objetivos de aprendizaje
- describir la estructura bioquímica de los desoxirribonucleótidos
- Identificar los pares de bases utilizados en la síntesis de desoxirribonucleótidos
- explicar por qué la doble hélice del ADN se describe como antiparalela
en el 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 hebras grandes. Cada cadena de ácido nucleico contiene ciertos nucleótidos que aparecen en un cierto orden dentro de la cadena, llamada su secuencia base. La secuencia base del ácido desoxirribonucleico (ADN) es responsable de transportar y retener la información hereditaria en una célula., En mecanismos de Genética microbiana, 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, que, a su vez, da lugar a productos con diversa estructura y función. En esta sección, discutiremos la estructura básica y la función del ADN.
nucleótidos de ADN
los componentes básicos de los ácidos nucleicos son nucleótidos. Los nucleótidos que componen el ADN se llaman 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 emparejamiento de bases complementarias entre las hebras de ácido nucleico (Figura 1). Los átomos de carbono de las cinco emisiones de carbono de desoxirribosa son numeradas 1ʹ, 2ʹ, 3ʹ, 4ʹ, y 5ʹ (1ʹ se lee como «prime»). Un nucleósido comprende el azúcar de cinco carbonos y la base nitrogenada.
la Figura 1., (a) cada desoxirribonucleótido se compone de un azúcar llamado desoxirribosa, un grupo fosfato y una base nitrogenada—en este caso, adenina. (b) los cinco carbonos dentro de la desoxirribosa se designan como 1ʹ, 2., 3., 4. y 5..
el desoxirribonucleótido se nombra de acuerdo con las bases nitrogenadas (Figura 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 a 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.,
la Figura 2. Las bases nitrogenadas dentro del ADN se clasifican en las purinas de dos anillos adenina y guanina y las pirimidinas de un solo anillo citosina y timina. La timina es única en el ADN.
los nucleósidos trifosfatos individuales se combinan entre sí por enlaces covalentes conocidos como enlaces fosfodiéster 5 3-3 phosph, o enlaces por los cuales el grupo fosfato unido al carbono 5 carbon del azúcar de un nucleótido se une al grupo hidroxilo del carbono 3 carbon del azúcar del siguiente nucleótido., La Unión de fosfodiéster entre nucleótidos forma la columna vertebral de azúcar-fosfato, la estructura alterna de azúcar-fosfato que compone el marco de una cadena de ácido nucleico (Figura 3). Durante el proceso de polimerización, se utilizan trifosfatos de desoxinucleótido (dNTP). Para construir la columna vertebral de azúcar-fosfato, los dos fosfatos terminales se liberan desde el dNTP como un pirofosfato. La cadena resultante de ácido nucleico tiene un grupo fosfato libre en el extremo de carbono 5 carbon y un grupo hidroxilo libre en el extremo de carbono 3 carbon., Los dos grupos de fosfato no utilizados del nucleótido trifosfato se liberan como pirofosfato durante la formación de enlaces fosfodiéster. El pirofosfato se hidroliza posteriormente, liberando la energía utilizada para impulsar la polimerización de nucleótidos.
la Figura 3. Los enlaces fosfodiéster se forman entre el grupo fosfato unido al carbono 5ʹ de un nucleótido y el grupo hidroxilo del carbono 3 carbon en el siguiente nucleótido, provocando la polimerización de nucleótidos en las hebras de ácido nucleico. Note los extremos 5 3 y 3 ends de esta hebra de ácido nucleico.,
piénsalo
- ¿Qué se entiende por los extremos 5?y 3? de una cadena de ácido nucleico?
descubriendo la doble hélice
a principios de la década de 1950, se había acumulado evidencia considerable que indicaba que el ADN era el material genético de las células, y ahora la raza estaba en descubrir su estructura tridimensional., Alrededor de este tiempo, el bioquímico austriaco Erwin Chargaff (1905-2002) examinó el contenido de ADN en diferentes especies y descubrió que la adenina, la timina, la guanina y la citosina no se encontraban en cantidades iguales, y que variaba de especie a especie, pero no entre individuos de la misma especie. Encontró 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.,
la Figura 4. El patrón de difracción de rayos X del ADN muestra su naturaleza helicoidal. (crédito: Institutos Nacionales de salud)
otros científicos también exploraron activamente este campo a mediados del siglo 20. En 1952, el científico estadounidense Linus Pauling (1901-1994) fue el químico estructural líder en el mundo y el favorito para resolver la estructura del ADN., Pauling había descubierto anteriormente la estructura de las hélices de proteínas α, usando difracción de rayos X, y, basado en imágenes de difracción de rayos X de ADN hechas en su laboratorio, propuso un modelo de ADN de triple cadena. Al mismo tiempo, los investigadores británicos Rosalind Franklin (1920-1958) y su estudiante de posgrado R. G. Gosling también estaban utilizando la difracción de rayos X para comprender la estructura del ADN (Figura 4). Fue la experiencia científica de Franklin la que resultó en la producción de imágenes de difracción de rayos X más bien definidas del ADN 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, estaban trabajando 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 Franklin y Wilkins de fibras de ADN para unir el emparejamiento purina-pirimidina de la molécula de ADN de doble hélice (Figura 5). En abril de 1953, Watson y Crick publicaron su modelo de la doble hélice de ADN en Nature. El mismo número incluyó además artículos de Wilkins y sus colegas, cada uno describiendo diferentes aspectos de la estructura molecular del ADN., En 1962, James Watson, Francis Crick y Maurice Wilkins fueron galardonados con 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, se siguió trabajando en el aprendizaje de la estructura del ADN. En 1973, Alexander Rich (1924-2015) y sus colegas pudieron analizar los cristales de ADN para confirmar y dilucidar aún más la estructura del ADN.
la Figura 5., En 1953, James Watson y Francis Crick construyeron este modelo de la estructura del ADN, que se muestra aquí en el Museo de Ciencias de Londres.
piénselo
- ¿Qué científicos reciben la mayor parte del crédito por describir la estructura molecular del ADN?
estructura del ADN
Watson y Crick propusieron que el ADN se compone de dos hebras que se retuercen entre sí para formar una hélice diestra. Las dos hebras de ADN son antiparalelas, de modo que el extremo 3 end de una hebra se enfrenta al extremo 5 end de la otra (figura 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, emparejamiento de bases.
el análisis de los patrones de difracción del ADN ha determinado que hay aproximadamente 10 bases por turno en el ADN., El espaciamiento asimétrico de las espinas dorsales de azúcar-fosfato genera surcos mayores (donde la columna vertebral está muy separada) y surcos menores (donde la columna vertebral está muy cerca) (Figura 6). Estos surcos son lugares donde las proteínas pueden unirse al ADN. La Unión de estas proteínas puede alterar la estructura del ADN, regular la replicación o regular la transcripción del ADN en ARN.
la Figura 6. Watson y Crick propusieron el modelo de doble hélice para el ADN., (a) las espinas dorsales de azúcar-fosfato están en el exterior de la doble hélice y las purinas y pirimidinas forman los «peldaños» de la escalera de hélice de ADN. (b) las dos hebras de ADN son antiparalelas entre sí. (c) la dirección de cada hebra se identifica numerando los carbonos (1 a 5) en cada molécula de azúcar. El extremo 5ʹ es aquel donde el carbono # 5 no está unido a otro nucleótido; el extremo 3ʹ es aquel donde el carbono #3 no está unido a otro nucleótido.
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 complementarias, y la citosina (C) y la guanina (G) también son pares de bases complementarias, lo que explica las reglas de Chargaff (Figura 7). Los pares de bases son 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.
la Figura 7. Los enlaces de hidrógeno se forman entre bases nitrogenadas complementarias en el interior del ADN.,
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 ). 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 ADN de doble cadena (dsDNA), a través de la recocido o renaturalización por enfriamiento o eliminación de los desnaturalizantes químicos, permitiendo que estos enlaces de hidrógeno se reformen., La capacidad de manipular artificialmente el ADN de esta manera es la base de varias técnicas importantes en biotecnología (Figura 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 menor contenido de GC.
la Figura 8. En el laboratorio, la doble hélice puede ser desnaturalizada a ADN monocatenario a través de la exposición al calor o a productos químicos, y luego renaturalizada a través del enfriamiento o la eliminación de desnaturalizantes químicos para permitir que las hebras de ADN vuelvan a reconducirse., (crédito: modificación del trabajo de Hernández-Lemus E, Nicasio-Collazo La, Castañeda-Priego R)
piénsalo
- ¿Cuáles son los dos pares de bases complementarias de 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 hija se llama transferencia vertical de genes 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, entonces 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 utilizarse como fuente de nucleósidos y nucleótidos para la célula. A diferencia de otras macromoléculas, el ADN no desempeña un papel estructural en las células.
piénsalo
- ¿Cómo transmite el ADN la información genética a la descendencia?,
allanando el camino para las mujeres en las profesiones de la ciencia y la salud
históricamente, las mujeres han estado subrepresentadas en las ciencias y en 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 doble helicoidal del ADN, son Watson y Crick quienes se hicieron famosos por este descubrimiento, basándose en sus datos., Sigue habiendo 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 contribuciones significativas. De manera similar, Barbara McClintock hizo un trabajo pionero en la genética del maíz desde la década de 1930 hasta la década de 1950, descubriendo transposones (genes saltando), pero no fue reconocida hasta mucho más tarde, recibiendo un Premio Nobel en Fisiología o Medicina en 1983 (Figura 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 de grado en Ciencias se otorgan a mujeres, solo el 46% de los títulos de doctorado en Ciencias se otorgan a mujeres. En el mundo académico, el número de mujeres en cada nivel de promoción profesional sigue disminuyendo, con mujeres que ocupan menos de un tercio de los puestos de científicos de nivel de doctorado en puestos de titularidad, y menos de una cuarta parte de los puestos de catedráticos completos en colegios y universidades de 4 años., Incluso en las profesiones de la salud, como 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 Journal of the American Medical Association.
¿Por qué siguen existiendo estas disparidades y cómo rompemos estos ciclos? La situación es compleja y probablemente es el resultado de la combinación de varios factores, incluida la forma en que la sociedad condiciona el comportamiento de las niñas desde una edad temprana y apoya sus intereses, tanto profesional como personalmente., Algunos han sugerido que las mujeres no pertenecen al laboratorio, incluido el ganador del Premio Nobel Tim Hunt, cuyos comentarios públicos de 2015 que sugieren que las mujeres son demasiado emocionales para la ciencia fueron objeto de una condena generalizada.
tal vez las niñas deberían recibir más apoyo desde una edad temprana en las áreas de Ciencias y matemáticas (Figura 9). Los programas de Ciencia, Tecnología, Ingeniería y matemáticas (STEM) patrocinados por la Asociación Americana de Mujeres Universitarias (AAUW) y la Administración Nacional de Aeronáutica y del Espacio (NASA) son excelentes ejemplos de programas que ofrecen dicho apoyo., Las contribuciones de las mujeres en la ciencia deben darse a conocer más ampliamente al público, y la comercialización dirigida a las niñas debe incluir más imágenes de Científicas y profesionales médicas exitosas histórica y profesionalmente, alentando a todas las mentes jóvenes brillantes, incluidas las niñas y las mujeres, a seguir carreras en la ciencia y la medicina.
la Figura 9. (a) el trabajo de Barbara McClintock sobre la genética del maíz entre los años 1930 y 1950 resultó en el descubrimiento de transposones, pero su importancia no fue reconocida en ese momento., b) los esfuerzos por orientar adecuadamente a la mujer en las esferas de la ciencia y la medicina y seguir prestándole apoyo social algún día podrían contribuir a aliviar algunos de los problemas que impiden la igualdad entre los géneros en todos los niveles de la ciencia y la medicina. (crédito a: modificación del trabajo de Smithsonian Institution; crédito B: modificación del trabajo de Haynie SL, Hinkle AS, Jones NL, Martin CA, Olsiewski PJ, Roberts MF)
enfoque clínico: Aamir, Parte 2
Este ejemplo continúa la historia de Aamir que comenzó en el uso de la microbiología para descubrir los secretos de la vida.,
basado en sus síntomas, el médico de Aamir sospecha que está sufriendo de una enfermedad transmitida por los alimentos que adquirió durante sus viajes. Las posibilidades incluyen infección bacteriana (por ejemplo, E. coli enterotoxigénico, Vibrio cholerae, Campylobacter jejuni, Salmonella), infección viral (rotavirus o norovirus), o infección protozoaria (Giardia lamblia, Cryptosporidium parvum, o Entamoeba histolytica).
Su médico ordena una muestra de heces para identificar posibles agentes causales (por ejemplo, bacterias, quistes) y para buscar la presencia de sangre debido a ciertos tipos de agentes infecciosos (como C., jejuni, Salmonella y E. histolytica) se asocian con la producción de heces sanguinolentas.
la muestra de heces de Aamir no mostró sangre ni quistes. Tras el análisis de su muestra de heces y basándose en su historial reciente de viajes, el médico del hospital sospechó que Aamir sufría de diarrea del viajero causada por E. coli enterotoxigénica (ETEC), el agente causal de la mayoría de la diarrea del viajero., Para verificar el diagnóstico y descartar otras posibilidades, el médico de Aamir 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 ordenó a Aamir que bebiera muchos líquidos para reemplazar lo que estaba perdiendo y lo dio de alta del hospital.
ETEC produce varios factores de virulencia codificados en plásmidos que lo hacen patógeno en comparación con E. coli típico. Estos incluyen las toxinas secretadas enterotoxina lábil térmica (LT) y enterotoxina termoestable (ST), así como el factor de colonización (CF)., Tanto el LT como el ST causan la excreción de iones cloruro de las células intestinales a la luz intestinal, causando una consecuente pérdida de agua de las células intestinales, lo que resulta en diarrea. La CF codifica una proteína bacteriana que ayuda a permitir que la bacteria se adhiera al revestimiento del intestino delgado.
- ¿Por qué el médico de Aamir utilizó el análisis genético en lugar del aislamiento de bacterias de la muestra de heces o la tinción directa de Gram de la muestra de heces sola?
volveremos al ejemplo de Aamir en páginas posteriores.,
conceptos clave y Resumen
- Los ácidos nucleicos están compuestos de nucleótidos, cada uno de los cuales contiene un azúcar pentosa, un grupo fosfato y una base nitrogenada. Los desoxirribonucleótidos dentro del ADN contienen desoxirribosa como el azúcar pentosa.
- el ADN contiene las pirimidinas citosina y timina, y las purinas adenina y guanina.
- Los nucleótidos están unidos entre sí por enlaces fosfodiéster entre el grupo 5 phosphate fosfato de un nucleótido y el grupo 3 Hydrox hidroxilo de otro., Una 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 la citosina. Más tarde se determinó que estas relaciones se debían al emparejamiento de bases complementario.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 se compone de dos hebras complementarias orientadas antiparalelas entre sí con las espinas dorsales del fosfodiéster en el exterior de la molécula. Las bases nitrogenadas de cada hebra se enfrentan entre sí y las bases complementarias se unen entre sí, estabilizando la doble hélice.
- El calor o los productos químicos pueden romper los enlaces de hidrógeno entre las bases complementarias, desnaturalizando el ADN. El enfriamiento o la eliminación de productos químicos puede conducir a la renaturalización o el recocido del ADN al permitir que los enlaces de hidrógeno se reformen entre 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 la transferencia vertical de genes.
Opción Múltiple
cuál de los siguientes no se encuentra en el ADN?
- timina
- enlaces de fosfodiéster
- emparejamiento de bases complementarias
- aminoácidos
si el 30% de las bases dentro de una molécula de ADN son adenina, ¿Cuál es el porcentaje de timina?
- 20%
- 25%
- 30%
- 35%
¿Cuál de las siguientes afirmaciones sobre el emparejamiento de bases en el ADN es incorrecta?
- las purinas siempre se emparejan con pirimidinas.
- La adenina se une a la guanina.
- Los pares de bases son estabilizados por enlaces de hidrógeno.,
- El emparejamiento de bases se produce en el interior de la doble hélice.
si una cadena de ADN contiene la secuencia 5 att-ATTCCGGATCGA-3?, ¿cuál de las siguientes es la secuencia de la cadena complementaria de ADN?
- 5ʹ-TAAGGCCTAGCT-3ʹ
- 5ʹ-ATTCCGGATCGA-3ʹ
- 3ʹ-TAACCGGTACGT-5ʹ
- 5ʹ-TCGATCCGGAAT-3ʹ
durante la desnaturalización del ADN, ¿cuál de los siguientes ocurre?
- Los enlaces de hidrógeno entre bases complementarias se rompen.
- Los enlaces fosfodiéster se rompen dentro de la columna vertebral azúcar-fosfato.
- Los enlaces de hidrógeno dentro de la columna vertebral de azúcar-fosfato se rompen.
- Los enlaces fosfodiéster entre bases complementarias se rompen.
Llene el espacio en Blanco
El extremo de una hebra de ácido nucleico gratis con un grupo fosfato se llama ________.
Verdadero / Falso
El trabajo de Rosalind Franklin y R. G. Gosling fue importante para demostrar la naturaleza helicoidal del ADN.,
El par de Bases A-T tiene más enlaces de hidrógeno que el par de bases C-G.
Pensar
- ¿Cuál es la función de los enlaces fosfodiéster en el azúcar-fosfato columna vertebral del ADN?
- ¿Qué se entiende por el término «antiparalela?»
- Why is DNA with a high GC content more difficult to desnature than that with a low GC content?,
- Al considerar la estructura de la doble hélice del ADN, ¿cómo esperarías que la estructura difiriera si hubiera un emparejamiento de bases entre dos purinas? Entre dos pirimidinas?
- Una cierta muestra de ADN se encuentra que tiene un maquillaje que consiste en 22% de timina. Utilice las reglas de Chargaff para completar los porcentajes de las otras tres bases nitrogenadas.,
| base | adenine | guanine | thymine | cytosine |
|---|---|---|---|---|
| % | 22% |
