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13.1: La hélice de ADN
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The DNA Helix
 
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TRANSCRIPCIÓN

13.1: The DNA Helix

13.1: La hélice de ADN

Overview

Deoxyribonucleic acid, or DNA, is the genetic material responsible for passing traits from generation to generation in all organisms and most viruses. DNA is composed of two strands of nucleotides that wind around each other to form a double helix. The discovery of the structure of DNA occurred incrementally over nearly a century, representing one of the most famous and captivating stories in the history of science.

DNA Structure in Detail

Each strand of DNA consists of subunits called nucleotides that contain the sugar deoxyribose, a phosphate group, and one of four nitrogen-containing bases: adenine (A), guanine (G), cytosine (C), and thymine (T). Adenine and guanine are members of a larger class of chemicals called purines that all contain two-ringed structures. Cytosine and thymine belong to a group of single-ringed structures called pyrimidines.

Adjacent nucleotides in the same strand are covalently linked by phosphodiester bonds. The two strands of nucleotides are held together by hydrogen bonds, in which the adenines in one strand pair with thymines at the same position in the other strand, and the cytosines in one strand pair with guanines in the same position in the other strand. This hydrogen bonding is made possible by the antiparallel arrangement of the two DNA strands, in which the 5’ and 3’ ends of the strands are oriented in opposite directions. Without this arrangement, the nucleotides would be in the wrong position to form hydrogen bonds between strands.

The two strands of the DNA molecule are tightly wound into a spring-like structure called a double helix. However, the double helix is not perfectly symmetrical. Instead, there are regularly occurring grooves in the structure. The major groove occurs where the sugar-phosphate backbones are relatively far apart. This space grants access to DNA-binding proteins, such as transcription factors. The minor groove, by contrast, occurs where the sugar-phosphate backbones are close together. Relatively few proteins bind to DNA via the minor groove.

The Discovery of DNA Structure: A Brief History

The story of the discovery of DNA structure begins in 1869 when Swiss scientist Friedrich Miescher discovered a substance he called “nuclein”. In the process of extracting protein from white blood cells, Miescher found an unexpected substance that had relatively high phosphorus content. He did not know what it was, but he suspected that it could be biologically important. Miescher was right, but it took decades for the scientific community to fully appreciate his insights.

The next critical discovery was made by Russian biochemist Phoebus Levene. In 1919, Levene proposed that nuclein, by then known as a nucleic acid, was composed of chains of molecules that he called polynucleotides. Levene’s proposal stemmed from his research on yeast, in which he found that individual nucleotides were composed of a phosphate group, a sugar, and a nitrogen-containing base. Although Levene’s polynucleotide model was correct in many respects, it was still unclear how the bases were arranged in the DNA molecule.

The Austrian biochemist Erwin Chargaff expanded on the work of Levene. Working in the late 1940s, Chargaff made a key finding: the amount of adenine in DNA is always roughly equal to the amount of thymine, and the amount of guanine is always roughly equal to the amount of cytosine. This pattern became known as Chargaff’s Rule and was a key piece of evidence that enabled the final elucidation of DNA structure.

In the early 1950s, American biologist James Watson and English physicist Francis Crick were racing their chief rival, American Linus Pauling, to discover the three-dimensional structure of DNA. Building on the work of Chargaff, they used knowledge of physics, mathematics, and chemistry to construct physical models of DNA. But they were unsuccessful until they received a critical piece of data: an X-ray ‘photograph’ of DNA that indicated in precise detail its double-helical structure. This photograph was the unpublished data of physicist Rosalind Franklin and was given to Watson and Crick without Franklin’s knowledge. Watson and Crick published their description of DNA structure in 1953, and together with Maurice Wilkins (a co-worker of Franklin’s), they won the 1962 Nobel Prize in Physiology or Medicine for this discovery. Sadly, Franklin died in 1958 and was therefore ineligible for a Nobel Prize.

Visión general

El ácido desoxirribonucleico, o ADN, es el material genético responsable de pasar rasgos de generación en generación en todos los organismos y la mayoría de los virus. El ADN se compone de dos hebras de nucleótidos que se rodean entre sí para formar una doble hélice. El descubrimiento de la estructura del ADN ocurrió progresivamente durante casi un siglo, representando una de las historias más famosas y cautivadoras en la historia de la ciencia.

Estructura de ADN en detalle

Cada hebra de ADN consiste en subunidades llamadas nucleótidos que contienen la desoxirribosa de azúcar, un grupo de fosfatos y una de las cuatro bases que contienen nitrógeno: adenina (A), guanina (G), citosina (C) y timina (T). La adenina y la guanina son miembros de una clase más grande de productos químicos llamados purinas que contienen estructuras de dos anillos. La citosina y la timina pertenecen a un grupo de estructuras de un solo anillo llamadas pirimidinas.

Los nucleótidos adyacentes en la misma hebra están unido covalentemente por enlaces fosfodiester. Las dos hebras de nucleótidos se mantienen unidas por enlaces de hidrógeno, en los que las adeninas en una hebra se emparejan con timinas en la misma posición en la otra hebra, y las citosinas en una hebra se emparejan con guaninas en la misma posición en la otra hebra. Esta unión de hidrógeno es posible gracias a la disposición antiparalazela de las dos hebras de ADN, en las que los extremos de 5' y 3' de las hebras están orientados en direcciones opuestas. Sin esta disposición, los nucleótidos estarían en la posición equivocada para formar enlaces de hidrógeno entre hebras.

Las dos hebras de la molécula de ADN se enrollan firmemente en una estructura similar a un resorte llamada doble hélice. Sin embargo, la doble hélice no es perfectamente simétrica. En su lugar, hay ranuras que ocurren regularmente en la estructura. La ranura principal ocurre donde la columna vertebral de azúcar-fosfato está relativamente lejos. Este espacio otorga acceso a proteínas de unión al ADN, como factores de transcripción. La ranura menor, por el contrario, ocurre donde las espinas dorsales de azúcar-fosfato están juntas. Relativamente pocas proteínas se unen al ADN a través de la ranura menor.

El descubrimiento de la estructura del ADN: una breve historia

La historia del descubrimiento de la estructura del ADN comienza en 1869 cuando el científico suizo Friedrich Miescher descubrió una sustancia que llamó "nucleína". En el proceso de extracción de proteína de glóbulos blancos, Miescher encontró una sustancia inesperada que tenía un contenido relativamente alto de fósforo. No sabía lo que era, pero sospechaba que podía ser biológicamente importante. Miescher tenía razón, pero la comunidad científica tardó décadas en apreciar plenamente sus ideas.

El siguiente descubrimiento crítico fue hecho por el bioquímico ruso Phoebus Levene. En 1919, Levene propuso que la nucleína, para entonces conocida como ácido nucleico, estaba compuesta de cadenas de moléculas que él llamó polinucleótidos. La propuesta de Levene surgió de su investigación sobre levadura, en la que encontró que los nucleótidos individuales estaban compuestos por un grupo de fosfatos, un azúcar y una base que contiene nitrógeno. Aunque el modelo de polinucleótidos de Levene era correcto en muchos aspectos, todavía no estaba claro cómo se dispuso las bases en la molécula de ADN.

El bioquímico austriaco Erwin Chargaff amplió la obra de Levene. Trabajando a finales de la década de 1940, Chargaff hizo un hallazgo clave: la cantidad de adenina en el ADN es siempre aproximadamente igual a la cantidad de timina, y la cantidad de guanina es siempre más o menos igual a la cantidad de citosina. Este patrón se conoció como regla de Chargaff y fue una pieza clave de evidencia que permitió el esclarececión final de la estructura del ADN.

A principios de la década de 1950, el biólogo estadounidense James Watson y el físico inglés Francis Crick estaban compitiendo con su principal rival, el estadounidense Linus Pauling, para descubrir la estructura tridimensional del ADN. Basándose en el trabajo de Chargaff, utilizaron el conocimiento de la física, las matemáticas y la química para construir modelos físicos de ADN. Pero no tuvieron éxito hasta que recibieron una pieza crítica de datos: una "fotografía" de rayos X del ADN que indicaba con detalle su estructura doble-helical. Esta fotografía fue los datos inéditos del físico Rosalind Franklin y fue dada a Watson y Crick sin el conocimiento de Franklin. Watson y Crick publicaron su descripción de la estructura del ADN en 1953, y junto con Maurice Wilkins (un colaborador de Franklin), ganaron el Premio Nobel de Fisiología o Medicina de 1962 por este descubrimiento. Lamentablemente, Franklin murió en 1958 y por lo tanto no era elegible para un Premio Nobel.


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