ADN: rápida revisión desde Mendel hasta Rosalind Franklind

Conocimientos previos:

Célula
Organelos
Eucariotas y Procariotas

Introducción

El ADN, o ácido desoxirribonucleico, es el material genético que se encuentra en las células de todos los organismos. Está compuesto por nucleótidos unidos entre sí (Adenina, Timina, Guanina, Citosina). El ordenamiento y secuencia de los nucleótidos forma un polímero de ADN de doble cadena, el cual contiene información para generar proteínas utilizando diversos ARNs como intermediarios. En células eucariotas la mayor parte del ADN se localiza en el núcleo que está rodeada por una bicapa lipídica. Sin embargo, una pequeña cantidad de ADN también se puede encontrar en otras estructuras celulares, como en la mitocondria en animales o cloroplastos en plantas (A. Checa, 2016).

Gregor Mendel: predecesor al descubrimiento del ADN

Antes del descubrimiento de la molécula de ADN, un monje que estudiaba diferentes aspectos de los chicharos llamado Gregor Mendel sentó las bases de las leyes de la herencia genética (figura 1). Efectuó cruzas entre chicharos con diferentes características (color de la flor, textura de la semilla, etc) y en sus resultados pudo postular las siguentes leyes (Fraser, 2001).

Leyes de Mendel:

Cuando se cruzan dos variedades puras de una misma especie, los descendientes son todos iguales.
Al cruzar entre sí los híbridos de la segunda generación, los descendientes se dividen en cuatro partes, de las cuales tres heredan el llamado carácter dominante y una el recesivo.
En el caso de que las dos variedades de partida difieran entre sí en dos o más caracteres, cada uno de ellos se transmite con independencia de los demás (Fraser, 2001).

El trabajo de Gregor Mendel no fue reconocido cuando lo publicó y no fue sino hasta el año 1900 con los trabajos de Carl Correns, Hugo de Vries y Erich von Tschermak, que se le dio el crédito que merecía su labor y descubrimiento. Los avances científicos posteriores pusieron de manifiesto que las leyes de la herencia de Mendel constituyen una simplificación de procesos que a menudo son mucho más complejos. Sin embargo, estas leyes sirven todavía como base fundamental para la genética moderna (Dahm, 2008).

Figura 1. Mendel realizo diferentes cruzas de chicharos con diferentes características (color de la semilla, vaina, testa, textura de la semilla, altura de la planta, etc.) y con los resultados que obtuvo pudo postular sus leyes de la herencia. Cuando Mendel cruzó las plantas de chicharos con semillas redondas amarillas con plantas de guisantes que exhibían semillas rugosas y verdes, las plantas de la generación F1 resultante produjo semillas redondas y amarillas. Cuando se autofertilizaron estas plantas F1, la generación F2 resultante tuvo una proporción de 9: 3: 3: 1. Es decir, 9/16 o el 56% de las plantas produjeron semillas redondas y amarillas; 3/16 o el 18% produjeron semillas redondas y verdes; 3/16 18% produjo semillas rugosas, semillas amarillas; y 1/16 o el 6% de las plantas tenían semillas verdes rugosas. Imagen modificada de: (Miko, 2008)

Los primeros hallazgos del ADN

Posterior a las leyes propuestas por Mendel se dieron los primeros experimentos para descubrir la molécula del ADN. Esto inició con los trabajos de biólogo suizo Johan Friedrich Miescher en 1869, el cual aisló varias moléculas ricas en fosfatos de muestras de pus recuperadas a partir de los vendajes del hospital. A estos aislados ricos en fosfatos provenientes de los núcleos de las células blancas de la sangre, los llamó “nucleína”. Sus hallazgos fueron publicados por primera vez en 1871, pero su importancia no fue reconocida en ese momento (Dahm, 2008). Miescher pudo aislar y caracterización el ADN debido a su buena elección de las células para sus experimentos. Después de utilizar los leucocitos provenientes de la pus de vendajes uso espermatozoides de diferentes especies y ya que este tipo de células no se incrustan en un tejido o matriz extracelular, pueden purificarse fácilmente especialmente en los espermatozoides, los núcleos son grandes en comparación con el citoplasma, lo que facilita un enriquecimiento de componentes nucleares (Dahm, 2008).

Por otra parte, los estudios realizados por Theodor Boveri, Walther Flemming, Walter Sutton, y Edmund B. Wilson revolucionaron los campos de la citología y genética y sentaron las bases de la citogenética. Boveri investigó el papel de los cromosomas, su importancia durante el desarrollo embrionario y su relevancia como elementos para la herencia. Sus trabajos con erizos de mar mostraron que era necesario que todos los cromosomas estuvieran presentes para que un desarrollo embrionario correcto tuviera lugar. Este descubrimiento fue parte importante de la teoría cromosómica de Sutton y Boveri (Maderspacher, 2008). Walther Flemming realizó estudios detallados sobre la división celular en diferentes órganos y organismos (figura 2), principalmente del reino animal (Paweletz, 2001). Flemming además describió la morfología y el comportamiento de los cromosomas durante la división celular, acuñando los términos “cromatina” y “mitosis.” Y a finales de los años 1880 y 1890, Boveri y Walter Sutton de manera independiente comenzaron a desarrollar la teoría cromosómica, el cual dicta que los cromosomas llevan material genético y son la base de la herencia mendeliana (Dahm, 2008; Ramirez, Hulston, & Kovac, 2015).

Figura 2. Dibujo de referencia del libro de W. Flemming titulado: Zellsubstanz, Kern und Zelltheilung (Citoplasma, Núcleo y División celular) el cual, ilustra los pasos de la mitosis: interfase, profase, metafase, anafase y telofase. A este proceso lo llamó Cariomitosis (metamorfosis filiforme del núcleo) tomado de: http://www.cell.com/pictureshow/cell-cycle.

Si bien, la mayoría de estos descubrimientos y conceptos fueron bien recibidos por la comunidad científica en su momento, el descubrimiento de Friedrich Miescher fue poco apreciado, ya que, la gran mayoría de los científicos de la época seguían convencidos de que las proteínas eran las portadoras de la información genética debido a su complejida. Pero, no fue sino hasta el siglo XX que, se comprendió el verdadero significado de sus hallazgos. Uno de los científicos que se interesó por los trabajos de Miescher fue Albrecht Kossel, un científico que trabajaba en el laboratorio de Hoppe-Seyler y que se interesó en las nucleínas como un nuevo elemento funcional de la célula. Posteriormente, se hizo acreedor del Premio Nobel de Medicina en 1910 por descubrir la composición de la nucleína formado por cuatro bases nitrogenadas y una molécula de azúcar (Jones, 1953). El interés por el estudio del ADN no se reavivó hasta mediados de la década de 1940 y principios de 1950, cuando Oswald T. Avery, Colin MacLeod y McCarthy Maclyn, Al Hershey y Martha Chase demostraron de manera independiente que el ADN es el portador de la información genética (figura 3) (Avery & Macleod, 1994; Hershey & Chase, 1952).

Figura 3. Experimento de Hershey y Martha Chase, utilizando bacteriófagos T2 con proteínas marcadas radioactivamente (amarillo), y ADN marcado radioactivamente (azul) con este experimento pudieron demostrar que el ADN es el portador de la información genética ya que solo el ADN conservaba la marca radioactiva, ya que se transmitieron a las generaciones posteriores. Imagen modificada de: http://www.yourgenome.org

Posteriormente, en 1953 Watson y Crick usando los resultados de imágenes de cristalografía de Rosalind Franklin (que estaban por publicarse y proporcionadas por Wilkins) de manera deshonesta y desleal, descifran la estructura del ADN, dando la primera visión “teórica” de la estructura molecular (Watson & Crick, 1953). En el mismo volumen de la revista Nature, Rosalind Franklin (figura 4) y Wilkins de manera independiente reportan estructuras cristalográficas del ADN proporcionado una primera visión experimental de su estructura y aspectos de su posible función (Franklin & Gosling, 1953; Wilkins, M.H.F., Stokes A.R., Wilson H.R, 1953). Una década más tarde, Robert W. Holley, Har Gobind Khorana, Marshall W. Nirenberg, y sus colegas finalmente descifraron el código genético (para más detalles consultar Articulo de Gen) (Singer, 1968). En este punto, se hizo evidente cómo la información para la creación de la variedad de organismos podría ser codificado en una sola molécula compuesta de sólo cuatro diferentes bloques de construcción. Esta información sirve como punto de partida para el desarrollo de una nueva disciplina biológica: la genética molecular.

Figura 3. Esquema del trabajo que llevo a cabo Rosalind Franklin para determinar la estructura molecular del ADN (arriba). Representación artística de Rosalind Franklin (abajo-izquierda). Fotografía 51 de la cristalografía de R. Franklin con anotaciones de Pauling (a la derecha) junto con una representación del ADN con una escalera.

Referencias:

Avery, O. T., & Macleod, C. M. (1994). Studies on the Chemical Inducing Nature Types of the Substance Transformation. The Journal of Experimental Medicine, 79(2), 137–158. Retrieved from http://www.pubmedcentral.nih.gov/articlerender.fcgi?artid=2135445&tool=pmcentrez&rendertype=abstract Dahm, R. (2008). Discovering DNA: Friedrich Miescher and the early years of nucleic acid research. Human Genetics. http://doi.org/10.1007/s00439-007-0433-0 Franklin, R. E., & Gosling, R. G. (1953). Molecular Configuration in Sodium Thymonucleate. Nature. http://doi.org/10.1038/171740a0

Fraser, G. R. (2001). Gregor Mendel. In Encyclopedia of Genetics (pp. 1168–1171). http://doi.org/10.1006/rwgn.2001.0813 Hershey, A. D., & Chase, M. (1952). Independent functions of viral protein and nucleic acid in growth of bacteriophage. Journal of General Physiology, 36(1), 39–56. http://doi.org/Doi 10.1085/Jgp.36.1.39 Jones, M. E. (1953). Albrecht Kossel, a biographical sketch. The Yale Journal of Biology and Medicine, 26(1), 80–97. Maderspacher, F. (2008). Theodor Boveri and the natural experiment. Current Biology. http://doi.org/10.1016/j.cub.2008.02.061 Miko, I. (2008). Gregor Mendel and the Principles of Inheritance. Nature Education, 1(1), 1–6. Retrieved from http://www.nature.com/scitable/nated/topicpage/gregor-mendel-and-the-principles-of-inheritance-593 Paweletz, N. (2001). Walther Flemming: pioneer of mitosis research. Nature Reviews. Molecular Cell Biology, 2(1), 72–75. http://doi.org/10.1038/35048077 Ramirez, G. J., Hulston, N. J., & Kovac, A. L. (2015). Walter Sutton: Physician, Scientist, Inventor. Journal of Anesthesia History, 1(1), 25–29. http://doi.org/10.1016/j.janh.2014.11.002 Singer, M. F. (1968). 1968 Nobel Laureate in Medicine or Physiology. Science (New York, N.Y.), 162(3852), 433–6. Retrieved from http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/4878932 Watson, J., & Crick, F. (1953). Molecular structure of nucleic acids. Nature., 171(4356), 737–8. http://doi.org/10.1038/171737a0 Wilkins, M.H.F., Stokes A.R., Wilson H.R. (1953). Molecular Structure of Deoxypentose Nucleic Acids. Nature. http://doi.org/10.1038/171738a0

Cómo citar: Checa Rojas, A. (2017, 09 de Mayo ) ADN: rápida revisión desde Mendel hasta Rosalind Franklind. Conogasi, Conocimiento para la vida. Fecha de consulta: Octubre 30, 2024

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