Nucleotidos

Las biomoléculas son sustancias estrechamente relacionadas con los procesos vitales; como ejemplo de ellas podemos mencionar a los carbohidratos, lípidos y proteínas, las cuales al ser metabolizadas producen energía y nuevos materiales celulares.Una cuarta biomolécula son los ácidos nucleicos, los cuales no son transformados a energía o nuevos materiales por nuestro metabolismo. Su importancia radica en que participan en la transmisión de los caracteres hereditarios y en la síntesis de proteínas. Los llamados ácidos nucleicos son dos tipos de moléculas: ácido desoxirribonucleico o DNA y el ácido ribonucleico o RNA.Al DNA lo encontramos principalmente en el núcleo celular, una pequeña cantidad en las mitocondrias y en los cloroplastos; el 80% del RNA se encuentra en los ribosomasDurante la división celular, la cromatina sufre una serie de enrollamientos y acortamientos transformándose en pequeñas estructuras llamadas cromosomas, las cuales se ven dobles (Fig. 2). Las células humanas presentan 23 pares de cromosomas. Cada cromosoma consiste en dos hebras llamadas cromátidas, las cuales se unen en una región llamada cinetocoro; el DNA queda en el interior de estas estructuras formando unidades llamadas genes. Nuestra información está almacenada en unos 26,383 a 39,114 genes, de acuerdo a los resultados derivados del Proyecto Genoma Humano a cargo de Francis Collins y la secuenciación realizada por la empresa Celera Genomic a cargo de Craig Venter.Condensación de la cromatina, cromosomas y genesUno de los grandes retos de la Biología molecular fue el establecimiento de la estructura del DNA, biomolécula que juega un papel importante en el desarrollo del individuo y sus características, ya que contiene la información genética. Una vez conocida la estructura, a la que se conoce con el nombre de la doble hélice, se pudo explicar como se almacenaba la información genética, como se duplicaba dicha información y de que manera se transmitía a la descendencia.Una pregunta que nos podemos plantear al hablar de la molécula del DNA es la siguiente:¿Cómo descubrieron que el DNA era el material de la herencia?Para resolver este cuestionamiento, haremos un bosquejo histórico de la serie de investigaciones que ayudaron a establecer las bases moleculares de la herencia y la relación gene-DNA-herencia.EL DNA: MATERIAL DE LA HERENCIAEste bosquejo lo iniciamos con Friedrich Miescher, un médico alemán que en 1869 logró aislar del núcleo de glóbulos blancos y esperma del salmón, una sustancia a la que denominó nucleina. Miescher no pudo establecer la composición química y la relación de esta sustancia con la herencia; sin embargo, años más tarde, al analizar esta sustancia se encontró que estaba formada por proteínas y una sustancia ácida a la que se llamó ácido nucleico; posteriormente se identificaron dos tipos de ácidos nucleicos: el ácido desoxirribonuleico o DNA y el ácido ribonucleico o RNA.En1880, Wilhelm Roux, propone que la información genética está almacenada en los cromosomas. En 1884 Oscar Hertwing, sugirió que la cromatina de los cromosomas era el material responsable de la transmisión de los caracteres hereditarios. Para 1914, Robert Feulgen, utilizando un colorante llamado fucsina logra teñir al DNA, observando que esta sustancia se encontraba en todos los núcleos de células eucarióticas, especialmente en los cromosomas.En los animales y plantas superiores, el cromosoma es una estructura sumamente compleja, cuyos componente son: 27% de DNA, 66% de proteínas y 6% de RNA. La elevada proporción de proteínas en los cromosomas hicieron pensar que las proteínas y no los ácidos nucleicos eran los responsables de la herencia (Fig. 3)Composición química de los cromosomasCon el descubrimiento de Miescher y las aportaciones posteriores de otros investigadores como Roux y Feulgen, se inician los trabajos encaminados a encontrar "quien" o "que" era el responsable de la herencia. Probablemente, el punto de partida fueron las ideas que prevalecían en ese momento:Los cromosomas están relacionados con la herencia. En la composición química de los cromosomas intervienen proteínas, DNA y RNA. Alguna de estas tres sustancias debe ser la responsable de la herencia. Quien resulte responsable debe ser capaz de duplicarse a si mismo. Esta sustancia debe transmitirse a la descendencia. Hasta este momento no se había establecido una relación entre la molécula de DNA y la herencia. Para lograr tal relación, fueron necesarias las aportaciones de varios investigadores, entre ellos: Fred Griffith, Osvald Avery y colaboradores, Phoebus Aarón Levene, Erwin Chargaff, Alfred D. Hershey y Martha Chase, James Watson y Francis Crick, además de Matthew Meselson y Franklin W. Stahl, entre otros.PHOEBUS AARON LEVENEEn 1920, Levene, un investigador ruso, había establecido que en la composicón química del DNA se encontraban: cuatro bases nitrogenadas (adenina, guanina, citosina y timina), una molécula de azúcar (desoxirribosa) y un grupo fosfato.FRED GRIFFITHLa bacteria neumococo, asociada a una enfermedad denominada neumonía, jugó un papel importante en el descubrimiento del papel genético del DNA; de esta bacteria se conocen dos formas mutantes. Una de ellas, la forma lisa o "S" (smooth= liso, uniforme) estaba bordeada por una cápsula delgada y brillante de polisacáridos que era esencial para que la bacteria pudiera causar neumonía en los humanos y otros mamíferos (fig. 4); la otra, era la forma rugosa o "R", la cual no tenía cápsula por lo tanto no producía la enfermedad.En 1928, Fred Griffith al trabajar con estas bacterias descubrió que los neumococos rugosos, no patógenos, se podían convertir en neumococos lisos que causaban la neumonía. El experimento que le permitió descubrir este hecho se describe a continuación:Inyectó neumococos "S" vivos a un grupo de ratones, los cuales murieron a causa de la neumonía. Al analizar la sangre de los ratones muertos encontró neumococos "S" vivos. Tomó un segundo grupo de ratones a los cuales inyectó neumococos "R" vivos, estos permanecieron sanos y al analizar su sangre, encontró neumococos "R" vivos. Posteriormente inyectó neumococos "S" muertos por calor a un tercer grupo de ratones, estos permanecieron sanos y al analizar su sangre encontró neumococos "S" muertos. Finalmente inyectó una mezcla de neumococos "R" vivos y "S" muertos a un grupo de ratones; los ratones murieron a causa de la neumonía. Al analizar la sangre de estosratones, encontró neumococos "S" vivos. Los neumococos "R" no patógenos, se convirtieron en neumococos "S" patógenos. AVERY, McCLEOD y McCARTYEn 1944, Oswald Avery, Colin McLeod y Maclyn McCarty, fraccionaron el extracto celular de neumococos "S" muertos y agregaron cada uno de estos componentes a cultivos de neumococos "R". Ellos observaron, que el fenómeno de transformación solo se presentaba cuando a los neumococos "R" le agregaban la fracción de DNA de los neumococos "S"; esto los llevó a concluir que el principio transformador descubierto por Griffith era el DNA y por lo tanto, el DNA es el material de la herencia.Esta es la primera vez que se relaciona experimentalmente la herencia con una molécula química, el ácido desoxirribonucleico, estableciendo así el papel genético del DNA.El descubrimiento de Avery, McLeod y McCarty, genera nuevas inquietudes, entre ellasERWIN CHARGAFFEntre 1949 y 1951, utilizó una nueva técnica para analizar la composición de las bases nitrogenadas de diversas fuentes de DNA tales como: humanos, ternera, ovejas, ratas, gallinas, levaduras, staphylococcus aureus, etc. Los resultados obtenidos le permitieron llegar a las siguientes conclusiones:En todo tipo de DNA la cantidad de adenina es igual a la de timina (A = T), mientras que la cantidad de guanina es igual a la de citocina (G = C). El DNA de tejidos diferentes de la misma especie, tiene la misma composición de bases nitrogenadas. La composición de bases nitrogenadas varía de una especie a otra. La composición del DNA de una especie, no cambia con la edad o con la nutrición. JAMES WATSON Y FRANCIS CRICKEn 1953, Watson y Crick postularon un modelo tridimensional para explicar la estructura del DNA, actualmente a este modelo se le conoce con el nombre de la doble hélice Para lograrlo, se apoyaron en los trabajos de cristalografía de rayos X de Rosalind Franklin y Maurice Wilkins, así como en las leyes de equivalencias de bases nitrogenadas de Erwin Chargaff.Estructura tridimensional del DNAPosteriormente, Watson y Crick establecieron un modelo para explicar la forma en que el DNA puede duplicarse; así mismo, participaron en el desciframiento del código del DNA o código genético.MARTHA CHASE Y ALFRED HERSHEYEn 1952, un año antes del descubrimiento de la estructura del DNA, idearon un experimento a través del cual confirmaron el papel genético del DNA. Ellos trabajaron con el bacteriófago T₂ el cual infecta a una bacteria llamada E. Coli; observaron que al cabo de pocos minutos, la bacteria reventaba y liberaba una gran cantidad de nuevos virus (Fig. 6).Ciclo reproductivo del bacteriófago T₂Dado que el bacteriófago está formado únicamente por proteínas y DNA, era lógico suponer que alguno de estos dos componentes obligaba a la bacteria a producir nuevos virus, en lugar de nuevas bacterias. Con ayuda de una técnica radioactiva que permitía marcar las proteínas y el DNA del bacteriófago T₂confirmaron que el DNA inyectado por el bacteriófago era el responsable de los cambios sufridos por la bacteria. Con este experimento se confirmaba el papel genético del DNARepresentación del experimento de Martha Chase y Alfred Hershey con el bacteriófago T₂ACIDOS NUCLEICOSLos ácidos nucleicos son las sustancias químicas que enlazan a las generaciones, pues a través de ellos se transmite la información genética; esto fue demostrado por Oswald Avery, Colin McLeod y Maclyn McCarty en 1944. Para comprender la función que realiza cada uno de los ácidos nucleicos, estudiaremos su composición química partiendo de lo establecido por Phoebus Aaron Levene y Erwin Chargaff.NUCLEÓTIDOS Phoebus Aaron Levene demostró que la unidad estructural de los ácidos nucleicos era el nucleótido, el cual estaba formado por la unión de tres compuestos químicos:a) Una base nitrogenada que puede ser derivada de las purinas o de las pirimidinas Bases nitrogenadas presentes en la estructura de los ácidos nucleicos.b) Una molécula de azúcar de 5 carbonos que puede ser ribosa o desoxirribosa Ribosa y desoxirribosa.c) Un grupo fosfato, derivado del ácido fosfórico Grupo fosfato.¿Cómo se unen estos tres componentes para formar el nucleótido?El grupo fosfato y la base nitrogenada se unen a la molécula de azúcar de una manera específica, el grupo fosfato se une a la molécula de azúcar a través del carbono 5, mientras que la base nitrogenada lo hace a través del carbono 1. En figura 4 podemos observar la estructura de los nucleótidos de adenina y timina.Nucleótidos de adenina y timina.El nombre del nucleótido depende de la base nitrogenada que este contenga en su estructura, de acuerdo a esto, en los ácidos nucleicos están presentes los nucleótidos de: timina, adenina, guanina, citosina, timina y uracilo. POLINUCLEÓTIDOSLa estructura de los ácidos nucleicos es bastante complicada ya que se forman por la unión de varias unidades de nucleótidos; a la estructura resultante se le conoce con el nombre de polinucleótido. La unión de los nucleótidos ocurre entre el grupo -OH del carbono 3 de la molécula de azúcar de uno de los nucleótidos y un grupo -OH del fosfato que está unido al carbono 5 de la molécula de azúcar del siguiente nucleótido; esto lo podemos representar utilizando fórmulas o figuras Representación de un polinucleótido.Tanto el DNA como el RNA son polinucleótidos cuyos componentes se enlistan en la siguiente tabla ÁCIDO NUCLEICONUCLEÓTIDOSAZÚCAR1.- DNAAdenina, Guanina, Citosina , TiminaDesoxirribosa2.- RNAAdenina, Guanina, Citosina, UraciloRibosaComponentes químicos de los ácidos nucleicos.