʹ-TCGATCCGGAAT-3ʹ

D

Durante la desnaturalización del ADN, ¿cuál de los siguientes ocurre?

A. Se rompen los enlaces de hidrógeno entre bases complementarias.
B. Los enlaces fosfodiéster se rompen dentro del esqueleto de azúcar-fosfato.
C. Se rompen los enlaces de hidrógeno dentro del esqueleto de azúcar-fosfato.
D. Se rompen los enlaces fosfodiéster entre bases complementarias.

UNA.

Complete el espacio en blanco

El final de una cadena de ácido nucleico con un grupo fosfato libre se llama ________.

5ʹ fin

Verdadero Falso

El trabajo de Rosalind Franklin y R.G. Gosling fue importante para demostrar la naturaleza helicoidal del ADN.

Cierto

El par de bases A-T tiene más enlaces de hidrógeno que el par de bases C-G.

Falso

Respuesta corta

¿Cuál es el papel de los enlaces fosfodiéster dentro de la columna vertebral azúcar-fosfato del ADN?

¿Qué se entiende por el término "antiparalelo"?

¿Por qué el ADN con un alto contenido de GC es más difícil de desnaturalizar que el que tiene un bajo contenido de GC?

Pensamiento crítico

Se encuentra que una determinada muestra de ADN tiene una composición que consiste en un 22% de timina. Utilice las reglas de Chargaff para completar los porcentajes de las otras tres bases nitrogenadas.

Al considerar la estructura de la doble hélice del ADN, ¿cómo esperaría que difiera la estructura si hubiera un apareamiento de bases entre dos purinas? ¿Entre dos pirimidinas?

Notas al pie

  1. 1 N. Kresge y col. "Reglas de Chargaff: el trabajo de Erwin Chargaff". Revista de química biológica 280 (2005): e21.
  2. 2 L. Pauling, "Una estructura propuesta para los ácidos nucleicos". Actas de la Academia Nacional de Ciencias de los Estados Unidos de América 39 no. 2 (1953): 84–97.
  3. 3 J.D. Watson, F.H.C. Tortícolis. "Una estructura para el ácido nucleico desoxirribosa". Naturaleza 171 no. 4356 (1953): 737–738.
  4. 4 M.H.F. Wilkins y col. "Estructura molecular de los ácidos nucleicos desoxipentosa". Naturaleza 171 no. 4356 (1953): 738–740.
  5. 5 R. Franklin, R.G. Ansarino. "Configuración molecular en timonucleato de sodio". Naturaleza 171 no. 4356 (1953): 740–741.
  6. 6 R.O. Day et al. "Un fragmento cristalino de la doble hélice: la estructura del fosfato de dinucleósido Guanilil-3 ', 5'-Citidina". Actas de la Academia Nacional de Ciencias de los Estados Unidos de América 70 no. 3 (1973): 849–853.
  7. 7 N.H. Wolfinger "Para las científicas, no hay un buen momento para tener hijos". El Atlántico 29 de julio de 2013. www.theatlantic.com/sexes/arc...ildren/278165/.
  8. 8 S.A. Seabury y col. "Tendencias en los ingresos de los profesionales de la salud masculinos y femeninos en los Estados Unidos, 1987 a 2010." Revista de Medicina Interna de la Asociación Médica Estadounidense 173 no. 18 (2013): 1748-1750.
  9. 9 E. Chung. "Tim Hunt, Sexismo y ciencia: el verdadero 'problema con las niñas' en los laboratorios". CBC News Tecnología y ciencia, 12 de junio de 2015. http://www.cbc.ca/news/technology/ti...labs-1.3110133. Consultado el 4 de agosto de 2016.
  10. 10 Asociación Americana de Mujeres Universitarias. "Construyendo un canal de STEM para niñas y mujeres". www.aauw.org/what-we-do/stem-education/. Consultado el 10 de junio de 2016.
  11. 11 Administración Nacional de Aeronáutica y del Espacio. "Programas de divulgación: Iniciativa para mujeres y niñas". http://women.nasa.gov/outreach-programs/. Consultado el 10 de junio de 2016.


Ver el vídeo: ADN y estructuras del ADN. Biologia: Ácidos nucleicos. Material genético. (Julio 2022).


Comentarios:

  1. Yehuda

    Tema muy destacable

  2. Jaide

    Creo que este es tu error.

  3. Beore

    Autor, leer comentarios, todo spam



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