1.1.2 El DESCUBRIMIENTO DE LA ESTRUCTURA DEL ADN

1.1.2 El DESCUBRIMIENTO DE LA ESTRUCTURA DEL ADN

Watson & Crick

Francis Crick nació en Northampton, Inglaterra, en 1916. Estudió física en la Universidad de Londres, y trabajó con radares durante la Segunda Guerra Mundial. En 1946 asistió a una conferencia de Linus Pauling que le abrió los ojos a las posibilidades de un descubrimiento original en biología molecular. Esto lo llevó a realizar investigaciones de biología en Cambridge; en 1949, cuando tenía treinta y tres años, se sumó al Consejo de Investigaciones Médicas del Laboratorio Cavendish en la universidad.

James Dewey (Jim) Watson nació en Chicago, en 1928, y era un niño prodigio. Entró en la Universidad de Chicago a los quince años y se graduó a los diecinueve; tres años después obtuvo un doctorado por la Universidad de Indiana. Mientras preparaba el doctorado, leyó un libro del físico austriaco Erwin Schródinger titulado ¿Qué es la vida?, que lo persuadió de que el estudio de los genes ofrecía excitantes perspectivas de descubrimientos. En 1951 asistió a una conferencia en Nápoles, donde conoció a Maurice Wilkins, un físico neozelandés de treinta y tres años nacido en las Islas Británicas, que había trabajado con la bomba atómica en Estados Unidos, pero que se había alejado de la física nuclear horrorizado por las consecuencias de ese trabajo. 

Como Watson, Wilkins había sido inspirado por ¿Qué es la vida? de Schroidinger. Trabajaba en la estructura de las moléculas orgánicas grandes, en el Consejo de Investigaciones Médicas del King’s College de la Universidad de Londres, usando la misma técnica del análisis de difracción por rayos-X que el equipo de Pauling en la CalTech. La descripción que le hizo Wilkins de su trabajo reforzó el interés dc Watson por el tema, y fue aceptado para realizar investigaciones en el Laboratorio de Cavendish. Llegó a Cambridge poco después de cumplir veintitrés años, y estableció inmediatamente una buena relación con Crick, que por entonces tenía treinta y cinco años. 

Crick y Watson estaban dispuestos a investigar la estructura del ADN, pero sus superiores los desanimaron, ya que eran conscientes del trabajo que llevaban a cabo en el King’s College. Se suponía que los trabajos del King’s eran un esfuerzo común de Wilkins y una química británica de treinta años llamada Rosalind Franklin, pero en realidad ambos estaban enfrascados en una lucha de personalidades. Franklin era una cristalógrafa muy experimentada. 

La cristalografía era una tecnología exigente, basada en la técnica de difracción de los rayos-X, esencial en la investigación de la estructura de las moléculas grandes. Se trataba de una tecnología en la que ni Watson ni Crick tenían ninguna experiencia, así que hicieron lo mejor que pudieron con la única alternativa a su alcance, la construcción de modelos. Pero sin las pistas que podía proporcionar la cristalografía, fueron incapaces de realizar progresos reales, y sólo era cuestión de tiempo que el equipo de Pauling, en la CalTech, que dominaba ambas técnicas, diera con la respuesta correcta. El libro de Pauling, La naturaleza del enlace químico, se convirtió en la Biblia de Watson en sus esfuerzos por construir un modelo plausible, y para mayor frustración, tanto el director del Laboratorio de Cavendish, Lawrence Bragg, como el director de la Unidad de Cristalografía, Max Perutz, eran cristalógrafos expertos. Pero insistieron en que la buena voluntad del Consejo de Investigaciones Médicas no debía correr el riesgo de duplicar la investigación del King’s College.

No era cuestión de determinar la composición química de la molécula de ADN. Por entonces se sabía que estaba compuesta por una serie de bases de cuatro clases: timina (T), guanina (G), citosina (C) y adenina (A), unidas por parejas en una estructura de fosfato-azúcar. Pero nadie sabía cuál era la forma de la estructura ni cómo se unían las parejas de bases. Sin las respuestas a estas preguntas, no se podía comprender realmente el mecanismo detallado de la herencia y no existía ninguna posibilidad de aplicar el conocimiento teórico a los problemas de la vida común como las enfermedades hereditarias. 

Irónicamente, el descubrimiento definitivo llegó poco después de que Crick y Watson asistieran a un seminario en el que parecieron malinterpretar la presentación que Franklin hizo de su investigación. Volvieron a Cambridge, construyeron un modelo e invitaron a la pareja de Londres para que lo viera.., pero Franklin echó por tierra todas sus ideas. No mucho después, con la ayuda de Wilkins, Watson consiguió ver una de las cristalografías por rayos-X de Franklin con una claridad increíble. En cuanto la vio, estuvo seguro de que sabía cómo interpretarla. 

De vuelta a Garnbridge, Crick y él consiguieron permiso para utilizar los servicioS del taller del laboratorio para construir un modelo de la molécula a gran escala. Tras cinco semanas frenéticas de prueba y error, el modelo estaba listo para ser revelado. Tenía forma de doble hélice, una larga y tortuosa escalera en la que los peldaños eran innumerables secuencias de pares de bases: lA, CG, AT, TA, CC, etc. 

La Estructura Del ADN Y Los Genes

• Los rasgos principales de una molécula de ADN son: 

a. Una "escalera en espiral", con barandillas de azúcar-fosfato formando una doble hélice.

b. Una larga sucesión de «escalones», hecha a base de parejas entrelazadas de bases de adenina (A) y timina (T), o guamina (G) y citosina (C). 

 

1. Un «gen» normalmente tiene una longitud de varios miles de bases.

2. La secuencie de bases en os genes codifica a información necesaria para fabricar las proteínas que determinan la anatomía y la fisiología de toda criatura viviente. 

 

3. Los genes están localizados en los cromosomas, que son largas hileras de proteína y ADN mezclados.

4. En la reproducción sexual, la secuencia de genes del óvulo fertilizado es diferente de la de los padres, haciendo que todos los individuos descendientes sean únicos.

5. En gemelos idénticos, la secuencie genética es diferente de la de los padres pero idéntica en cada hermano, porque son el resultado del fraccionamiento de un óvulo fertilizado.

6. Cuando las células se dividen y se multiplican durante el crecimiento del embrión, las parejas de bases se abren como una cremallera. Cada mitad de una pareja de bases tiene la habilidad de hacer «crecer» una nueva compañera en su nuevo hogar, asegurando así que la «información» de cada célula es la misma.

 

El 7 de marzo de 1953 se la enseñaron a sus colegas. El 25 de abril de 1953, un corto y modesto escrito en la revista Nature, titulado La estructura molecular de los ácidos nucleicos, informó al mundo de uno de los descubrimientos más significativos en la historia de la ciencia, aunque quedó un poco ensombrecido por la primera ascensión al Everest seis semanas después. Pero su importancia pronto quedó establecida y dio origen a una explosión de investigaciones genéticas y de descubrimientos que todavía continúa. 

En 1962, Crick, Watson y Wilkins compartieron el Premio Nobel de Medicina. El nombre de Rosalind Franklin no fue mencionado, había muerto de cáncer en 1958, a los treinta y siete años, víctima —como Marie Curie— de la radiación a la que se había expuesto durante su trabajo. No se conceden premios Nobel a título póstumo.

 

1.1.3 El DESCUBRIMIENTO DEL CÓDIGO GENÉTICO.

  Severo Ochoa
 

Desde que se demostró que las proteínas eran producto de los genes, y que cada gen estaba formado por fracciones de cadenas de ADN, los científicos llegaron a la conclusión de que debe haber un código genético mediante el cual el orden de las cuatro bases nitrogenadas en el ADN podría determinar la secuencia de aminoácidos en la formación de polipéptidos. En otras palabras, debe haber un proceso mediante el cual las bases nitrogenadas transmitan la información que dicta la síntesis de proteínas.

La estructura tridimensional de la molécula de ADN fue demostrada por James D. Watson y Francis Crick en 1953. Pero faltaba averiguar cómo interpreta el organismo la secuencia de las distintas bases que forman la estructura lineal del ADN para sintetizar las cadenas de aminoácidos de las proteínas. La solución a este enigma, el código genético, se halló en 1966 gracias a la colaboración entre numerosos investigadores, entre ellos Marshall Nirenberg.

Diez años después de que Watson y Crick determinaran la estructura del ADN, el código genético fue descifrado y verificado. Su solución dependió en gran medida de las investigaciones llevadas a cabo sobre otro grupo de ácidos nucleicos, los ácidos ribonucleicos (ARN). Se observó que la obtención de un polipéptido a partir del ADN se producía de forma indirecta a través de una molécula intermedia conocida como ARN mensajero (ARNm).

 El código genético es un conjunto de normas por las que la información codificada en el material genético (secuencias de ADN o ARN) se traduce en proteínas (secuencias de aminoácidos) en las células vivas. El código define la relación entre secuencias de tres nucleótidos, llamadas codones, y aminoácidos. Un codón se corresponde con un aminoácido específico. El ARN se basa en transportar un mensaje del ADN a la molécula correspondiente.

La secuencia del material genético se compone de cuatro bases nitrogenadas distintas, que tienen una función equivalente a letras en el código genético: adenina (A), timina (T), guanina (G) y citosina (C) en el ADN y adenina (A), uracilo (U), guanina (G) y citosina (C) en el ARN.
Debido a esto, el número de codones posibles es 64, de los cuales 61 codifican aminoácidos (siendo además uno de ellos el codón de inicio, AUG) y los tres restantes son sitios de parada (UAA, llamado ocre; UAG, llamado ámbar; UGA, llamado ópalo). La secuencia de codones determina la secuencia aminoacídica de una proteína en concreto, que tendrá una estructura y una función específicas.

Serie de codones en un segmento de ARN. Cada codón se componede tres nucleótidos que codifican un aminoácido específico.

El código genético asocia a cada triplete de bases del ADN, llamado codón, un aminoácido concreto. Con los cuatro tipos de bases (U, uracilo; A, adenina; G, guanina; y C, citosina) que forman la molécula de ARN, sintetizada de manera complementaria a partir de la de ADN, se pueden formar 64 tripletes distintos (por ejemplo, UAC, UGG y AUC, entre otros). Cada codón se atribuye a un aminoácido concreto de los veinte posibles sin ninguna ambigüedad. Como hay menos aminoácidos que codones, algunos de aquéllos quedan designados por varios de éstos. Así, los seis tripletes UUA, UUG, CUU, CUC, CUA y CUG designan el aminoácido leucina y los dos AGU y AGC la serina; en cambio, el triptófano queda designado por un solo codón, UGG. La mayor parte de los aminoácidos están determinados de manera casi unívoca por sus dos primeras bases y, en muchos casos, el tercer nucleótido es un complemento indiferente o designa otro aminoácido de una familia próxima. Esta propiedad contribuye a limitar las consecuencias de los errores de copia o lectura.

La forma en que la clave genética fue descifrada – como se determinaron los aminoácidos concretos representados por cada triplete- constituye una de la aventuras biológicas mas apasionantes en las ultimas décadas. Una vez que estuvieron disponibles las técnicas experimentales adecuadas, la clave genética se descifro en un suspiro.

Numero de letras de cada codón: se partió del hecho de que la clave debería ser de 3 letras; porque? Si la clave fuera de una letra (nucleótido : A, G, C, U) solo habría cuatro aminoácidos diferentes (4 letras diferentes). La clave genética no podría ser asi, pr que se necesitaría una distinta para cada uno de los 20 aminacidos!

Si la clave fuera de 2 letras, entonces seria posible 4² = 16; por ejemplo, AU, CU o CC, este vocabulario no seria todavía suficientemente variado.

Si la clave fuera de 3 letras, entonces seria posible 4³ = 64; por ejemplo AUU, GCC o UGC. Esta clave ofrece mas combinaciones que las necesarias para los aminoácidos.

Y hacia 1961 parecía claro que estos codones no eran solapados.

El primer paso para el desciframiento fue el descubrimiento de cómo fabricar RNAm sintético. Si los nucleótidos que conforman el RNA se mezclan con una enzima especial (fosforilasa de los polinucleotidos) se forma una cadena sencilla de RNA de la reacción. Esta síntesis no requiere ADN y los nucleotidos se incorporan al azar. La capacidad de sintetizar RNA habria la posibilidad de crear secuencias especificas de ARN y comprobar que aminoácidos se incorporaban al utilizarlas como RNAm.

El primer mensajero sintético obtenido, Poli(U), se fabrico mezclando solo nucleótidos de U, produciendo asi –UUUUUUUU-.

En 1961 Marshal Nirenberg y Heinrich Mathaei mezclaron in vitro Poli (u) y la maquina sintetizadora de proteínas de E. coli (Ribosomas, RNAt, energía, varias enzimas y algunas cosas mas) y observaron la formación de una proteína!! Resultando como secuencia de proteína ser una ristra de Fenilalanina. Así pues, el triplete UUU debe ser el codon de fenilalanina.

Este tipo de análisis se amplio mezclando diferentes tipos de nucleótidos, en proporciones fijas conocidas. En un experimento los nucleótidos Uracilo y Guanina se mezclaron en razón 3:1. al incorporase los nucleótidos al azar en el RNAm sintético, la frecuencia relativa con la que aparece. hacia 1966 con Severo Ochoa ya se había descifrado los codones de los 20 aminoácidos.

1.1.4 EL MODELO DEL OPERÓN.

Francois Jacob & Jacques Monod

Jacob, Monod y colaboradores analizaron el sistema de la lactosa en E. coli, de manera que los resultados de sus estudios permitieron establecer el modelo genético del Operón que permite comprender como tiene lugar la regulación de la expresión génica en bacterias. Jacob y Monod recibieron en 1965 el Premio Nobel pos estas investigaciones. 

Son pequeños fragmentos circulares de ADN, además de su cromosoma principal, contienen de 2 a 30 genes. Algunos tienen la capacidad para incorporarse o salir del cromosoma bacteriano. 

Se denomina episoma a un plásmido incorporado al cromosoma bacteriano. Los plásmidos se replican en manera similar al cromosoma bacteriano.

El ADN procariota se organiza en paquetes coherentes denominados OPERONES, en los cuales se encuentran los genes para funciones interrelacionadas.

El modelo operón de la regulación de los genes procariotas fue propuesto en 1961 por Francois Jacob y Jacques Monod.

Un Operón es grupo de genes estructurales cuya expresión está regulada por  elementos de control o genes (promotor y operador) y genes reguladores.

El promotor es la parte del ADN en donde se pega la ARN polimerasa antes de abrir el segmento de ADN a ser transcripto.

Un segmento del ADN que codifica para un polipéptido específico se conoce como un gen estructural. Un operón consiste en:  

un operador: controla el acceso de la ARN polimerasa al promotor

un promotor: donde la ARN polimerasa reconoce el sitio de inicio de la transcripción.

un gen regulador: controla el tiempo y velocidad de transcripción de otros genes.

un gen estructural: codifican las enzimas relacionadas o las proteínas estructurales.

El gen regulador codifica para una proteína que se pega al operador, obstruyendo al promotor (y por lo tanto a la transcripción), del gen estructural. Cuando se remueve la proteína represora, puede producirse la transcripción. El operador y el  promotor son sitios de unión sobre el ADN y no se transcriben.
 

Los operones son de acuerdo al mecanismo de control:

1. inducibles o
2. reprimibles.