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8.2: Estructura y función del ADN - Biología

8.2: Estructura y función del ADN - Biología



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Objetivos de aprendizaje

  • Describir la estructura bioquímica de los desoxirribonucleótidos.
  • Identificar los pares de bases utilizados en la síntesis de desoxirribonucleótidos.
  • Explica por qué la doble hélice del ADN se describe como antiparalela.

En Metabolismo microbiano, discutimos tres clases de macromoléculas: proteínas, lípidos y carbohidratos. En este capítulo, discutiremos una cuarta clase de macromoléculas: los ácidos nucleicos. Al igual que otras macromoléculas, los ácidos nucleicos están compuestos de monómeros, llamados nucleótidos, que se polimerizan para formar cadenas grandes. Cada hebra de ácido nucleico contiene ciertos nucleótidos que aparecen en un cierto orden dentro de la hebra, denominada secuencia de bases. La secuencia de bases del ácido desoxirribonucleico (ADN) es responsable de transportar y retener la información hereditaria en una célula. En Mecanismos de Genética Microbiana, discutiremos en detalle las formas en que el ADN utiliza su propia secuencia de bases para dirigir su propia síntesis, así como la síntesis de ARN y proteínas, lo que, a su vez, da lugar a productos con estructura y estructura diversa. función. En esta sección, discutiremos la estructura y función básicas del ADN.

Nucleótidos de ADN

Los componentes básicos de los ácidos nucleicos son los nucleótidos. Los nucleótidos que componen el ADN se denominan desoxirribonucleótidos. Los tres componentes de un desoxirribonucleótido son un azúcar de cinco carbonos llamado desoxirribosa, un grupo fosfato y una base nitrogenada, una estructura de anillo que contiene nitrógeno que es responsable del apareamiento de bases complementarias entre las cadenas de ácido nucleico (Figura ( PageIndex {1} )). Los átomos de carbono de la desoxirribosa de cinco carbonos se numeran 1ʹ, 2ʹ, 3ʹ, 4ʹ y 5ʹ (1ʹ se lee como "un primo"). Un nucleósido comprende el azúcar de cinco carbonos y la base nitrogenada.

El desoxirribonucleótido se nombra de acuerdo con las bases nitrogenadas (Figura ( PageIndex {2} )). Las bases nitrogenadas adenina (A) y guanina (G) son las purinas; tienen una estructura de doble anillo con un anillo de seis carbonos fusionado con un anillo de cinco carbonos. Las pirimidinas, citosina (C) y timina (T), son bases nitrogenadas más pequeñas que tienen solo una estructura de anillo de seis carbonos.

Los trifosfatos de nucleósidos individuales se combinan entre sí mediante enlaces covalentes conocidos como enlaces fosfodiéster 5ʹ-3ʹ, o enlaces mediante los cuales el grupo fosfato unido al carbono 5ʹ del azúcar de un nucleótido se une al grupo hidroxilo del carbono 3ʹ del azúcar del siguiente nucleótido. La unión del fosfodiéster entre los nucleótidos forma la estructura de azúcar-fosfato, la estructura alterna de azúcar-fosfato que compone el marco de una cadena de ácido nucleico (Figura ( PageIndex {3} )). Durante el proceso de polimerización, se utilizan desoxinucleótidos trifosfatos (dNTP). Para construir el esqueleto de azúcar-fosfato, los dos fosfatos terminales se liberan del dNTP como pirofosfato. La hebra resultante de ácido nucleico tiene un grupo fosfato libre en el extremo del carbono 5ʹ y un grupo hidroxilo libre en el extremo del carbono 3ʹ. Los dos grupos fosfato no utilizados del nucleótido trifosfato se liberan como pirofosfato durante la formación del enlace fosfodiéster. Posteriormente, el pirofosfato se hidroliza, liberando la energía utilizada para impulsar la polimerización de nucleótidos.

Ejercicio ( PageIndex {1} )

¿Qué se entiende por los extremos 5ʹ y 3ʹ de una cadena de ácido nucleico?

Descubriendo la Doble Hélice

A principios de la década de 1950, se habían acumulado pruebas considerables que indicaban que el ADN era el material genético de las células, y ahora había comenzado la carrera para descubrir su estructura tridimensional. Por esta época, el bioquímico austriaco Erwin Chargaff1(1905-2002) examinó el contenido de ADN en diferentes especies y descubrió que la adenina, timina, guanina y citosina no se encontraban en cantidades iguales y que variaba de una especie a otra, pero no entre individuos de la misma especie. Descubrió que la cantidad de adenina estaba muy cerca de igualar la cantidad de timina, y la cantidad de citosina estaba muy cerca de igualar la cantidad de guanina, o A = T y G = C. Estas relaciones también se conocen como reglas de Chargaff.

Otros científicos también estaban explorando activamente este campo a mediados del siglo XX. En 1952, el científico estadounidense Linus Pauling (1901-1994) fue el principal químico estructural del mundo y el favorito para resolver la estructura del ADN. Pauling había descubierto anteriormente la estructura de las proteínas α hélices, utilizando difracción de rayos X y, basándose en imágenes de difracción de rayos X de ADN obtenidas en su laboratorio, propuso un modelo de ADN de triple cadena.2 Al mismo tiempo, los investigadores británicos Rosalind Franklin (1920-1958) y su estudiante de posgrado R.G. Gosling también estaba usando difracción de rayos X para comprender la estructura del ADN (Figura ( PageIndex {4} )). Fue la experiencia científica de Franklin la que dio como resultado la producción de imágenes de difracción de rayos X del ADN más bien definidas que mostrarían claramente la estructura general de doble hélice del ADN.

James Watson (1928–), un científico estadounidense, y Francis Crick (1916–2004), un científico británico, trabajaron juntos en la década de 1950 para descubrir la estructura del ADN. Utilizaron las reglas de Chargaff y las imágenes de difracción de rayos X de las fibras de ADN de Franklin y Wilkins para reconstruir el emparejamiento purina-pirimidina de la molécula de ADN de doble hélice (Figura ( PageIndex {5} )). En abril de 1953, Watson y Crick publicaron su modelo de la doble hélice del ADN en Naturaleza.3 El mismo número también incluyó artículos de Wilkins y colegas,4 así como por Franklin y Gosling,5 cada uno describiendo diferentes aspectos de la estructura molecular del ADN. En 1962, James Watson, Francis Crick y Maurice Wilkins recibieron el Premio Nobel de Fisiología y Medicina. Desafortunadamente, para entonces Franklin había muerto y los premios Nobel en ese momento no se otorgaron póstumamente. Sin embargo, continuó el trabajo para aprender sobre la estructura del ADN. En 1973, Alexander Rich (1924-2015) y sus colegas pudieron analizar cristales de ADN para confirmar y dilucidar aún más la estructura del ADN.6

Ejercicio ( PageIndex {2} )

¿A qué científicos se les atribuye la mayor parte del crédito por describir la estructura molecular del ADN?

Estructura del ADN

Watson y Crick propusieron que el ADN está formado por dos hebras que se enrollan entre sí para formar una hélice a la derecha. Las dos hebras de ADN son antiparalelas, de modo que el extremo 3ʹ de una hebra se enfrenta al extremo 5ʹ de la otra (Figura ( PageIndex {6} )). El extremo 3ʹ de cada hebra tiene un grupo hidroxilo libre, mientras que el extremo 5ʹ de cada hebra tiene un grupo fosfato libre. El azúcar y el fosfato de los nucleótidos polimerizados forman la columna vertebral de la estructura, mientras que las bases nitrogenadas se apilan en el interior. Estas bases nitrogenadas en el interior de la molécula interactúan entre sí, apareamiento de bases.

El análisis de los patrones de difracción del ADN ha determinado que hay aproximadamente 10 bases por turno en el ADN. El espaciado asimétrico de los esqueletos de azúcar-fosfato genera surcos principales (donde el esqueleto está muy alejado) y surcos menores (donde el esqueleto está muy cerca uno del otro) (Figura ( PageIndex {6} )). Estos surcos son lugares donde las proteínas se pueden unir al ADN. La unión de estas proteínas puede alterar la estructura del ADN, regular la replicación o regular la transcripción del ADN en ARN.

El emparejamiento de bases tiene lugar entre una purina y pirimidina. En el ADN, la adenina (A) y la timina (T) son pares de bases complementarios, y la citosina (C) y la guanina (G) también son pares de bases complementarios, lo que explica las reglas de Chargaff (Figura ( PageIndex {7} )). Los pares de bases están estabilizados por enlaces de hidrógeno; la adenina y la timina forman dos enlaces de hidrógeno entre ellos, mientras que la citosina y la guanina forman tres enlaces de hidrógeno entre ellos.

En el laboratorio, la exposición de las dos hebras de ADN de la doble hélice a altas temperaturas o a ciertos productos químicos puede romper los enlaces de hidrógeno entre bases complementarias, separando así las hebras en dos hebras individuales separadas de ADN (ADN monocatenario [ssDNA]). Este proceso se llama desnaturalización del ADN y es análogo a la desnaturalización de proteínas, como se describe en Proteínas. Las hebras de ssDNA también se pueden volver a unir como DNA bicatenario (dsDNA), a través del recocido o renaturalización enfriando o eliminando los desnaturalizantes químicos, permitiendo que estos enlaces de hidrógeno se vuelvan a formar. La capacidad de manipular artificialmente el ADN de esta manera es la base de varias técnicas importantes en biotecnología (Figura ( PageIndex {8} )). Debido al enlace de hidrógeno adicional entre el par de bases C = G, el ADN con un alto contenido de GC es más difícil de desnaturalizar que el ADN con un contenido de GC más bajo.

Vea una animación sobre la estructura del ADN en el Centro de aprendizaje de ADN para obtener más información.

Ejercicio ( PageIndex {3} )

¿Cuáles son los dos pares de bases complementarios del ADN y cómo se unen?

Función del ADN

El ADN almacena la información necesaria para construir y controlar la célula. La transmisión de esta información de las células madre a las hijas se denomina transferencia genética vertical y se produce a través del proceso de replicación del ADN. El ADN se replica cuando una célula hace una copia duplicada de su ADN, luego la célula se divide, lo que resulta en la distribución correcta de una copia de ADN a cada célula resultante. El ADN también puede degradarse enzimáticamente y usarse como fuente de nucleósidos y nucleótidos para la célula. A diferencia de otras macromoléculas, el ADN no desempeña un papel estructural en las células.

Ejercicio ( PageIndex {4} )

¿Cómo transmite el ADN la información genética a la descendencia?

PREPARANDO EL CAMINO PARA LAS MUJERES EN LAS PROFESIONES DE LA CIENCIA Y LA SALUD

Históricamente, las mujeres han estado infrarrepresentadas en las ciencias y la medicina y, a menudo, sus contribuciones pioneras han pasado relativamente desapercibidas. Por ejemplo, aunque Rosalind Franklin realizó los estudios de difracción de rayos X que demuestran la estructura de doble hélice del ADN, fueron Watson y Crick quienes se hicieron famosos por este descubrimiento, basándose en sus datos. Todavía existe una gran controversia sobre si la adquisición de sus datos fue apropiada y si los conflictos de personalidad y los prejuicios de género contribuyeron al reconocimiento tardío de sus importantes contribuciones. De manera similar, Barbara McClintock realizó un trabajo pionero en la genética del maíz desde la década de 1930 hasta la de 1950, descubriendo transposones (genes saltarines), pero no fue reconocida hasta mucho más tarde, recibiendo un Premio Nobel de Fisiología o Medicina en 1983 (Figura ( PageIndex {9} )).

Hoy en día, las mujeres siguen estando infrarrepresentadas en muchos campos de la ciencia y la medicina. Si bien más de la mitad de los títulos universitarios en ciencias se otorgan a mujeres, solo el 46% de los títulos de doctorado en ciencias se otorgan a mujeres. En el ámbito académico, el número de mujeres en cada nivel de avance profesional sigue disminuyendo, y las mujeres ocupan menos de un tercio de los puestos de científicas con nivel de doctorado en puestos de permanencia y menos de una cuarta parte de los cátedras completas en colegios y universidades de 4 años.7 Incluso en las profesiones de la salud, como en casi todos los demás campos, las mujeres a menudo están subrepresentadas en muchas carreras médicas y ganan significativamente menos que sus contrapartes masculinas, como se muestra en un estudio de 2013 publicado por el Revista de la Asociación Médica Estadounidense.8

¿Por qué continúan existiendo tales disparidades y cómo rompemos estos ciclos? La situación es compleja y probablemente sea el resultado de la combinación de varios factores, incluida la forma en que la sociedad condiciona los comportamientos de las niñas desde una edad temprana y apoya sus intereses, tanto a nivel profesional como personal. Algunos han sugerido que las mujeres no pertenecen al laboratorio, incluido el premio Nobel Tim Hunt, cuyos comentarios públicos de 2015 sugieren que las mujeres son demasiado emocionales para la ciencia.9 fueron recibidos con una condena generalizada.

Quizás las niñas deberían recibir más apoyo desde una edad temprana en las áreas de ciencias y matemáticas (Figura ( PageIndex {9} )). Programas de ciencia, tecnología, ingeniería y matemáticas (STEM) patrocinados por la Asociación Estadounidense de Mujeres Universitarias (AAUW)10 y Administración Nacional de Aeronáutica y del Espacio (NASA)11 son excelentes ejemplos de programas que ofrecen dicho apoyo. Las contribuciones de las mujeres a la ciencia deben darse a conocer más ampliamente al público, y el marketing dirigido a las niñas debe incluir más imágenes de científicas y profesionales médicas histórica y profesionalmente exitosas, alentando a todas las mentes jóvenes brillantes, incluidas las niñas y las mujeres, a seguir una carrera. en ciencia y medicina.

parte 2

Según sus síntomas, el médico de Alex sospecha que sufre de una enfermedad transmitida por los alimentos que adquirió durante sus viajes. Las posibilidades incluyen infección bacteriana (p. Ej., Enterotoxigénica E. coli, Vibrio cholerae, Campylobacter jejuni, Salmonela), infección viral (rotavirus o norovirus) o infección por protozoos (Giardia lamblia, Cryptosporidium parvum, o Entamoeba histolytica).

Su médico solicita una muestra de heces para identificar posibles agentes causantes (por ejemplo, bacterias, quistes) y para buscar la presencia de sangre porque ciertos tipos de agentes infecciosos (como C. jejuni, Salmonela, y E. histolytica) se asocian con la producción de heces con sangre.

La muestra de heces de Alex no mostró sangre ni quistes. Tras el análisis de su muestra de heces y basándose en su historial de viajes reciente, el médico del hospital sospechó que Alex sufría de diarrea del viajero causada por enterotoxigenic E. coli (ETEC), el agente causante de la mayoría de las diarreas del viajero. Para verificar el diagnóstico y descartar otras posibilidades, el médico de Alex ordenó una prueba de laboratorio de diagnóstico de su muestra de heces para buscar secuencias de ADN que codifiquen factores de virulencia específicos de ETEC. El médico le indicó a Alex que bebiera muchos líquidos para reemplazar lo que estaba perdiendo y lo dio de alta del hospital.

ETEC produce varios factores de virulencia codificados por plásmidos que lo hacen patógeno en comparación con los típicos E. coli. Estos incluyen las toxinas secretadas enterotoxina termolábil (LT) y enterotoxina termoestable (ST), así como el factor de colonización (CF). Tanto la LT como la ST provocan la excreción de iones cloruro de las células intestinales a la luz intestinal, lo que provoca la consiguiente pérdida de agua de las células intestinales, lo que provoca diarrea. La FQ codifica una proteína bacteriana que ayuda a permitir que la bacteria se adhiera al revestimiento del intestino delgado.

Ejercicio ( PageIndex {5} )

¿Por qué el médico de Alex utilizó el análisis genético en lugar del aislamiento de bacterias de la muestra de heces o la tinción de Gram directa de la muestra de heces sola?

Conceptos clave y resumen

  • Ácidos nucleicos Está compuesto de nucleótidos, cada uno de los cuales contiene un azúcar pentosa, un grupo fosfato y un base de nitrogeno. Desoxirribonucleótidos dentro del ADN contienen desoxirribosa como el azúcar pentosa.
  • El ADN contiene el pirimidinas citosina y timina, y el purinas adenina y guanina.
  • Nucleótidos están unidos por enlaces fosfodiéster entre el grupo fosfato 5ʹ de un nucleótido y el grupo hidroxilo 3ʹ de otro. A hebra de ácido nucleico tiene un grupo fosfato libre en el extremo 5ʹ y un grupo hidroxilo libre en el extremo 3ʹ.
  • Chargaff descubrió que la cantidad de adenina es aproximadamente igual a la cantidad de timina en el ADN, y que la cantidad de guanina es aproximadamente igual a citosina. Más tarde se determinó que estas relaciones se debían al emparejamiento de bases complementarias.
  • Watson y Crick, basándose en el trabajo de Chargaff, Franklin y Gosling y Wilkins, propusieron el modelo de doble hélice y el emparejamiento de bases para la estructura del ADN.
  • El ADN está compuesto por dos hebras complementarias orientadas antiparalelo el uno al otro con el espinas dorsales de fosfodiéster en el exterior de la molécula. Las bases nitrogenadas de cada hebra se enfrentan entre sí y las bases complementarias se unen de hidrógeno entre sí, estabilizando la doble hélice.
  • El calor o los productos químicos pueden romper los enlaces de hidrógeno entre bases complementarias, desnaturalizando el ADN. El enfriamiento o la eliminación de sustancias químicas puede provocar la renaturalización o el recocido del ADN al permitir que los enlaces de hidrógeno se vuelvan a formar entre las bases complementarias.
  • El ADN almacena las instrucciones necesarias para construir y controlar la célula. Esta información se transmite de padres a hijos a través de transferencia de genes vertical.

Opción multiple

¿Cuál de los siguientes no se encuentra dentro del ADN?

A. timina
B. enlaces fosfodiéster
C. emparejamiento de bases complementarias
D. aminoácidos

D

Si el 30% de las bases de una molécula de ADN son adenina, ¿cuál es el porcentaje de timina?

A. 20%
B. 25%
C. 30%
D. 35%

C

¿Cuál de las siguientes afirmaciones sobre el apareamiento de bases en el ADN es incorrecta?

R. Las purinas siempre son pares de bases con pirimidinas.
B. La adenina se une a la guanina.
C. Los pares de bases se estabilizan mediante enlaces de hidrógeno.
D. El emparejamiento de bases se produce en el interior de la doble hélice.

B

Si una hebra de ADN contiene la secuencia 5ʹ-ATTCCGGATCGA-3ʹ, ¿cuál de las siguientes es la secuencia de la hebra complementaria de ADN?

A. 5ʹ-TAAGGCCTAGCT-3ʹ
B. 5ʹ-ATTCCGGATCGA-3ʹ
C. 3ʹ-TAACCGGTACGT-5ʹ
D. 5ʹ-TCGATCCGGAAT-3ʹ

D

Durante la desnaturalización del ADN, ¿cuál de los siguientes ocurre?

A. Se rompen los enlaces de hidrógeno entre bases complementarias.
B. Los enlaces fosfodiéster se rompen dentro del esqueleto de azúcar-fosfato.
C. Se rompen los enlaces de hidrógeno dentro del esqueleto de azúcar-fosfato.
D. Se rompen los enlaces fosfodiéster entre bases complementarias.

UNA.

Complete el espacio en blanco

El final de una cadena de ácido nucleico con un grupo fosfato libre se llama ________.

5ʹ fin

Verdadero Falso

El trabajo de Rosalind Franklin y R.G. Gosling fue importante para demostrar la naturaleza helicoidal del ADN.

Cierto

El par de bases A-T tiene más enlaces de hidrógeno que el par de bases C-G.

Falso

Respuesta corta

¿Cuál es el papel de los enlaces fosfodiéster dentro de la columna vertebral azúcar-fosfato del ADN?

¿Qué se entiende por el término "antiparalelo"?

¿Por qué el ADN con un alto contenido de GC es más difícil de desnaturalizar que el que tiene un bajo contenido de GC?

Pensamiento crítico

Se encuentra que una determinada muestra de ADN tiene una composición que consiste en un 22% de timina. Utilice las reglas de Chargaff para completar los porcentajes de las otras tres bases nitrogenadas.

Al considerar la estructura de la doble hélice del ADN, ¿cómo esperaría que difiera la estructura si hubiera un apareamiento de bases entre dos purinas? ¿Entre dos pirimidinas?

Notas al pie

  1. 1 N. Kresge y col. "Reglas de Chargaff: el trabajo de Erwin Chargaff". Revista de química biológica 280 (2005): e21.
  2. 2 L. Pauling, "Una estructura propuesta para los ácidos nucleicos". Actas de la Academia Nacional de Ciencias de los Estados Unidos de América 39 no. 2 (1953): 84–97.
  3. 3 J.D. Watson, F.H.C. Tortícolis. "Una estructura para el ácido nucleico desoxirribosa". Naturaleza 171 no. 4356 (1953): 737–738.
  4. 4 M.H.F. Wilkins y col. "Estructura molecular de los ácidos nucleicos desoxipentosa". Naturaleza 171 no. 4356 (1953): 738–740.
  5. 5 R. Franklin, R.G. Ansarino. "Configuración molecular en timonucleato de sodio". Naturaleza 171 no. 4356 (1953): 740–741.
  6. 6 R.O. Day et al. "Un fragmento cristalino de la doble hélice: la estructura del fosfato de dinucleósido Guanilil-3 ', 5'-Citidina". Actas de la Academia Nacional de Ciencias de los Estados Unidos de América 70 no. 3 (1973): 849–853.
  7. 7 N.H. Wolfinger "Para las científicas, no hay un buen momento para tener hijos". El Atlántico 29 de julio de 2013. www.theatlantic.com/sexes/arc...ildren/278165/.
  8. 8 S.A. Seabury y col. "Tendencias en los ingresos de los profesionales de la salud masculinos y femeninos en los Estados Unidos, 1987 a 2010." Revista de Medicina Interna de la Asociación Médica Estadounidense 173 no. 18 (2013): 1748-1750.
  9. 9 E. Chung. "Tim Hunt, Sexismo y ciencia: el verdadero 'problema con las niñas' en los laboratorios". CBC News Tecnología y ciencia, 12 de junio de 2015. http://www.cbc.ca/news/technology/ti...labs-1.3110133. Consultado el 4 de agosto de 2016.
  10. 10 Asociación Americana de Mujeres Universitarias. "Construyendo un canal de STEM para niñas y mujeres". www.aauw.org/what-we-do/stem-education/. Consultado el 10 de junio de 2016.
  11. 11 Administración Nacional de Aeronáutica y del Espacio. "Programas de divulgación: Iniciativa para mujeres y niñas". http://women.nasa.gov/outreach-programs/. Consultado el 10 de junio de 2016.

4 Estructura y función del ADN

En la década de 1950, Francis Crick y James Watson trabajaron juntos en la Universidad de Cambridge, Inglaterra, para determinar la estructura del ADN. Otros científicos, como Linus Pauling y Maurice Wilkins, también estaban explorando activamente este campo. Pauling había descubierto la estructura secundaria de las proteínas mediante cristalografía de rayos X. La cristalografía de rayos X es un método para investigar la estructura molecular mediante la observación de los patrones formados por rayos X disparados a través de un cristal de la sustancia. Los patrones brindan información importante sobre la estructura de la molécula de interés. En el laboratorio de Wilkins, la investigadora Rosalind Franklin estaba usando cristalografía de rayos X para comprender la estructura del ADN. Watson y Crick pudieron armar el rompecabezas de la molécula de ADN utilizando los datos de Franklin & # 8217s (Figura 1). Watson y Crick también tenían información clave disponible de otros investigadores, como las reglas de Chargaff. Chargaff había demostrado que de los cuatro tipos de monómeros (nucleótidos) presentes en una molécula de ADN, dos tipos siempre estaban presentes en cantidades iguales y los dos tipos restantes también estaban siempre presentes en cantidades iguales. Esto significaba que siempre estaban emparejados de alguna manera. En 1962, James Watson, Francis Crick y Maurice Wilkins recibieron el Premio Nobel de Medicina por su trabajo en la determinación de la estructura del ADN. Rosalind Franklin falleció de cáncer en 1958 y no fue reconocida por el Comité del Nobel, a pesar de que su investigación proporcionó evidencia principal sobre nuestra comprensión del ADN (puede obtener más información sobre Rosalind Franklin aquí y aquí).

Figura 1: Los científicos pioneros (a) James Watson y Francis Crick se muestran aquí con el genetista estadounidense Maclyn McCarty. La científica Rosalind Franklin descubrió (b) el patrón de difracción de rayos X del ADN, que ayudó a dilucidar su estructura de doble hélice. (crédito a: modificación del trabajo de Marjorie McCarty b: modificación del trabajo de los NIH)

Ahora consideremos la estructura de los dos tipos de ácidos nucleicos, ácido desoxirribonucleico (ADN) y ácido ribonucleico (ARN). Los componentes básicos del ADN son los nucleótidos, que se componen de tres partes: una desoxirribosa (azúcar de 5 carbonos), un grupo fosfato y una base nitrogenada (Figura 2). Hay cuatro tipos de bases nitrogenadas en el ADN. La adenina (A) y la guanina (G) son purinas de doble anillo, y la citosina (C) y la timina (T) son pirimidinas de anillo único más pequeñas. El nucleótido se nombra según la base nitrogenada que contiene.

Figura 2: Cada nucleótido de ADN está formado por un azúcar, un grupo fosfato y una base. La citosina y la timina son pirimidinas. La guanina y la adenina son purinas.

El grupo fosfato de un nucleótido se une covalentemente con la molécula de azúcar del siguiente nucleótido, y así sucesivamente, formando un polímero largo de monómeros de nucleótidos. Los grupos azúcar-fosfato se alinean en una & # 8220 columna vertebral & # 8221 para cada hebra única de ADN, y las bases de nucleótidos sobresalen de esta columna vertebral. Los átomos de carbono del azúcar de cinco carbonos se numeran en el sentido de las agujas del reloj desde el oxígeno como 1 & # 8242, 2 & # 8242, 3 & # 8242, 4 & # 8242, y 5 & # 8242 (1 & # 8242 se lee como & # 8220one prime & # 8221) . El grupo fosfato está unido al carbono 5 & # 8242 de un nucleótido y al carbono 3 & # 8242 del siguiente nucleótido. En su estado natural, cada molécula de ADN se compone en realidad de dos hebras sencillas que se mantienen juntas a lo largo de su longitud con enlaces de hidrógeno entre las bases.

Watson y Crick propusieron que el ADN está formado por dos hebras que se enrollan entre sí para formar una hélice a la derecha, llamada doble hélice. El apareamiento de bases tiene lugar entre una purina y pirimidina: es decir, A se empareja con T y G se empareja con C. En otras palabras, la adenina y la timina son pares de bases complementarios, y la citosina y guanina también son pares de bases complementarios. Esta es la base de la regla de Chargaff debido a su complementariedad, hay tanta adenina como timina en una molécula de ADN y tanta guanina como citosina. La adenina y la timina están conectadas por dos enlaces de hidrógeno, y la citosina y la guanina están conectadas por tres enlaces de hidrógeno. Las dos hebras son de naturaleza antiparalela, es decir, una hebra tendrá el carbono 3 & # 8242 del azúcar en la posición & # 8220 hacia arriba & # 8221, mientras que la otra hebra tendrá el carbono 5 & # 8242 en la posición hacia arriba. El diámetro de la doble hélice de ADN es uniforme en todas partes porque una purina (dos anillos) siempre se empareja con una pirimidina (un anillo) y sus longitudes combinadas son siempre iguales. (Figura 3).

Figura 3: El ADN (a) forma una hélice de doble hebra, y (b) la adenina se empareja con timina y la citosina se empareja con guanina. (crédito a: modificación del trabajo de Jerome Walker, Dennis Myts)


Nucleótidos de ADN

Los componentes básicos de los ácidos nucleicos son los nucleótidos. Los nucleótidos que componen el ADN se denominan desoxirribonucleótidos. Los tres componentes de un desoxirribonucleótido son un azúcar de cinco carbonos llamado desoxirribosa, un grupo fosfato y un base de nitrogeno, una estructura de anillo que contiene nitrógeno que es responsable de maridaje de bases complementarias entre hebras de ácido nucleico (Figura 1). Los átomos de carbono de la desoxirribosa de cinco carbonos se numeran 1ʹ, 2ʹ, 3ʹ, 4ʹ y 5ʹ (1ʹ se lee como & # 8220 una prima & # 8221). A nucleósido comprende el azúcar de cinco carbonos y la base nitrogenada.

Figura 1. (a) Cada desoxirribonucleótido está compuesto por un azúcar llamado desoxirribosa, un grupo fosfato y una base nitrogenada, en este caso, adenina. (b) Los cinco carbonos dentro de la desoxirribosa se designan como 1ʹ, 2ʹ, 3ʹ, 4ʹ y 5ʹ.

El desoxirribonucleótido se denomina de acuerdo con la bases nitrogenadas (Figura 2). Las bases nitrogenadas adenina (A) y guanina (G) son los purinas tienen una estructura de doble anillo con un anillo de seis carbonos fusionado con un anillo de cinco carbonos. los pirimidinas, citosina (C) y timina (T), son bases nitrogenadas más pequeñas que tienen solo una estructura de anillo de seis carbonos.

Figura 2. Las bases nitrogenadas dentro del ADN se clasifican en purinas de dos anillos, adenina y guanina, y pirimidinas de un solo anillo, citosina y timina. La timina es exclusiva del ADN.

Los trifosfatos de nucleósidos individuales se combinan entre sí mediante enlaces covalentes conocidos como 5ʹ-3ʹ enlaces fosfodiéster, o enlaces mediante los cuales el grupo fosfato unido al carbono 5ʹ del azúcar de un nucleótido se une al grupo hidroxilo del carbono 3ʹ del azúcar del siguiente nucleótido. La unión de fosfodiéster entre nucleótidos forma la esqueleto de fosfato de azúcar, la estructura alterna de azúcar-fosfato que compone el marco de una hebra de ácido nucleico (Figura 3). Durante el proceso de polimerización, se utilizan desoxinucleótidos trifosfatos (dNTP). Para construir el esqueleto de azúcar-fosfato, los dos fosfatos terminales se liberan del dNTP como pirofosfato. La hebra resultante de ácido nucleico tiene un grupo fosfato libre en el extremo del carbono 5ʹ y un grupo hidroxilo libre en el extremo del carbono 3ʹ. Los dos grupos fosfato no utilizados del nucleótido trifosfato se liberan como pirofosfato durante la formación del enlace fosfodiéster. Posteriormente, el pirofosfato se hidroliza, liberando la energía utilizada para impulsar la polimerización de nucleótidos.

Figura 3. Se forman enlaces fosfodiéster entre el grupo fosfato unido al carbono 5ʹ de un nucleótido y el grupo hidroxilo del carbono 3ʹ en el siguiente nucleótido, provocando la polimerización de nucleótidos en cadenas de ácido nucleico. Tenga en cuenta los extremos 5ʹ y 3ʹ de esta cadena de ácido nucleico.

Piénsalo


8.2: Estructura y función del ADN - Biología

Programa de investigación de verano para profesores de ciencias

Escuela Infantil Profesional


Aprendiendo la estructura y función del ADN

NIVEL DE GRADO: Noveno y décimo grado

OBJETIVO: Los estudiantes aprenderán sobre la estructura y función del ADN y harán un laboratorio de electroforesis en gel [9-12 Estándar de contenido E - Comprensión sobre ciencia y tecnología], donde podrán relacionar el tamaño de los polinucleótidos y su capacidad para moverse. corriente eléctrica a través de un gel de agarosa [9-12 Estándar de contenido B - Estructura y propiedades de la materia]. Los estudiantes también participarán en una actividad en Internet, donde podrán poner a prueba sus conocimientos y participarán en una discusión sobre las dificultades, ventajas y cuestiones éticas del Proyecto Genoma Humano.


COMPONENTES DEL PLAN DE LECCIÓN:

Actividad de aprendizaje cooperativo

ACTIVIDAD DE APRENDIZAJE COOPERATIVO

El ADN es una macromolécula que forma una estructura de doble hélice en las células (principalmente en los núcleos y mitocondrias) de los organismos vivos. Esta doble hélice está formada por una combinación de millones de cuatro tipos diferentes de nucleótidos como monómeros. Sin embargo, estos monómeros también son moléculas muy complejas que se crean a partir de los enlaces covalentes de un grupo fosfato, un azúcar de cinco carbonos llamado desoxirribosa y una de las cuatro bases nitrosas: adenina, guanina, citosina y timina. Dos cadenas de ADN paralelas están conectadas por las bases nitrosas. Un nucleótido con adenina siempre está unido a una timina en la cadena opuesta. Un nucleótido con guanina siempre está unido a la citosina en la cadena opuesta. [9-12 Estándar de contenido C: la celda]

6 tipos diferentes de papel de colores

Haga que los estudiantes trabajen en grupos de tres para:

1. Vea la película y responda las preguntas de repaso dadas con su grupo.

2. corte los diferentes componentes del nucleótido del papel de color y construya una sección de polinucleótidos usando el orden dado de bases nitrosas en un lado de la doble hélice de ADN

3. coloque la cadena polinucleotídica completa junto con otros grupos en el orden indicado


HOJA DE ACTIVIDADES:

Responda las siguientes preguntas después de ver la película de video.


1. ¿Cuál es la forma básica del ADN? ______________________________

2. ¿Cuál es la función del ADN en las células de los organismos vivos?

3. ¿Cuál es el monómero de una molécula de ADN? ______________________

4. ¿Cuáles son las cuatro bases que determinan el tipo de nucleótidos?

5. ¿Cómo se unen las bases a dos cadenas de ADN paralelas?

6. ¿Cuáles son las otras moléculas combinadas de nucleótidos?

Haz un modelo de una porción de una molécula de ADN usando los papeles de colores proporcionados. En su modelo, utilice la secuencia de bases dada en una cadena del ADN y construya los nucleótidos con las bases complementarias en la cadena paralela.

Preparación de gel de agarosa

Aprender los principios de la electroforesis en gel

Observar los resultados e identificar las incógnitas midiendo sus distancias de migración y comparándolas con sustancias conocidas [9-12 Norma de contenido A - Formular explicaciones utilizando evidencia]

Lápiz [Norma de enseñanza D - Hacer accesibles las herramientas científicas]


ACTIVIDAD EN INTERNET

Los estudiantes probarán su conocimiento de la estructura y función del ADN

Los estudiantes aprenderán sobre el Proyecto Genoma Humano

Discusión de la importancia, las dificultades y las cuestiones éticas del Proyecto Genoma Humano.

[9-12 Estándar de contenido F - Ciencia y tecnología en desafíos locales, nacionales y globales]

1. Cada estudiante descargará el problema de ácido nucleico establecido en http://www.biology.arizona.edu mire la estructura del ADN y responda algunas de las preguntas de opción múltiple, aproximadamente 10 minutos.

2. Los estudiantes leerán sobre el Proyecto Genoma Humano en http://www.nhgri.nih.gov/HGP - alrededor de 10 minutos.

3. La clase discutirá la importancia, las ventajas, las dificultades y las cuestiones éticas del Proyecto Genoma Humano - el resto del tiempo de la clase. [Norma de enseñanza B: orquestar el discurso científico]


Componentes del ADN:

Componentes del ADN: Se puede describir como una molécula larga y delgada que consta de cosas llamadas (nucleótidos), y estos nucleótidos se unen formando una columna vertebral. Estos nucleótidos están formados por bases nitrogenadas, azúcar y grupos fosfato. La base nitrogenada puede ser guanina, citosina, timina y adenina.

ADN

Función del ADN:

Función del ADN: las células obtienen las instrucciones necesarias para realizar su función a partir del ADN. La célula puede considerarse una computadora, mientras que el ácido desoxi ribonucleico puede considerarse un programa de computadora. Es el programa que le da instrucciones a la computadora y le dice a la computadora cómo se comporta y cómo funciona.

The ATGC sequence in Deoxy Ribonucleic Acid strand OR nucleotide sequence work as code and its the thing which makes a person unique from others. Each 3 letter are called codons. The codon series may look something like this: ATC, GTC, AAT, GAC.

DNA Location and structure:

DNA Location: In eukaryotic or multicellular organisms DNA is located inside the nucleus of the cell WHILE in case of prokaryotic or unicellular organisms it is freely moving inside the cytosol of the cell because prokaryotes do not have a nucleus in their cells.

Estructura:

The structure of DNA is comprised of Nitrogenous bases adjunto con pentose sugar and these pentose sugars attached with a phosphate group. The complex of these three things makes up a single nucleotide. These nucleotides are attached in series making up a strand that is double helical with major & minor groove in it.

¿Qué son los genes?

A specific nucleotide sequence of DNA strand that codes for protein is called genes. These coding sequences in it make functional proteins. These functional proteins are made in such a way that DNA first transcribes RNA and this RNA will ultimately get translated into proteins that are functional.

What is the mutation?

Any change or deviation from the original size, shape or function is called mutation. When there is a mutation in nucleotide sequence, amino acid sequence or in the body of chromosome severe or complex medical complications may occur to the organism.

Mutations in such things can be harmful, beneficial, or non-effective. The one that does not show any bad or harmful impact on the organism is non-effective mutation while the one that shows dangerous impacts on the organism are harmful mutations. In rare cases, mutations can be beneficial to the organism in many ways.


Respuesta libre

What is the consequence of mutation of a mismatch repair enzyme? How will this affect the function of a gene?

Mutations are not repaired, as in the case of xeroderma pigmentosa. Gene function may be affected or it may not be expressed.

An adult with a history of tanning has his genome sequenced. The beginning of a protein-coding region of his DNA reads ATGGGGATATGGCAT. If the protein-coding region of a healthy adult reads ATGGGGATATGAGCAT, identify the site and type of mutation.

This is a frameshift mutation with a deletion of an “A” in the 12 th position of the coding region.


8.2: Structure and Function of DNA - Biology

Similarly, when many nucleotides are linked with each other in a linear fashion, the resulting chain, is referred to as a polynucleotide (polymer, or). For example, each strand of DNA molecule has many deoxyribonucleotides linked in a chain-like arrangement. Therefore, it is described as polynucleotide strand and DNA molecule as polynucleotide molecule .

In the DNA polynucleotide strands, the nucleotides are joined with each other by phosphodiester linkages (Figure. 8.3).

In a phosphodiester linkage , the phosphate group present at the C-5 of the sugar of one nucleotide gets attached to the C-3 of the sugar of the next nucleotide in the chain.

(b) The Watson-Crick model of the DNA double helix : The most widely accepted model for the structure of DNA molecule (Figure 8.4) was proposed by Watson and Crick in 1953 (who won the Nobel Prize for Medicine in 1962). According to their model, the DNA has the following structural characteristics.

I. Molecule : The DNA molecule is a double helix (Fig. 8.4A). The molecule is formed by two antiparallel polynucleotide strands which are spirally coiled round each other in a right-handed helix. The two strands are held together by hydrogen bonds . The double stranded helical molecule has alternate major (or deep) and minor grooves.

Figura 8.4. Structure of DNA (Watson and Crick model)
(A) DNA double helix. (B) Detailed structure of the two strands. (C) C-5 and C-3 ends and antiparallel nature of strands (diagrammatic)

ii. Structure of each strand (8.4 B) : Each strand is a long polynucleotide of deoxyribonucleotides. The backbone of the strand is formed by alternately arranged deoxyribose sugar and phosphate molecules which are joined by the phosphodiester linkages . Each sugar in the strand has one base horizontally attached to it at carbon-1. It can be any one of the four: A,#T,#G or C. These four N-bases can occur in any possible sequence along the length of a strand.


El modelo de replicación del ADN sugiere que las dos hebras de la doble hélice se separan durante la replicación, y cada hebra sirve como plantilla a partir de la cual se copia la nueva hebra complementaria. En la replicación conservadora, el ADN parental se conserva y el ADN hijo se sintetiza nuevamente. El método semiconservador sugiere que cada una de las dos hebras de ADN parental actúa como molde para que el nuevo ADN se sintetice después de la replicación, cada ADN de doble hebra incluye una hebra parental o "antigua" y una hebra "nueva". El modo dispersivo sugirió que las dos copias del ADN tendrían segmentos de ADN parental y ADN recién sintetizado.

Meselson and Stahl's experiments proved that DNA replicates by which mode?


Facts about DNA Structure 7: the combination

Even though there are only four letters on the DNA, the combination is billions. The gene is used to call the code within each string of DNA. Look at facts about DNA replication aquí.

Facts about DNA Structure 8: the function of a gene

Do you know the function of a gene? It gives the instruction for the cell to create a certain protein used by the body to grow, develop and live.

facts about dna structure


8.2: Structure and Function of DNA - Biology

Each person’s DNA is unique, and it is possible to detect differences among individuals within a species on the basis of these unique features. DNA analysis has many practical applications, including identifying criminals (forensics), determining paternity, tracing genealogy, identifying pathogens, researching archeological finds, tracing disease outbreaks, and studying human migration patterns. In the medical field, DNA is used in diagnostics, new vaccine development, and cancer therapy. It is often possible to determine predisposition to diseases by sequencing genes.

Sometimes an innocent person is erroneously convicted of a crime and sent to jail. Between 2000 and 2015, evidence from DNA was used to exonerate over 250 innocent people. Twenty of those people were on death row after being convicted of a murder they didn’t commit. To learn more about the intense scientific and legal processes used to exonerate those wrongfully convicted, go to The Innocence Project website here.

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  • 14 DNA Structure and Function

Este texto se basa en Openstax Biology for AP Courses, Autores colaboradores principales Julianne Zedalis, The Bishop's School en La Jolla, CA, John Eggebrecht, Autores colaboradores de la Universidad de Cornell Yael Avissar, Rhode Island College, Jung Choi, Instituto de Tecnología de Georgia, Jean DeSaix , Universidad de Carolina del Norte en Chapel Hill, Vladimir Jurukovski, Colegio Comunitario del Condado de Suffolk, Connie Rye, Colegio Comunitario del Este de Mississippi, Robert Wise, Universidad de Wisconsin, Oshkosh

Esta obra está autorizada bajo una licencia Creative Commons Reconocimiento-No comercial 4.0 no exportada, sin restricciones adicionales.


Ver el vídeo: Estructura Primaria y Secundaria del ADN (Agosto 2022).