- història
- components
- estructura
- Llei de Chargaff
- Model de la doble hèlix
- organització
- histones
- Nucleosomes i la fibra de 30 nm
- cromosomes
- Organització en els procariotes
- Quantitat d'ADN
- Formes estructurals de l'ADN
- ADN-A
- ADN-Z
- funcions
- Replicació, transcripció i traducció
- El codi genètic
- Propietats químiques i físiques
- evolució
- Seqüenciació d'ADN
- Mètode de Sanger
- Seqüenciació de nova generació
- referències
El ADN (àcid desoxiribonucleic) és la biomolècula que conté tota la informació necessària per generar un organisme i mantenir el seu funcionament. Està composta d'unitats anomenades nucleòtids, formats al seu torn d'un grup fosfat, una molècula de sucre de cinc carbonis i una base nitrogenada.
Hi ha quatre bases nitrogenades: adenina (A), citosina (C), guanina (G) i timina (T). L'adenina sempre s'aparella amb la timina i la guanina amb la citosina. El missatge contingut en el bri d'ADN és transformat en un ARN missatger i aquest participa en la síntesi de proteïnes.
L'ADN és una molècula molt estable, carregada negativament a pH fisiològic, que s'associa amb proteïnes positives (histones) per compactar de manera eficient al nucli de les cèl·lules eucariotes. Una cadena llarga d'ADN, juntament amb diverses proteïnes associades forma un cromosoma.
història
L'any 1953, el nord-americà James Watson i el britànic Francis Crick van aconseguir dilucidar l'estructura tridimensional de l'ADN, gràcies a la feina en cristal·lografia realitzat per Rosalind Franklin i Maurice Wilkins. També van basar les seves conclusions en els treballs d'altres autors.
A l'exposar a l'ADN als raigs X es forma un patró de difracció que pot ser usat per a inferir l'estructura de la molècula: una hèlix de dues cadenes antiparal·leles que giren cap a la dreta, on les dues cadenes s'uneixen per enllaços d'hidrogen entre les bases. El patró obtingut va ser el següent:
L'estructura pot assumir-se seguint les lleis de difracció de Bragg: quan un objecte s'interposa enmig d'un feix de raigs X, aquest és reflectit, ja que els electrons de l'objecte interaccionen amb el raig.
El 25 d'abril de 1953 els resultats de Watson i Crick van ser publicats a la prestigiosa revista Nature, en un article de només dues pàgines titulat "Molecular structure of Nucleic Acids", que revolucionaria completament el camp de la biologia.
Gràcies a aquest descobriment, els investigadors van rebre el premi Nobel de medicina l'any 1962, a excepció de Franklin que va morir abans del lliurament. Actualment aquest descobriment és un dels grans exponents de l'èxit de l'mètode científic per adquirir nous coneixements.
components
La molècula d'ADN es compon de nucleòtids, unitats formades per un sucre de cinc carbonis units a un grup fosfat ia una base nitrogenada. El tipus de sucre trobada en l'ADN és de el tipus desoxiribosa i d'allí el seu nom, àcid desoxiribonucleic.
Per formar la cadena, els nucleòtids es troben units de manera covalent per un enllaç de l'tipus fosfodiester per mitjà d'un grup 3'-hidroxil (-OH) provinent d'un sucre i el 5'-fosfafo de el següent nucleòtid.
No s'ha de confondre els nucleòtids amb els nucleòsids. Aquest últim fa referència a la part de l'nucleòtid formada únicament per la pentosa (sucre) i la base nitrogenada.
L'ADN està conformat per quatre tipus de bases nitrogenades: adenina (A), citosina (C), guanina (G) i timina (T).
Les bases nitrogenades es classifiquen en dues categories: les purines i les pirimidines. El primer grup està format per un anell de cinc àtoms units a un altre anell de sis, mentre que les pirimidines estan compostes per un sol anell.
De les bases esmentades, adenina i guanina són derivats de les purines. En contrast, a el grup de les pirimidines pertanyen la timina, la citosina i l'uracil (present en la molècula d'ARN).
estructura
Una molècula d'ADN està formada per dues cadenes de nucleòtids. A aquesta "cadena" se li coneix com bri d'ADN.
Les dos brins es troben unides per ponts d'hidrogen entre les bases complementàries. Les bases nitrogenades estan enllaçades de manera covalent a un esquelet de sucres i fosfats.
Cada nucleòtid ubicat en un bri pot acoblar-se amb un altre nucleòtid específic de l'altre bri, per formar la coneguda doble hèlix. Per tal de formar una estructura eficient, A sempre s'acobla amb T per mitjà de dos ponts d'hidrogen, i G amb C per tres ponts.
Llei de Chargaff
Si estudiem les proporcions de bases nitrogenades en l'ADN, trobarem que la quantitat de A és idèntica a la quantitat de T i el mateix amb les G i les C. Aquest patró es coneix com a llei de Chargaff.
Aquest aparellament és energèticament favorable, ja que permet conservar una amplada similar al llarg de l'estructura, mantenint una distància similar al llarg de la molècula d'l'esquelet sucre-fosfat. Cal notar que una base d'un anell s'acobla amb una d'un anell.
Model de la doble hèlix
Es planteja que la doble hèlix està composta per 10,4 nucleòtids per volta, separats per una distància de centre a centre d'3,4 nanòmetres. El procés d'enrotllat dóna lloc a la formació de solcs en l'estructura, podent-se observar un solc major i un menor.
Els solcs sorgeixen perquè els enllaços glicosídics en els parells de bases no són oposats entre si, pel que fa al seu diàmetre. En el solc menor es troba la pirimidina O-2 i la purina N-3, mentre que el solc major es localitza a la regió oposada.
Si fem servir l'analogia d'una escala, els esglaons consisteixen en els parells de bases complementàries entre si, mentre que l'esquelet correspon a les dues baranes d'agafada.
Els extrems de la molècula d'ADN no són iguals, per això es parla d'una "polaritat". Un dels seus extrems, el 3 ', porta un grup -OH, mentre que l'extrem 5 posseeix el grup fosfat lliure.
Les dos brins se situen de manera antiparalela, el que vol dir que se situen de manera contrària pel que fa als seus polaritats, de la següent manera:
A més, la seqüència d'una de les fibres ha de ser complementària a la seva companya, si és una posició es troba A, en el bri antiparal·lela ha d'estar 1 T.
organització
A cada cèl·lula humana hi ha aproximadament dos metres d'ADN que han de ser empaquetats de manera eficient.
El bri ha d'estar compactada perquè pugui ser continguda en un nucli microscòpic de 6 micres de diàmetre que ocupa només un 10% de l'volum cel·lular. Això és possible gràcies als següents nivells de compactació:
histones
En els eucariotes existeixen proteïnes anomenades histones, que posseeixen la capacitat d'unir-se a la molècula de l'ADN, sent el primer nivell de compactació del bri. Les histones posseeixen càrregues positives per poder interaccionar amb les càrregues negatives de l'ADN, aportades pels fosfats.
Les histones són proteïnes tan importants per als organismes eucariotes que han estat pràcticament invariables en el curs de l'evolució - recordant que un baix índex de mutacions indica que les pressions selectives sobre aquesta molècula són forts. Un desperfecte en les histones podria traduir-se en una compactació defectuosa en l'ADN.
Les histones poden ser modificades bioquímicament i aquest procés modifica el nivell de compactació de l'material genètic.
Quan les histones són "hipoacetiladas" la cromatina és més condensada, ja que les formes acetilades neutralitzen les càrregues positives de les lisines (aminoàcids carregats positivament) en la proteïna.
Nucleosomes i la fibra de 30 nm
El bri d'ADN s'enrotlla en les histones i formen estructures que recorden als comptes d'un collaret de perles, anomenats nucleosomes. Al cor d'aquesta estructura es troben dues còpies de cada tipus d'histones: H2A, H2B, H3 i H4. La unió de les diferents histones rep el nom de "octàmer d'histones".
El octàmer està envoltat per uns 146 parells de bases, donant menys de dues voltes. Una cèl·lula diploide humana conté aproximadament 6.4 x 10 9 nucleòtids que s'organitzen en 30 milions de nucleosomes.
L'organització en nucleosomes permet compactar a l'ADN en més d'un terç de la seva longitud original.
En un procés d'extracció de l'material genètic sota condicions fisiològiques s'observa que els nucleosomes s'arreglen en una fibra de 30 nanòmetres.
cromosomes
Els cromosomes són la unitat funcional de l'herència, la funció és portar els gens d'un individu. Un gen és un segment d'ADN que conté la informació per sintetitzar una proteïna (o una sèrie de proteïnes). No obstant això, també hi ha gens que codifiquen per a elements reguladors, com l'ARN.
Totes les cèl·lules humanes (a excepció dels gàmetes i dels eritròcits sanguinis) posseeixen dues còpies de cada cromosoma, un heretat del pare i l'altre de la mare.
Els cromosomes són estructures compostes per una llarga porció lineal d'ADN associada als complexos proteics esmentats anteriorment. Normalment en els eucariotes, tot el material genètic inclòs en el nucli està dividit en una sèrie de cromosomes.
Organització en els procariotes
Els procariotes són organismes que no tenen un nucli. En aquestes espècies, el material genètic es troba altament enrotllat juntament amb proteïnes alcalines de baix pes molecular. D'aquesta manera, l'ADN es compacta i es situa en una regió central en el bacteri.
Alguns autors solen denominar a aquesta estructura "cromosoma bacterià", tot i que no presenta les mateixes característiques d'un cromosoma eucariota.
Quantitat d'ADN
No totes les espècies d'organismes contenen la mateixa quantitat d'ADN. De fet, aquest valor és altament variable entre espècies i no hi ha cap relació entre la quantitat d'ADN i la complexitat de l'organisme. A aquesta contradicció se li coneix com "paradoxa de la valor C".
El raonament lògic seria intuir que com més complex és l'organisme, més ADN posseeix. No obstant això això no es compleix en la natura.
Per exemple el genoma d'el peix pulmonat Protopterus aethiopicus posseeix una grandària de 132 pg (l'ADN pot quantificar-se en picograms = pg) mentre que el genoma d'l'humà pesa només 3,5 pg.
Cal recordar que no tot l'ADN d'un organisme codifica per proteïnes, gran quantitat d'aquest està relacionat amb elements reguladors i amb els diferents tipus d'ARN.
Formes estructurals de l'ADN
El model de Watson i Crick, deduït a partir dels patrons de difracció dels raigs X es coneix com hèlix d'ADN-B i és el model "tradicional" i més conegut. No obstant això, hi ha altres dues formes diferents, anomenades ADN-A i ADN-Z.
ADN-A
La variant "A" gira cap a la dreta, igual que l'ADN-B, però és més curt i més ample. Aquesta forma apareix quan humitat relativa disminueix.
L'ADN-A gira cada 11 parells de bases, el solc major és més estret i profund que l'ADN-B. Pel que fa a l'solc menor, aquest és més superficial i ampli.
ADN-Z
La tercera variant és l'ADN-Z. És la forma més estreta, formada per un grup de hexanucleótidos organitzats en un dúplex de cadenes antiparal·leles. Una de les característiques més resaltantes d'aquesta manera és que gira a l'esquerra, mentre que les altres dues formes ho fan a la dreta.
L'ADN-Z apareix quan existeixen seqüències curtes de pirimidines i purines alternades entre si. El solc major és pla i el menor és estret i més profund, comparat amb l'ADN-B.
Encara sota condicions fisiològiques la molècula d'ADN es troba majorment en la seva forma B, l'existència de les dues variants descrites exposa la flexibilitat i dinamisme de l'material genètic.
funcions
La molècula d'ADN conté tota la informació i les instruccions necessàries per a la construcció d'un organisme. El joc complet d'informació genètica en els organismes s'anomena genoma.
El missatge està codificat pel "alfabet biològic": les quatre bases esmentades prèviament, A, T, G i C.
El missatge pot portar a la formació de diversos tipus proteïnes o codificar per algun element regulador. El procés pel qual aquestes bases poden lliurar un missatge, s'explica continuació:
Replicació, transcripció i traducció
El missatge encriptat en les quatre lletres A, T, G i C dóna com una resultat un fenotip (no totes les seqüències de l'ADN codifiquen per a la proteïnes). Per aconseguir-ho, l'ADN ha de replicar-se a si mateix en cada procés de divisió cel·lular.
La replicació de l'ADN és semiconservativa: un fil serveix com a motlle per a la formació de la nova molècula filla. Diferents enzims catalitzen la replicació, entre elles la ADN primasa, la ADN helicasa, la ADN ligasa i la topoisomerasa.
Posteriorment, el missatge - escrit en un llenguatge de seqüència de bases - ha de ser transmès a una molècula intermediària: l'ARN (àcid ribonucleic). Aquest procés es denomina transcripció.
Perquè passi la transcripció han de participar diferents enzims, entre elles l'ARN polimerasa.
Aquest enzim s'encarrega de copiar el missatge de l'ADN i convertir-lo en una molècula d'ARN missatger. En altres paraules, l'objectiu de la transcripció és l'obtenció de l'missatger.
Finalment ocorre la traducció de l'missatge en molècules d'ARN missatger, gràcies als ribosomes.
Aquestes estructures prenen a l'ARN missatger i juntament amb la maquinària de traducció formen la proteïna especificada.
El codi genètic
El missatge es llegeix en "triplets" o grups de tres lletres que s'especifiquen per un aminoàcid - els blocs estructurals de les proteïnes. És possible desxifrar el missatge dels triplets ja que el codi genètic ja ha estat completament desvetllat.
La traducció sempre comença amb l'aminoàcid metionina, que ve codificada pel triplet d'inici: AUG. La "O" representa la base uracil i és característica de l'ARN i que suplanta la timina.
Per exemple, si l'ARN missatger té la següent seqüència: AUG CCU CUU UUU UUA, es tradueix en els següent aminoàcids: metionina, prolina, leucina, fenilalanina, i fenilalanina. Cal notar que pot ser que dues triplets - en aquest cas UUU i UUA - codifiquin per al mateix aminoàcid: fenilalanina.
Per aquesta propietat, es diu que el codi genètic és degenerat, ja que un aminoàcid aquesta codificat per més d'una seqüència de triplets, excepte pel aminoàcid metionina que dicta l'inici de la traducció.
El procés s'atura amb triplets específics de terminació o de parada: UAA, UAG i UGA. Són coneguts sota les denominacions d'ocre, ambre i òpal, respectivament. Quan el ribosoma els detecta ja no poden addicionar més aminoàcids a la cadena.
Propietats químiques i físiques
Els àcids nucleics són de naturalesa àcida i són solubles en aigua (hidrofílics). Pot ocórrer la formació d'enllaços d'hidrogen entre els grups fosfats i els grups hidroxil de les pentoses amb l'aigua. Està carregat negativament a pH fisiològic.
Les solucions d'ADN són altament viscoses, a causa de la capacitat de resistència a la deformació de la doble hèlix, la qual és molt rígida. La viscositat disminueix si l'àcid nucleic és d'una sola bri.
Són molècules altament estables. Lògicament, aquesta característica ha de ser indispensable en les estructures que porten la informació genètica. Comparada amb l'ARN, l'ADN és molt més estable perquè no té un grup hidroxil.
L'ADN pot ser desnaturalitzat per calor, és a dir, els brins se separen quan la molècula s'exposa a altes temperatures.
La quantitat de calor que ha de ser aplicat depèn de l'percentatge G-C de la molècula, perquè aquestes bases es troben unides per tres ponts d'hidrogen, augmentant la resistència a la separació.
Pel que fa a l'absorció de llum, tenen un bec a 260 nanòmetres, la qual s'incrementa si l'àcid nucleic és d'una sola bri, ja que s'exposen els anells dels nucleòtids i aquests són els responsables de l'absorció.
evolució
Segons Lazcano et al. 1988 l'ADN sorgeix en etapes de transició des del ARN, sent un dels esdeveniments més importants en la història de la vida.
Els autors plantegen tres etapes: un primer període on existien molècules similars als àcids nucleics, posteriorment els genomes estaven formats d'ARN i com a última etapa van aparèixer els genomes d'ADN doble banda.
Algunes evidències donen suport a la teoria d'un món primari basat en ARN. Primer, la síntesi de les proteïnes pot ocórrer en absència d'ADN, però no quan falta l'ARN. A més, s'han descobert molècules d'ARN amb propietats catalítiques.
Pel que fa a la síntesi dels deoxiribonucleótido (presents en l'ADN) sempre procedeixen de la reducció dels ribonucleòtids (presents en l'ARN).
La innovació evolutiva d'una molècula d'ADN va haver de requerir de la presència d'enzims que sintetitzen els precursors de l'ADN i que participin en la retrotranscripció de l'ARN.
A l'estudiar els enzims actuals, es pot concloure que aquestes proteïnes han evolucionat diverses vegades i que la transició d'ARN a ADN és més complexa del que es creia, incloent processos de transferència i pèrdua de gens i reemplaçaments no ortòlegs.
Seqüenciació d'ADN
La seqüenciació de l'ADN consisteix a dilucidar la seqüència del bri d'ADN en termes de les quatre bases que el componen.
El coneixement d'aquesta seqüència és de summa importància en les ciències biològiques. Pot ser usat per discriminar entre dues espècies morfològicament molt similars, per detectar malalties, patologies o paràsits i fins posseeix una aplicabilitat forense.
La seqüenciació de Sanger va ser desenvolupada en els anys 1900 i és la tècnica tradicional per aclarir una seqüència. Malgrat la seva antiguitat, és un mètode vàlid i àmpliament usat pels investigadors.
Mètode de Sanger
El mètode fa servir l'ADN polimerasa, un enzim altament fiable que replica l'ADN en les cèl·lules, sintetitzant una nova cadena d'ADN usant com a guia una altra preexistent. L'enzim requereix d'un primer o encebador per iniciar la síntesi. El cebador és una molècula petita d'ADN complementària a la molècula que es vol seqüenciar.
En la reacció, s'addicionen nucleòtids que van a ser incorporats a la nova bri d'ADN per l'enzim.
A més dels nucleòtids "tradicionals", el mètode inclou una sèrie de dideoxinucleótidos per a cadascuna de les bases. Es diferencien dels nucleòtids estàndard en dues característiques: estructuralment no permeten que l'ADN polimerasa afegeixi més nucleòtids a la cadena filla i posseeixen un marcador fluorescent diferent per a cada base.
El resultat és una varietat de molècules d'ADN de diferent longitud, ja que els dideoxinucleótidos van ser incorporats a l'atzar i van detenir el procés de replicació en diferents etapes.
Aquesta varietat de molècules poden ser separades d'acord a la seva longitud i es llegeix la identitat de l'nucleòtids per mitjà de l'emissió de llum de l'marcat fluorescent.
Seqüenciació de nova generació
Les tècniques de seqüenciació desenvolupades en els darrers anys permeten l'anàlisi massiva de milions de mostres simultàniament.
Entre els mètodes més resaltantes hi ha la piroseqüenciació, seqüenciació per síntesi, seqüenciació per lligació i la seqüenciació d'última generació per Ion Torrent.
referències
- Alberts, B., Johnson, A., Lewis, J., et al. (2002). Molecular Biology of the Cell. 4th edition. New York: Garland Science. The Structure and Function of DNA. Disponible a: ncbi.nlm.nih.gov/
- Alberts, B., Johnson, A., Lewis, J., et al. (2002). Molecular Biology of the Cell. 4th edition. New York: Garland Science. Chromosomal DNA and Its Packaging in the Chromatin Fiber. Disponible a: ncbi.nlm.nih.gov
- Berg, JM, Tymoczko, JL, Stryer, L. (2002). Bioquímica. 5th edition. New York: WH Freeman. Section 27.1, DNA Can assumeix a Variety of Structural Forms. Disponible a: ncbi.nlm.nih.gov
- Fierro, A. (2001). Breu història de la descoberta de l'estructura de l'ADN. Rev Méd Clínica Les Comtes, 20, 71-75.
- Forterre, P., Filée, J. & Myllykallio, H. (2000-2013) Origin and Evolution of DNA and DNA Replication Machineries. En: Madame Curie Bioscience Database. Austin (TX): Landes Bioscience. Disponible a: ncbi.nlm.nih.gov
- Lazcano, A., Guerrero, R., Margulis, L., & Or, J. (1988). The evolutionary transició del la RNA to DNA in early cells. Journal of molecular evolution, 27 (4), 283-290.
- Lodish et, H., Berk, A., Zipursky, SL, et al. (2000). Molecular Cell Biology. 4th edition. New York: WH Freeman. Section 9.5, Organizing lular DNA into Chromosomes. Disponible a: ncbi.nlm.nih.gov/books
- Voet, D., Voet, JG, & Pratt, CW (1999). Fonamental of biochemistry. New York: John Willey and Sons.