El descubrimiento del material genético
La investigación de la bioquímica del DNA comenzó con Friedrich Miescher, un biólogo suizo, que realizó en 1868 los primeros estudios químicos sistemáticos de los núcleos celulares y aisló una sustancia que contenía fósforo, a la que denominó nucleína, a partir de los núcleos de las células de la pus (leucocitos) obtenida de vendajes quirúrgicos de desecho. Miescher demostró que dicha nucleína consistía en una porción ácida, que hoy se conoce como DNA, y una porción básica en la que se encuentra la proteína. Más tarde descubrió una sustancia similar en la cabeza del espermatozoide del salmón y logró purificar parcialmente los ácidos nucleicos y estudiar algunas de sus propiedades.
En 1928, el microbiólogo Frederick Griffith, de nacionalidad inglesa, estudió las bases de la patogenicidad de la bacteria Diplococcus pneumoniae, que causa neumonía. Observó que las células de cepas patógenas, llamadas S, estaban rodeadas de una cápsula formada por una cubierta delgada de polisacáridos, y que las cepas mutantes, que carecen de cápsula (R), no eran patógenas. Los descubrimientos de Griffith fueron sorprendentes: observó que si la cepa bacteriana R se mezcla con células S muertas por calor, y después se inyectan a ratones, éstos se infectan y mueren, pero ni las cepas S muertas por calor, ni las cepas R vivas fueron capaces de infectar cuando se inyectaron de forma separada. Además, pudo aislar células S vivas, encapsuladas, a partir de la sangre de ratones muertos. Dedujo entonces que las células S muertas por calor tenían algo que transformaba a las células R vivas en células S. Al factor causante de la transformación lo denominó «principio transformante», pero no pudo identificarlo
Experimento de Griffith con Diplococcus pneumoniae. Este experimento fue uno de los primeros que demostró la existencia en las bacterias de un "principio transformante" que provocaba la transformación de una cepa no patógena en otra virulenta. | Experimento de Avery, Macleod y McCarty. Este experimento permitió demostrar que el principio transformante en Diplococcus pneumoniae era el DNA y no las proteínas. Con ello demostraron que el ADN es la molécula portadora portadora de la información genética. |
En 1944, Oswald Avery, Colin Macleod y Maclyn McCarty prepararon extractos libres de células de las bacterias S, fraccionaron los extractos en varios componentes y probaron su capacidad para transformar células R en células S in vitro. Encontraron que el principio transformante residía en el DNA. Una prueba decisiva para confirmar esto fue que la incubación del extracto con desoxirribonucleasa, una enzima que degrada específicamente el DNA, acabó con la actividad transformante, mientras que las enzimas proteolíticas tripsina y quimiotripsina, que degradan proteínas, no afectaron a esta actividad transformante.
Estudios posteriores realizados con un bacteriófago que infecta a la bacteria Escherichia coli apoyaron los trabajos de Avery. En 1952, Martha Chase y Alfred D Hershey prepararon fagos T2 marcados con fósforo radiactivo (³²P), un constituyente del DNA pero no de las proteínas, y azufre radiactivo (³⁵S), un constituyente de las proteínas pero no del DNA (Fig. 9). Demostraron que, cuando el bacteriófago infecta a su célula huésped (E. coli), es el DNA de la partícula vírica, que contiene fósforo, y no la proteína de la cápsida del virus, que contiene azufre, el componente que penetra en la célula huésped y aporta la información genética para la replicación del virus. Estos experimentos y muchos otros han demostrado que el DNA es el único componente cromosómico que contiene la información genética en las células vivas.
El experimento de Hershey-Chase. Se prepararon dos muestras del bacteriógrafo T2 marcadas isotópicamente. Una marcada con 32p en los grupos de fosfato del DNA y la otra con 35S en los residuos de aminoácidos que contienen azúfre de las proteínas de la cápsida. Posteriormente se infectaron por separado suspensiones de bacterias no marcadas. Una vez realizada la infección, se separaron las cápsidas víricas y las bacterias. Las células infectadas por el fago marcado con 32P contenían radioactividad: el DNA vírico marcado había penetrado en las células y las cápsidas víricas vacías no contenían rasdioactividad. Las células infectadas con el fago marcado con 35S no contenían radioactividad, mientras que las cápsidas vacías sí. Después de la eliminación de las cubiertas del virus se observó la formación de nuevos virus en ambas suspensiones: el mensaje genético para la replicación de los virus había sido introducido por el DNA de los virus y no por su proteína. |
Las moléculas de DNA tienen diferente composición de bases
En el descubrimiento de la estructura del DNA resultó de gran importancia el trabajo de Erwin Chargaff y sus colaboradores a finales de la década de 1940.
Encontraron que las cantidades de las cuatro bases de los nucleótidos del DNA variaban según el organismo y que las cantidades relativas de ciertas bases estaban muy relacionadas. La proporción cuantitativa de las bases en una macromolécula se adapta en ocasiones a las denominadas reglas de Chargaff.
Éstas fueron confirmadas por muchos investigadores y sirvieron como pauta para el establecimiento de la estructura tridimensional del DNA y cómo se transmite de una generación a la siguiente. Tales reglas son las siguientes:
-La composición de las bases del DNA generalmente varía de una especie a otra.
-Las muestras de DNA aisladas de los diferentes tejidos de la misma especie se componen de las mismas bases.
-La composición de bases del DNA de una determinada especie no varía con la edad del organismo, ni con su estado nutricional, ni con las variaciones ambientales.
-En todos los DNA de diferentes especies, el número de los residuos de adenina es igual al de los residuos de timina (A = T), y el número de residuos de guanina es igual al número de residuos de citosina (G = C). A partir de esta proporción es posible considerar que la suma de los residuos de purinas es igual a la suma de los residuos de pirimidinas, esto es:
A + G = T + C.
El DNA es una doble hélice
La determinación de la estructura del DNA por parte de James Watson y Francis Crick en 1953 marcó el nacimiento de la biología molecular moderna.
La estructura de Watson y Crick del DNA permitió la determinación del mecanismo molecular de la herencia.
Rosalind Franklin y Maurice Wilkins utilizaron la difracción de rayos X para analizar fibras de DNA. A principios de la década de 1950 demostraron que el DNA produce un diagrama de difracción de rayos X característico. El análisis de lso diagramas permitió deducir que las moléculas del DNA son helicoidales y que sus bases aromáticas planas forman un apilamiento paralelo al eje de la fibra. El reto que se planteaba era la construcción de un modelo tridimensional de la molécula de DNA que explicara los datos de difracción de rayos X, así como las equivalencias entre bases descubiertas por Chargaff, junto con otras propiedades químicas del DNA.
Con todos los datos disponibles, en 1953 Watson y Crick postularon un modelo tridimensional para el DNA.
El modelo de Watson y Crick tiene las siguientes características principales:
- Existen dos cadenas de polinucleótidos enrolladas alrededor de un eje común, formando una doble hélice.
- Las dos cadenas del DNA son antiparalelas (es decir, transcurren en direcciones opuestas), pero cada una forma una hélice dextrógira.
- Las bases ocupan el centro de la hélice y las cadenas de azúcares y fosfatos se sitúan en el exterior. Esto minimiza las repulsiones entre los grupos fosfato cargados. La superficie de la doble hélice contiene dos hendiduras de ancho desigual: los surcos mayor y menor.
- Cada base está unida por puentes de hidrógeno a una base de la hebra opuesta, para formar un par de bases plano. Cada residuo de adenina debe formar pareja con un residuo de timina y viceversa, y cada residuo de guanina debe aparearse con un residuo de citosina y viceversa. Estas interacciones por puentes de hidrógeno, conocidas como apareamiento de bases complementarias, dan como resultado la asociación específica de las dos cadenas de la doble hélice.
La doble hélice del DNA se mantiene unida por dos tipos de fuerzas: los enlaces de hidrógeno entre los pares de bases complementarias y las interacciones de apilamiento de las bases. Entre G y C se pueden formar tres enlaces de hidrógeno, mientras que solamente se pueden establecer dos entre A y T. Esta es una de las razones de la dificultad para separar las hebras apareadas del DNA: cuanto mayor sea la relación de pares de bases G≡C con respecto a las A=T, más difícil será su separación. La complementariedad de las hebras del DNA se debe a los enlaces de hidrógeno que se establecen entre los pares de bases.
Un gran número de resultados experimentales apoyan las principales características del modelo de Watson y Crick para el DNA. Además, a partir del propio modelo, se sugirió de inmediato un mecanismo para la transmisión de la información genética. La complementariedad de las dos hebras del DNA permitió deducir, antes de disponer de pruebas experimentales, que la replicación de la estructura podía tener lugar a través de la separación de las dos hebras y la síntesis de hebras complementarias de cada una de ellas. Cada hebra hace de molde para dirigir la síntesis de la hebra complementaria. Estas hipótesis se confirmaron experimentalmente.
Modelo de Watson y Crick de la estructura del DNA. La molécula de DNA tiene 10,5 pares de bases y 3,6 nm por vuelta de hélice. (a) Representación esquempatica que muestra las dimensiones de la hélice. (b) Cadenas complementarias del DNA. Dos cadenas de polinucléotidos se asocian mediante el apareamiento de sus bases para formar DNA de doble cadena. Se forman puentes de hidrógeno específicos entre A y T, y entre G y C. |