Repaso de la estructura y replicación del ADN

 

Términos clave

Término	Significado
ADN (ácido desoxirribonucleico)	Ácido nucleico que transmite información genética de padres a hijos y codifica para la producción de proteínas
Nucleótido	Elemento estructural de los ácidos nucleicos
Doble hélice	Estructura de dos hebras entrelazadas alrededor de un eje como una escalera torcida
Replicación del ADN	Proceso durante el cual una molécula de doble hebra de ADN se copia para producir dos moléculas idénticas de ADN
Apareamiento de bases	Principio por el cual las bases nitrogenadas de las moléculas de ADN se unen entre sí

Estructura del ADN

El ADN es un ácido nucleico, uno de los cuatro grandes grupos de macromoléculas biológicas.

Nucleótidos

Todos los ácidos nucleicos están hechos de nucleótidos. En el ADN cada nucleótido se compone de tres partes: un azúcar de 5 carbonos llamado desoxirribosa, un grupo fosfato, y una base nitrogenada. El ADN usa cuatro tipos de bases nitrogenadas; adenina (A), guanina (G), citosina (C) y timina (T). Los nucleótidos de ARN también pueden contener bases de adenina, guanina y citosina, pero en lugar de timina tienen otra base llamada uracilo (U).

Las reglas de Chargaff

En los años 1950, un bioquímico llamado Erwin Chargaff descubrió que las bases nitrogenadas (A, T, C, y G) no se encuentran en cantidades iguales. Sin embargo, la cantidad de A siempre es igual a T, y la cantidad de C siempre es igual a G. Estos hallazgos fueron indispensables para descubrir el modelo de la doble hélice del ADN.

La doble hélice

El descubrimiento de la estructura de doble hélice del ADN se realizó gracias al trabajo de numerosos científicos en los años 1950.

Imagen de una doble hélice de ADN que ilustra su estructura dextrógira. El surco mayor es un espacio más amplio que sube en espiral por lo largo de la molécula, mientras que el surco menor es un espacio más pequeño que corre paralelo al surco mayor. Los pares de bases se encuentran en el centro de la hélice, mientras que los esqueletos azúcar-fosfato corren por el exterior. Doble hélice de ADN. Imagen modificada de OpenStax

Las moléculas de ADN tienen una estructura antiparalela, es decir, las dos hebras de la hélice corren en direcciones opuestas una de la otra. Cada hebra tiene un extremo 5' y un extremo 3'. La resolución de la estructura de ADN fue uno de los grandes logros científicos del siglo. El conocer la estructura del ADN abrió la puerta para entender muchos aspectos de la función del ADN, como la forma en que se copia y la forma como la información que contiene se puede usar para hacer proteínas.

 Replicación del ADN

La replicación semiconservativa produce dos hélices que contienen una de las cadenas originales del ADN y una cadena nueva. Replicación semiconservativa. Imagen modificada de OpenStax.

La replicación del ADN es semiconservativa. Esto significa que cada una de las dos cadenas en el ADN bicatenario funciona como molde para producir dos cadenas nuevas. La replicación depende del apareamiento de bases complementarias, es decir el principio que se explica con las reglas de Chargaff; adenina (A) siempre se aparea con timina (T), y citosina (C) siempre se aparea con guanina (G),

El proceso de replicación

Esquema del modelo básico de Watson y Crick sobre la replicación del ADN

• 1.    Doble hélice de ADN.
• 2.    Los puentes de hidrógeno se rompen y se abre la hélice.
• 3.    Cada cadena de ADN actúa como un molde para la síntesis de una nueva cadena complementaria.
• 4.    La replicación produce dos doble hélices de ADN idénticas, cada una con una cadena nueva y una vieja.

La replicación del ADN ocurre con la ayuda de varias enzimas. Estas enzimas "abren" las moléculas de ADN cuando rompen los enlaces de hidrógeno que mantienen unidas las dos hebras. Cada hebra sirve como un molde para la creación de una nueva hebra complementaria. Las bases complementarias se unen unas con otras (A-T y C-G). 

Hebra molde de ADN y la creación de su hebra complementaria

La principal enzima involucrada en esto es la ADN polimerasa que une los nucleótidos para sintetizar la nueva hebra complementaria. La ADN polimerasa además revisa cada nueva hebra de ADN para asegurar que no hay errores.

Cadena líder y cadena rezagada

El ADN se produce de diferente forma en las dos cadenas en una horquilla de replicación. Una cadena nueva, la cadena líder, corre de 5' a 3' hacia la horquilla y se forma de manera continua. La otra, la cadena rezagada, corre de 5' a 3' en dirección opuesta a la horquilla y se forma en pequeños pedazos llamados fragmentos de Okazaki.

Diagrama de las hebras de replicación líder y rezagada

Ejemplo: determinación de una cadena complementaria

El ADN solo se sintetiza en la dirección 5' a 3'. Puedes determinar la secuencia de una cadena complementaria si te dan la secuencia de la cadena molde.

Por ejemplo, si sabes que la secuencia de una cadena es 5'-AATTGGCC-3 ', la cadena complementaria debe tener la secuencia 3'-TTAACCGG-5'. Esto permite a cada base unirse con su pareja:

5'-AATTGGCC-3' 3'-TTAACCGG-5'

Estas dos cadenas son complementarias, cada base de una se conecta con su compañera de la otra. Los pares A-T están unidos por dos puentes de hidrógeno y los pares G-C, por tres.

Errores conceptuales comunes

• ·       La replicación del ADN no es lo mismo que la división celular. La replicación ocurre antes de la división celular, durante la fase S del ciclo celular. Sin embargo, la replicación solo se refiere a la producción de nuevas cadenas de ADN, mas no de nuevas células.
• ·         Algunas personas piensan que en la cadena líder el ADN se sintetiza en la dirección 5' a 3', mientras que en la cadena rezagada el ADN se sintetiza en dirección 3' a 5'. Esto no es el caso, la ADN polimerasa solo sintetiza ADN en la dirección 5' a 3'. La diferencia entre las cadenas líder y rezagada es que la cadena líder se forma hacia la horquilla de replicación, mientras que la cadena rezagada se forma en dirección contraria y se aleja de la horquilla de replicación.

Referencias

1.    National Human Genome Research Institute. (30 de octubre de 2010). The human genome project completion: Frequently asked questions (La finalización del proyecto Genoma Humano: preguntas frecuentes). En News release archives 2003. Consultado en https://www.genome.gov/11006943.

2.    Reece, J. B., Urry, L. A., Cain, M. L., Wasserman, S. A., Minorsky, P. V. y Jackson, R. B. (2011). Origins of replication in E. coli and eukaryotes (Orígenes de replicación en E. coli y eucariontes). En Campbell biology (10° ed., pág. 321). San Francisco, CA: Pearson.

3.    Bell, S. P. y Kaguni, J. M. (2013). Helicase loading at chromosomal origins of replication (Cargado de la helicasa en los orígenes de replicación cromosomales). Cold Spring Harb. Perspect. Biol., 5(6), a010124. http://dx.doi.org/10.1101/cshperspect.a010124.