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7/21/2019 Freeman Cap4 http://slidepdf.com/reader/full/freeman-cap4 1/15 UNIDAD 1 LAS MOLÉCULAS DE LA VIDA 67 vida empezó con el DNA? Antes de intentar contestar a estas preguntas, consideremos una cuestión aún más básica: ¿cómo se podría saber cuándo se convirtió en vida una molécula? Dicho de otro modo, ¿qué es la vida? Como muchas preguntas sencillas, el asunto de qué define a la vida no tiene una respuesta fácil. Aunque no hay una defini- ción precisa de qué es lo que constituye la vida, la mayoría de los biólogos señala dos atributos para diferenciar la vida de la no vida. El primero es la reproducción, la capacidad de algo de hacer una copia de sí mismo. (En los organismos con repro- ducción asexual, la copia es exacta. En el caso de organismos con reproducción sexual, la copia no es exacta. Por el contra- rio, se combinan rasgos de los individuos macho y hembra para producir la descendencia.) En resumen, este capítulo trata de la primera molécula que pudo copiarse a sí misma. Los nucleótidos son monómeros compuestos por un azúcar, un grupo fosfato y una base nitrogenada.Los ribonucleótidos se polimerizan para formar el RNA.Los desoxirribonucleótidos se polimerizan para formar el DNA. La estructura primaria del DNA consiste en una secuencia de bases nitrogenadas que contienen información en forma de un código molecular.La estructura secundaria del DNA consiste en dos hebras de DNA de direcciones opuestas. Las hebras se mantienen unidas mediante el emparejamiento de bases complementarias,y están retorcidas formando una doble hélice. La estructura primaria del RNA también consiste en una secuencia de bases nitrogenadas que contienen información en forma de un código molecular.Su estructura secundaria incluye dobles hélices cortas y unas estructuras llamadas horquillas.Las moléculas de RNA denominadas ribozimas catalizan importantes reacciones químicas. 4 Concepto clave Información destacada Para practicar E l Capítulo 3 comenzaba con las pruebas experimentales de que la evolución química produjo los monómeros llamados aminoácidos y sus polímeros, llamados pro- teínas. Pero el capítulo terminaba afirmando que, aunque las proteínas sean las moléculas obreras de las células actuales, pocos investigadores siguen apoyando la hipótesis de que la vida comenzó como una molécula proteica. Por el contrario, la gran mayoría de biólogos piensa en la actualidad que la vida empezó como un polímero llamado ácido nucleico y, en concreto, una molécula de ácido ribonucleico (RNA). Esta propuesta se denomina hipótesis del mundo de RNA. Pero, ¿qué es un ácido nucleico? ¿Cómo podría haber producido la evolución química estos tipos de moléculas? ¿Qué hacen los ácidos nucleicos RNA y DNA (ácido desoxirribonucleico) en las células actuales, y por qué no es plausible plantear que la Modelo volumétrico del ácido desoxirribonucleico, o DNA.El DNA funciona como un depósito de información.Sin embargo,el ácido nucleico llamado ácido ribonucleico, o RNA, fue probablemente el responsable del origen de la vida. Los ácidos nucleicos y el mundo del RNA

Author: eduardo-escobar-alvarez

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  • UNIDAD 1LAS MOLCULAS DE LA VIDA

    67

    vida empez con el DNA? Antes de intentar contestar a estaspreguntas, consideremos una cuestin an ms bsica: cmose podra saber cundo se convirti en vida una molcula?Dicho de otro modo, qu es la vida?

    Como muchas preguntas sencillas, el asunto de qu define ala vida no tiene una respuesta fcil. Aunque no hay una defini-cin precisa de qu es lo que constituye la vida, la mayora delos bilogos seala dos atributos para diferenciar la vida de lano vida. El primero es la reproduccin, la capacidad de algo dehacer una copia de s mismo. (En los organismos con repro-duccin asexual, la copia es exacta. En el caso de organismoscon reproduccin sexual, la copia no es exacta. Por el contra-rio, se combinan rasgos de los individuos macho y hembrapara producir la descendencia.) En resumen, este captulo tratade la primera molcula que pudo copiarse a s misma.

    Los nucletidos son monmeroscompuestos por un azcar, un grupo fosfatoy una base nitrogenada. Los ribonucletidosse polimerizan para formar el RNA. Losdesoxirribonucletidos se polimerizan para formar el DNA.

    La estructura primaria del DNA consiste enuna secuencia de bases nitrogenadas quecontienen informacin en forma de uncdigo molecular. La estructura secundariadel DNA consiste en dos hebras de DNA dedirecciones opuestas. Las hebras semantienen unidas mediante elemparejamiento de basescomplementarias, y estn retorcidasformando una doble hlice.

    La estructura primaria del RNA tambinconsiste en una secuencia de basesnitrogenadas que contienen informacin enforma de un cdigo molecular. Suestructura secundaria incluye dobles hlicescortas y unas estructuras llamadashorquillas. Las molculas de RNAdenominadas ribozimas catalizanimportantes reacciones qumicas.

    4

    Concepto clave Informacin destacada Para practicar

    El Captulo 3 comenzaba con las pruebas experimentalesde que la evolucin qumica produjo los monmerosllamados aminocidos y sus polmeros, llamados pro-tenas. Pero el captulo terminaba afirmando que, aunque lasprotenas sean las molculas obreras de las clulas actuales,pocos investigadores siguen apoyando la hiptesis de que lavida comenz como una molcula proteica. Por el contrario,la gran mayora de bilogos piensa en la actualidad que lavida empez como un polmero llamado cido nucleico y, enconcreto, una molcula de cido ribonucleico (RNA). Estapropuesta se denomina hiptesis del mundo de RNA. Pero,qu es un cido nucleico? Cmo podra haber producido laevolucin qumica estos tipos de molculas? Qu hacen loscidos nucleicos RNA y DNA (cido desoxirribonucleico) enlas clulas actuales, y por qu no es plausible plantear que la

    Modelo volumtrico del cido desoxirribonucleico, o DNA. El DNA funciona como un depsito de informacin. Sin embargo, el cido nucleico llamado cido ribonucleico,o RNA, fue probablemente el responsable del origen de la vida.

    Los cidos nucleicos y el mundo del RNA

  • 68 Unidad 1 Las molculas de la vida

    No obstante, para que algo est vivo la mayora de los bi-logos insiste en que tenga un segundo atributo llamado meta-bolismo, que es la capacidad de adquirir molculas especficasy utilizarlas en reacciones qumicas controladas que manten-gan las condiciones apropiadas para la vida y contribuyan asu crecimiento. En los organismos actuales, las reacciones qu-micas estn controladas con precisin porque las enzimas ylos reactantes estn contenidos dentro de una clula gracias ala membrana plasmtica. Para muchos bilogos, entonces, lapresencia de una membrana plasmtica tambin es necesariapara la vida.

    Segn la teora de la evolucin qumica, estos dos atributosde la vida no surgieron simultneamente. Por el contrario, lateora predice que la evolucin qumica provoc primero la existencia de una molcula que poda copiarse a s misma.Algunos investigadores plantean que esta molcula autorrepli-cante tambin tena metabolismo, ya que tena que ser capazde catalizar las reacciones de polimerizacin que la permitie-ran copiarse. Despus, sostiene la teora, un descendiente deesta molcula qued rodeado por una membrana. Este acon-tecimiento cre la primera clula. La formacin de la clulapermiti que los reactantes quedaran encerrados. Como resul-tado, posibilit un control preciso de las reacciones.

    La idea clave es que la vida empez con la replicacin ydespus se hizo celular. Para distinguir entre un autorrepli-cante desnudo (sin membrana) de las formas posteriores, ce-lulares, de la verdadera vida, este captulo considera al

    autorreplicante como la primera entidad viviente o la primeraforma de vida, pero no el primer organismo. El trmino orga-nismo se reserva para la vida basada en clulas. Esta distin-cin no es trivial. Las molculas autorreplicantes desnudasexistieron indudablemente al principio de la historia de la Tie-rra, y los investigadores crearn una en el laboratorio, casicon total certeza, en un futuro no muy lejano. Pero es muchomenos probable que los bilogos sean capaces de crear vidacelular en el futuro predecible. Sern capaces los seres huma-nos de crear vida en un tubo de ensayo? La respuesta de-pende, en parte, de cmo se defina la vida.

    Para entender cmo empez la vida, es til detenerse en laqumica subyacente a la Biologa. Comenzaremos con un an-lisis de los cidos nucleicos, como monmeros, y terminare-mos con los esfuerzos investigadores actuales para crear unamolcula autorreplicante.

    4.1 Qu es un cido nucleico?

    Los cidos nucleicos son polmeros, igual que las protenas.Pero en vez de estar compuestos por monmeros llamadosaminocidos, los cidos nucleicos estn compuestos por mo-nmeros denominados nucletidos. La Figura 4.1a muestralos tres componentes de un nucletido: (1) un grupo fosfato;(2) un azcar y (3) una base nitrogenada (que contiene nitr-geno). El fosfato est unido a la molcula del azcar que, a su

    (a) Nucletido

    (b) Azcares

    (c) Bases nitrogenadas

    Grupo fosfato

    Azcar de 5 carbonos

    Base nitrogenada

    Pirimidinas

    Citosina (C) Uracilo (C) Timina (T)

    Purinas

    Adenina (A)Guanina (G)

    Ribosa Desoxirribosa

    O

    O O

    O

    P

    HH

    HOCH2 OH

    C C

    OH

    O

    H HC C

    NH2

    H

    O

    N

    NH2

    N

    NN

    H

    NH2N

    NHN

    H

    H3C

    O

    1

    23

    4

    5

    5

    1

    23

    4

    OH

    HH

    HOCH2 OH

    C C

    OH

    O

    H HC C

    1

    23

    4

    5

    H

    N

    N

    NN

    H

    ON

    NH

    O

    H

    ON

    NH

    O

    O

    FIGURA 4.1 Estructura general de un nucletido. (a) Relacin entre el grupo fosfato, el azcar y la base nitrogenada de unnucletido. Los nmeros indican la posicin de cada carbono en el anillo del azcar. La base nitrogenada se une al carbononmero 1 del anillo, mientras que el fosfato est unido al carbono nmero 5. El enlace entre el grupo fosfato y el azcar se llamaunin 5. Aunque se unen tomos de hidrgeno a los tomos de carbono del anillo (vase la parte b), los bilogos, por claridad,habitualmente los omiten en las representaciones. (b) La ribosa y la desoxirribosa son azcares similares presentes en losnucletidos. (c) Las purinas y las pirimidinas son las bases nitrogenadas. Un enlace CN las une al azcar del nucletido. Este enlacese forma en el tomo de nitrgeno que est resaltado en cada base. Las purinas son bastante ms grandes que las pirimidinas.

  • Captulo 4 Los cidos nucleicos y el mundo del RNA 69

    vez, est unida a la base nitrogenada. Un azcar es un com-puesto orgnico con un grupo carbonilo (02C5O) y variosgrupos hidroxilo (OH). Observa que el smbolo de prima() de la Figura 4.1 indica que el carbono en cuestin perte-nece al azcar y no a la base nitrogenada unida a l.

    Aunque en las clulas vivas hay una gran cantidad de nu-cletidos, los investigadores del origen de la vida se centran endos tipos: ribonucletidos y desoxirribonucletidos. Enlos ribonucletidos, el azcar es la ribosa; en los desoxirribo-nucletidos, la desoxirribosa. Como muestra la Figura 4.1b,estos dos azcares se diferencian en un nico tomo. La ri-bosa tiene un grupo OH unido al segundo carbono del ani-llo. La desoxirribosa tiene un H en el mismo lugar. Observaque desoxi significa sin oxgeno.

    Las clulas actuales tienen cuatro ribonucletidos distin-tos, y cada uno contiene una base nitrogenada diferente. Estasbases, mostradas en la Figura 4.1c, pertenecen a los grupos es-tructurales llamados purinas y pirimidinas. Los ribonucleti-dos incluyen las purinas adenina (A) y guanina (G), y las piri-midinas, citosina (C) y uracilo (U).

    Del mismo modo, en las clulas actuales se encuentran cua-tro desoxirribonucletidos distintos, que se diferencian en laestructura de sus bases nitrogenadas. Al igual que los ribonu-cletidos, los desoxirribonucletidos incluyen adenina, gua-nina y citosina. Sin embargo, en vez del uracilo, en los desoxi-rribonucletidos est presente otra pirimidina estrechamenterelacionada, llamada timina (T) (Figura 4.1c). Deberas sercapaz de dibujar un ribonucletido y un desoxirribonucle-tido, utilizando un crculo para el grupo fosfato, un pent-gono para representar el azcar, y un hexgono para la basenitrogenada. Marca los carbonos 2, 3 y 5 del azcar, yaade los tomos unidos al carbono 2.

    Podra la evolucin qumica conducir a la produccin de nucletidos?

    De acuerdo con los datos presentados en el Captulo 2, la ma-yora de los investigadores afirma que los aminocidos eranmuy abundantes al inicio de la historia de la Tierra. Hastaahora, sin embargo, nadie ha observado la formacin de un nu-cletido mediante evolucin qumica. El problema radica en losmecanismos para sintetizar el azcar y la base nitrogenada deestas molculas. Consideremos estos asuntos de uno en uno.

    Las simulaciones en el laboratorio han demostrado que sepueden sintetizar fcilmente muchos azcares en las condicio-nes que simulan el caldo prebitico. En concreto, cuando lasmolculas de formaldehdo (H2CO) se calientan en una solu-cin, reaccionan entre s para formar casi todos los azcaresque tienen cinco o seis carbonos (stos se llaman pentosas yhexosas, respectivamente). Irnicamente, la facilidad para for-mar estos azcares plantea un problema. En modernos experi-mentos, las distintas pentosas y hexosas se producen en canti-dades aproximadamente iguales, pero parece lgico predecirque la ribosa habra tenido que ser especialmente abundantepara que se formara RNA o DNA en el caldo prebitico. Siguesiendo un misterio cmo la ribosa lleg a ser el azcar domi-nante en la evolucin qumica. Los investigadores del origende la vida llaman a este asunto el problema de la ribosa.

    El origen de las pirimidinas es igualmente problemtico. Enpocas palabras, los investigadores del origen de la vida toda-va tienen que descubrir un mecanismo plausible para la snte-sis de las molculas de citosina, uracilo y timina antes del ori-gen de la vida. Las purinas, por el contrario, se sintetizanfcilmente por reacciones entre las molculas de cianuro de hi-drgeno (HCN). Por ejemplo, se ha encontrado adenina yguanina en las soluciones recuperadas tras los experimentoscon descargas elctricas.

    El problema de la ribosa y las cuestiones acerca del origende las bases pirimidnicas son dos de los retos ms importan-tes para la teora de la evolucin qumica. La investigacinsobre qu cantidades de ribosa podran haberse formado en elcaldo prebitico, al igual que de pirimidinas, contina. Pero,una vez formadas, cmo se polimerizan los cidos nucleicospara formar RNA y DNA? Esta pregunta s tiene respuesta.

    Cmo se polimerizan los nucletidos paraformar cidos nucleicos?

    Los cidos nucleicos se forman al polimerizarse los nucleti-dos. Como muestra la Figura 4.2, la reaccin de polimeriza-cin supone la formacin de un enlace entre los grupos fosfa-tos de un nucletido y el grupo hidroxilo del azcar de otronucletido. El resultado de esta reaccin de condensacin sellama unin fosfodister, o enlace fosfodister. En la Figura4.2, un enlace fosfodister une el carbono 5 de un nucletidoal carbono 3 de la ribosa del otro. Cuando los nucletidosimplicados contienen el azcar ribosa, el polmero producidose llama cido ribonucleico o, simplemente, RNA. Si los nucle-tidos contienen el azcar desoxirribosa, el polmero resul-tante es el cido desoxirribonucleico o DNA.

    5

    5

    5

    5

    + H2O

    Unin fosfodister

    OH

    O O

    O

    P

    CH2

    OH

    O

    OH3

    O

    O O

    O

    P

    CH2

    OH

    O

    OH3

    O

    O O

    O

    P

    CH2

    OH

    O

    OH3

    O

    O O

    O

    P

    CH2 O

    OH3

    Reaccin de condensacin

    FIGURA 4.2 Los nucletidos se polimerizan mediante unionesfosfodister. Los nucletidos pueden polimerizarse mediantereacciones de condensacin. El enlace resultante, entre el carbono3 de un ribonucletido y el carbono 5 de otro ribonucletido, sellama unin fosfodister.

  • 70 Unidad 1 Las molculas de la vida

    La Figura 4.3 muestra cmo la cadena de enlaces fosfodis-ter de un cido nucleico funciona como un esqueleto, anlogoal esqueleto unido por enlaces peptdicos de las protenas. Lacolumna azcar-fosfato de un cido nucleico es direccional,igual que el esqueleto peptdico de un polipptido. En unahebra de RNA o DNA, un extremo tiene un carbono 5 librey el otro extremo un carbono 3 libre, lo que significa que elcarbono no est unido a otro nucletido. Por convencin, lasecuencia de bases de una hebra de RNA o DNA siempre seescribe en la direccin 53. (Este sistema es lgico porqueen las clulas, el RNA y el DNA siempre se sintetizan en estadireccin. Las bases se aaden en el extremo 3 de la molcula

    creciente.) La secuencia de bases nitrogenadas forma la estruc-tura primaria de la molcula, anloga a la secuencia de ami-nocidos de un polipptido. Cuando los bilogos escriben lasecuencia primaria de una seccin de DNA, simplemente se-alan la secuencia de nucletidos utilizando sus abreviaturasde una sola letra. Por ejemplo, una secuencia de seis bases deDNA podra ser ATTAGC.

    En las clulas, las reacciones de polimerizacin que formanlos nucletidos estn catalizadas por enzimas. Al igual queotras reacciones de polimerizacin, el proceso es endergnico.La polimerizacin tiene lugar en las clulas porque primeroaumenta la energa libre de los monmeros nucletidos me-diante reacciones que aaden dos grupos fosfato a los ribonu-cletidos o desoxirribonucletidos, creando nucletidos tri-fosfato (Figura 4.4). De las molculas que poseen gruposfosfato unidos de esta forma se dice que estn fosforiladas.Este es un punto clave que se repite a lo largo de todo estelibro: la adicin de uno o ms grupos fosfato aumenta la ener-ga potencial de las molculas del sustrato lo suficiente comopara hacer posible una reaccin endergnica (en el Captulo 9se explica cmo sucede esto). En el caso de la polimerizacinde cidos nucleicos, los investigadores se refieren a los nucle-tidos fosforilados como activados.

    Durante la evolucin qumica, los nucletidos activadosprobablemente se polimerizaron en las superficies de partcu-las minerales del tamao de la arcilla (de grano muy fino). Enuna serie de experimentos anlogos a los descritos en el Cap-tulo 3 para la sntesis de protenas, los investigadores han pro-ducido molculas de RNA incubando ribonucletidos activa-dos con minsculas partculas minerales. La hiptesis era quela polimerizacin podra ocurrir sin una enzima si los ribonu-

    La secuencia de bases presentes en una hebra de RNA se escribe en ladireccin 5 3

    5

    Carbonos 3 y 5 unidos por enlaces fosfodister

    Esqueleto de azcar-fosfato

    del RNA

    Carbono 3 sin unir. Los nuevos nucletidos se aaden en este punto

    O O

    O

    O

    P

    CH2

    OH

    O

    O O

    O

    P

    CH2

    OH

    O O

    O

    O

    P

    CH2

    OH

    O O

    O

    O

    P

    CH2

    OH OH

    NH2

    NH2

    O

    O

    NH2

    O

    O

    N

    NN

    NHN

    NN

    N

    N

    N

    NH

    N

    O

    O

    O

    O

    3

    3

    3

    3

    3

    5

    5

    5

    5

    Bases nitrogenadas

    FIGURA 4.3 El RNA tiene un esqueleto de azcar-fosfato.

    EJERCICIO Identifica las cuatro bases de esta hebra de RNA,utilizando la Figura 4.1c como gua. A continuacin, escribe lasecuencia de bases, empezando por el extremo 5.

    base

    3

    5O

    O

    O

    P

    O

    O

    O

    P

    O

    O O

    O

    P CH2

    OH

    O

    OH

    La adicin de grupos fosfato aumenta la energa potencial del monmero.

    FIGURA 4.4 Los monmeros activados provocan reaccionesde polimerizacin endergnicas. Las reacciones depolimerizacin de los ribonucletidos son endergnicas. Pero lasreacciones de polimerizacin con ribonucletidos trifosfato sonexergnicas.

    EJERCICIO La reaccin mostrada en la Figura 4.2 no sucederealmente: solo los nucletidos trifosfato como el aqu mostradopueden formar enlaces fosfodister con otros nucletidos o conlos cidos nucleicos. Aade dos grupos fosfato al nucletido dela Figura 4.2 para que la reaccin sea realista. En el lado derechode la reaccin, los productos deberan incluir los dos gruposfosfato.

  • Captulo 4 Los cidos nucleicos y el mundo del RNA 71

    cletidos y las hebras crecientes de RNA se adheran a las par-tculas de arcilla. En un experimento, los investigadores aisla-ron las partculas de arcilla tras un da de incubacin, y des-pus aadieron un conjunto nuevo de nucletidos activados.Repitieron esta secuencia de reaccin-aislamiento-reaccindurante un total de 14 das, o 14 adiciones de nuevos ribonu-cletidos. Al final de las dos semanas que dur el experi-mento, analizaron las partculas minerales mediante tcnicasllamadas electroforesis en gel y autorradiografa (vase Bio-Habilidades 7 al final de este libro), y encontraron molculasde RNA de hasta 40 nucletidos. Basndose en estos resulta-dos, hay un gran consenso respecto a que, si pudieron for-marse ribonucletidos y desoxirribonucletidos durante laevolucin qumica, seran capaces de polimerizarse y formarRNA y DNA. Ahora bien, cmo seran esos nucletidos?,qu podran hacer?

    en la estructura primaria, determinan por qu el DNA y elRNA tienen distintas funciones en los organismos. Analice-mos primero la estructura secundaria y la funcin del DNA,para despus sumergirnos en la estructura secundaria y la fun-cin del RNA.

    Cmo es la estructura secundaria del DNA?

    La solucin a la estructura secundaria del DNA, publicada en1953, es uno de los mayores hitos cientficos del siglo XX.James Watson y Francis Crick presentaron un modelo de la es-tructura secundaria del DNA en un artculo de una sola p-gina publicado en Nature. En ese momento, Watson era un es-tudiante de postdoctorado de 25 aos, y Crick, un licenciadode 37 aos.

    El hallazgo de Watson y Crick fue una hiptesis basadaen una serie de resultados de otros laboratorios. Estaban in-tentando proponer una estructura secundaria que pudieraexplicar varias observaciones importantes acerca del DNAcelular:

    Los qumicos haban descubierto la secuencia de nucleti-dos y saban que el DNA se polimerizaba mediante la for-macin de enlaces fosfodister. As pues, Watson y Cricksaban que la molcula tena un esqueleto de azcar-fos-fato.

    Mediante el anlisis de las bases nitrogenadas en muestrasde DNA de distintos organismos, Erwin Chargaff haba es-tablecido dos reglas empricas: (1) el nmero total de puri-nas y pirimidinas en al DNA es el mismo; y (2) el nmerode T es igual al de A en el DNA, y los nmeros de C y de Gson iguales.

    Bombardeando el DNA con rayos X y analizando cmo diseminaba la radiacin, Rosalind Franklin y Maurice Wil-kins haban calculado las distancias entre grupos de to-mos en la molcula (vase una introduccin a esta tcnica,llamada cristalografa por rayos X, en BioHabilidades 8).Los patrones de diseminacin mostraron que tres dis-tancias se repetan muchas veces: 0,34 nanmetros (nm),2,0 nm y 3,4 nm. Como las medidas se repetan, los inves-tigadores dedujeron que las molculas de DNA tenan unaestructura regular y repetitiva. El patrn de diseminacinde los rayos X sugera que la molcula era una hlice o unaespiral.

    Segn estos trabajos, conocer la estructura del DNA supo-na conocer la estructura de la hlice implicada. Qu tipo dehlice tendra un esqueleto de azcar-fosfato y explicara lasreglas de Chargaff y las mediciones de Franklin-Wilkins?

    Para responder a esta pregunta, Watson y Crick empezaronanalizando el tamao y la geometra de la desoxirribosa, losgrupos fosfato y las bases nitrogenadas. Los ngulos de giro ylas mediciones indicaban que la distancia de 2,0 nm represen-taba la anchura de la hlice y que 0,34 nm probablemente erala distancia entre las bases apiladas en una espiral. Despustuvieron que aplicar las reglas de Chargaff y la distancia de3,4 nm, que pareca ser exactamente 10 veces la distanciaentre un par de bases.

    Comprueba si lo has entendido

    Si entiendes que...

    Los nucletidos son monmeros compuestos por un azcar,un grupo fosfato y una base nitrogenada.

    Los nucletidos se polimerizan para formar cidos nucleicosmediante la formacin de enlaces fosfodister entre elcarbono 3 de un nucletido y el carbono 5 de otro.

    Deberas ser capaz de...

    1) Dibujar un diagrama simple del enlace fosfodister entredos nucletidos.

    2) Indicar la polaridad 5-3.

    3) Marcar el esqueleto de azcar-fosfato.

    4) Sealar dnde se aadira el siguiente nucletido a lacadena.

    4.2 Estructura y funcin del DNA

    Los cidos nucleicos tienen una estructura primaria algo pa-recida a la de las protenas. Las protenas tienen un esque-leto unido por enlaces peptdicos con una serie de grupos Rque salen de l; las molculas de DNA y RNA tienen un es-queleto de azcar-fosfato, creado por enlaces fosfodister, yuna secuencia de cuatro bases nitrogenadas que salen de l.Recuerda que las estructuras primarias del DNA y el RNAse diferencian en dos aspectos fundamentales: el azcar delDNA es la desoxirribosa en vez de la ribosa del RNA, y elRNA contiene la base nitrogenada uracilo en vez de la ti-mina del DNA.

    El DNA y el RNA tambin tienen estructura secundaria,anloga a la estructura secundaria de las protenas. Pero lasestructuras secundarias que se forman en el DNA y el RNAson diferentes y distintas de las observadas en las protenas.Las distintas estructuras secundarias, junto con las diferencias

  • 72 Unidad 1 Las molculas de la vida

    Para resolver este problema, Watson y Crick construye-ron una serie de modelos fsicos como el de la fotografa dela Figura 4.5. Construir esos modelos les permiti manejardistintos tipos de configuraciones helicoidales. Tras muchospasos en falso, se les ocurri una idea que pareca promete-dora. Dispusieron una hebra de DNA al lado de otra, endirecciones opuestas, lo que significa que una hebra iba en ladireccin 5 3 mientras que la otra estaba orientada3 5. A las hebras con esta direccin se las llama antipa-ralelas. Watson y Crick descubrieron que, si las hebras anti-paralelas se enrollaban para formar una doble hlice, los es-queletos de azcar-fosfato enrollados quedaban en el exteriorde la espiral, y las bases nitrogenadas, en el interior. Pero paraque las bases de cada elemento cupieran en el interior de la es-tructura de 2,0 nm de ancho, tenan que formar parejas de pu-

    rina-pirimidina (Figura 4.6a). Con esta idea vino una revela-cin fundamental: dentro de la doble hlice, las bases se aline-aban de tal manera que permitan la formacin de enlaces dehidrgeno entre ciertas purinas y pirimidinas. En concreto, laadenina poda formar enlaces de hidrgeno con la timina, y la guanina poda formar enlaces de hidrgeno con la citosina(Figura 4.6b). Por esta especificidad, a las bases A-T y G-C se las llam complementarias. Cuando se emparejan A y T seforman dos enlaces de hidrgeno, pero se forman tres enlacesde hidrgeno al emparejarse G y C. Como resultado, la inte-raccin G-C es ligeramente ms fuerte que el enlace A-T.

    Watson y Crick haban descubierto el fenmeno conocidocomo emparejamiento de bases complementarias.De hecho,el trmino emparejamiento de Watson y Crick se usa ac-tualmente como sinnimo de emparejamiento de bases com-plementarias.

    La Figura 4.7 muestra cmo se forman las hebras antipa-ralelas de DNA cuando las bases complementarias se alineany forman enlaces de hidrgenos. Cuando estudies la figura,observa que el DNA est representado como una escalera demano cuyos extremos se han enrollado en direcciones opues-tas. El esqueleto de azcar-fosfato forma los soportes verti-cales de la escalera; los pares de bases representan los pelda-os. El enrollamiento tiene lugar porque hace que las basesnitrogenadas se alineen de tal manera que permitan la for-macin de enlaces de hidrgeno entre ellas. Las bases nitro-genadas del centro de la hlice de DNA tambin se apilan li-geramente una encima de otra. Este empaquetado compactoposibilita la formacin de interacciones hidrfobas entre lasbases. Globalmente, la molcula es hidrosoluble, no obs-tante, porque los esqueletos de azcar-fosfato del exterior dela molcula estn cargados negativamente y, por tanto, sonhidrfilos.

    FIGURA 4.4 Construccin de un modelo fsico de la estructuradel DNA. Watson (izquierda) y Crick (derecha) representaron ladisposicin de los cuatro desoxirribonucletidos en una doblehlice, utilizando alambres con geometras y longitudes precisas.

    H

    (a) Slo las parejas purina-pirimidina caben dentro de la doble hlice.

    Espacio entre los esqueletos de azcar-fosfato

    Pareja purina-purinaNO HAY ESPACIO SUFICIENTE

    Pareja pirimidina-pirimidinaQUEDA DEMASIADO ESPACIO LIBRE

    Pareja purina-pirimidinaPERFECTO

    (b) Se forman enlaces de hidrgeno entre las parejas G-C y A-T.

    CitosinaGuanina

    TiminaAdenina

    El DNA contiene tiamina, mientras que el RNA tiene uracilo

    N

    N

    N

    N

    N

    N

    Esq

    uele

    to d

    e az

    car

    -fos

    fato

    5 3

    53

    Enlaces de hidrgeno

    O

    O CH3

    H

    O

    HN

    H

    ON

    H

    N

    H

    HH

    H

    H

    H

    H

    H

    H

    N

    N

    N

    N N

    NFIGURA 4.6 El emparejamiento de bases complementarias seproduce mediante enlaces de hidrgeno. (a) Solo las parejaspurina-pirimidina encajan eficazmente dentro de la doble hlice.(b) Se forman enlaces de hidrgeno cuando la guanina se emparejacon la citosina, y la adenina con la timina.

  • Captulo 4 Los cidos nucleicos y el mundo del RNA 73

    Tambin es importante destacar que el exterior de la mol-cula helicoidal de DNA forma dos tipos de surcos y que lostipos tienen distinto tamao. El ms grande de los dos se co-noce como surco mayor, y el pequeo se llama surco menor.La Figura 4.8 destaca esos surcos y muestra cmo la estruc-tura secundaria del DNA explica las medidas que observaronFranklin y Wilkins (vase el Cuadro 4.1).

    Desde que se public el modelo de la doble hlice, las prue-bas experimentales han demostrado que la hiptesis es co-rrecta en prcticamente todos los detalles. La estructura se-cundaria del DNA consiste en dos hebras antiparalelasenrolladas en una doble hlice. La molcula se estabiliza me-diante interacciones hidrfobas entre las bases de su interior yenlaces de hidrgeno entre los pares de bases complementa-rias A-T y G-C. Si entiendes la estructura secundaria delDNA, deberas ser capaz de explicar por qu existen los sur-cos mayor y menor, y por qu las hebras son antiparalelas yno paralelas. Ahora, la pregunta es: cmo afecta esta estruc-tura secundaria a la funcin de la molcula?

    El DNA es una molcula que contieneinformacin

    El modelo de Watson y Crick caus sensacin porque revelcmo el DNA poda almacenar y transmitir informacin bio-lgica. En la literatura, la informacin consiste en letras enuna pgina. En la msica, la informacin est compuesta por

    las notas de una escala. Pero en las clulas, la informacin con-siste en monmeros de un cido nucleico. Las cuatro bases ni-trogenadas funcionan como las letras del alfabeto. Una se-cuencia concreta de bases es como la secuencia de letras en unapalabra: tiene significado. En todas las clulas estudiadas hastaahora, desde minsculas bacterias hasta gigantescas secuoyas,el DNA lleva la informacin necesaria para el crecimiento yla reproduccin del organismo. Los captulos 15 al 18 se ocu-

    C

    C

    A

    5

    5 3

    AT

    T

    AT

    AT

    A T

    A T

    A

    A

    T

    T

    C G

    G

    G

    G

    C G

    C G

    3

    AT

    A T

    AT

    AT

    T A

    T A

    T A

    T A

    G C

    G C

    CG

    C

    C G

    G C

    G

    G C

    3 5

    5 3

    Dibujo del emparejamientode bases

    Dibujo de la doble hlice

    FIGURA 4.7 La estructura secundaria del DNA es una doblehlice. El emparejamiento de bases complementarias es elresponsable de enrollar el DNA en una doble hlice.

    Anchura de la hlice: 2,0 nm

    Longitud de una vuelta completa de la hlice (10 peldaos por vuelta): 3,4 nm

    Distancia entre bases: 0,34 nm

    Surco menor

    Surco mayor

    35

    35

    FIGURA 4.8 Dimensiones de la estructura secundaria del DNA.La hiptesis de la doble hlice explica las medidas deducidas delanlisis de molculas de DNA mediante rayos X.

    PREGUNTA Qu representan los pentgonos rojos y las bolitasamarillas? Y las lneas de puntos verdes y morados?

  • 74 Unidad 1 Las molculas de la vida

    pan de cmo se codifica esta informacin y se traduce en ac-ciones.

    En este captulo, no obstante, nos centramos en el inicio dela vida. La teora de la evolucin qumica sostiene que la vidaempez con una molcula autorreplicante, una molcula quepoda copiarse a s misma. La Figura 4.9 muestra cmo sepuede hacer una copia de DNA mediante el emparejamientode bases complementarias. En el paso 1 de este diagrama, elcalentamiento o las reacciones enzimticas hacen que la doblehlice se separe. En el paso 2, los desoxirribonucletidos li-bres forman enlaces de hidrgeno con las bases complementa-rias de la hebra original de DNA, tambin llamada hebraplantilla. Cuando lo hacen, sus grupos azcar-fosfato formanuniones fosfodister para crear una nueva hebra, tambin lla-mada hebra complementaria. Observa que la direccin 53de la hebra complementaria es opuesta a la de la hebra planti-lla. De esta forma, el emparejamiento de bases complementa-rias permite copiar con exactitud cada hebra de un DNA dedoble hlice, produciendo las dos molculas hijas mostradasen el paso 3. As pues, el DNA contiene la informacin nece-saria para realizar una copia de s mismo.

    Watson y Crick terminaban su artculo sobre la doble h-lice con una de las infravaloraciones clsicas de la literaturacientfica: No hemos podido dejar de observar que el empa-rejamiento especfico que hemos propuesto indica un posiblemecanismo de copia. La idea central es que la estructura pri-maria del DNA sirve de molde o plantilla para la sntesis deuna hebra complementaria.

    en www.masteringbio.com

    Nucleic Acid Structure

    No obstante, en las clulas actuales el DNA no se autorre-plica espontneamente. Por el contrario, la molcula se copiamediante una complicada serie de reacciones catalizadas porun gran conjunto de enzimas. De acuerdo con estos datos, losinvestigadores consideran extremadamente improbable queuna molcula de DNA empezara a copiarse a s misma al ini-cio de la historia de la Tierra. A continuacin se explica elporqu.

    Es el DNA una molcula cataltica?

    El DNA de doble hlice es una molcula muy estructuradaque es mucho ms estable que el RNA y la mayora de las pro-tenas. El DNA es regular y simtrico, con pocos grupos qu-micos expuestos que pudieran participar en reacciones qumi-cas. Por ejemplo, la ausencia del grupo hidroxilo 2 en losdesoxirribonucletidos (vase la Figura 4.1b) hace al pol-mero mucho menos reactivo que el RNA y muy resistente a ladegradacin qumica. Todas estas caractersticas aumentan laestabilidad del DNA y, por tanto, su eficacia como una mol-cula fiable para transportar informacin. Se han recuperadofragmentos intactos de DNA de fsiles de decenas de miles deaos. A pesar de la muerte y la exposicin a muchas y diver-sas condiciones qumicas, pH y temperatura, las molculastienen la misma secuencia de bases que posean los organis-mos cuando estaban vivos.

    Web Animation

    C

    A

    A

    C

    G

    C

    A

    G

    A

    A

    C

    G

    C

    A

    G

    5

    5 3

    3

    55

    33 5 5

    3 3

    3 55 3

    5 5 33

    A

    G

    1. Si se rompen los enlaces de hidrgeno entre las parejas de bases complementarias, la hlice de DNA puede separarse.

    2. Cada hebra de DNA puede servir de plantilla para la formacin de una nueva hebra. Se unen nucletidos libres emparejndose segnlas bases complementarias.

    3.Cuando las nuevas hebras se polimerizan para formar el esqueleto de azcar-fosfato, se restaura la estructura secundaria.

    EL DNA FORMA UNA PLANTILLA PARA SU PROPIA SNTESIS

    Nueva NuevaAntigua Antigua

    A

    A T

    T

    A

    A

    T

    T

    G

    C

    C

    G

    CG

    G

    C G

    C

    A

    T

    T

    G

    G

    C

    G

    C G

    C

    C

    A

    A T

    C

    G

    G

    G C

    T

    A

    T

    CG

    C

    GC

    A T

    AT

    C G

    G C

    C

    T A

    A

    C G

    C

    G

    G

    C

    T

    C

    A T

    T

    G

    G

    C

    G

    C G

    C

    C

    A

    Conclusin: Se ha copiado la molcula original. Cada copia tiene una hebra de la molcula de DNA original y otra hebra nueva.

    FIGURA 4.9 Produccin de una copia de DNA. Si se aadennuevas bases a cada una de las dos hebras del DNA mediante elemparejamiento de bases complementarias, se puede producir unacopia de la molcula de DNA.

    PREGUNTA Cuando se calienta el DNA de doble hebra a 95 C,se rompen los enlaces entre las parejas de bases complementarias y se forma DNA de una hebra. Basndose en esta observacin, esendergnica o exergnica la reaccin mostrada en el paso 1?

  • Captulo 4 Los cidos nucleicos y el mundo del RNA 75

    Sin embargo, el orden y la estabilidad que hacen que elDNA sea un depsito de informacin tan fiable lo conviertenen extraordinariamente incapaz para la catlisis.

    Recuerda del Captulo 3 que la funcin enzimtica se basaen una unin especfica entre un sustrato y un catalizadorproteico. Gracias a la enorme diversidad de estructuras pro-teicas, desde la primaria hasta la cuaternaria, puede produ-cirse un gran nmero de uniones.

    En comparacin, la estructura primaria y secundaria delDNA es muy simple. No es de extraar, entonces, que nuncase haya observado al DNA catalizando una reaccin en unorganismo.

    Aunque los investigadores han sido capaces incluso deconstruir molculas de DNA de una hebra que catalizan unaspocas reacciones sencillas en el laboratorio, el nmero y lavariedad de las reacciones implicadas es una fraccin mins-cula de la actividad catalizada por las protenas.

    En resumen, el DNA conlleva una plantilla extraordina-riamente estable para copiarse a s mismo. Pero, debido a suincapacidad de funcionar como un catalizador eficaz, prc-ticamente ningn investigador apoya la hiptesis de que laprimera forma de vida consisti en DNA. Por el contrario,la mayora de los bilogos que estn trabajando en el origende la vida apoya la hiptesis de que la vida empez con elRNA.

    El descubrimiento de la doble hlice fueun avance muy importante al inicio de ladcada de 1950, porque los experimen-tos realizados en los aos 40 (descritos endetalle en el Captulo 14) haban estable-cido que el DNA es el material heredita-rio. Dicho de otro modo, los cientficosacababan de descubrir que los genesestn hechos de DNA. Inmediatamentedespus, conocer la estructura del DNA seconvirti en la cuestin en Biologa. Losinvestigadores que trabajaban en estetema saban, casi con total certeza, que seconcedera la mayor distincin de la cien-cia (el Premio Nobel) al primero en descu-brir la estructura correcta. La carrera es-taba servida: muchos de los cientficosms brillantes y clebres del momentoestaban implicados, en distintos laborato-rios de todo el mundo.

    Aunque discutible, el punto ms im-portante de la investigacin fueron lasimgenes de rayos X del DNA que consi-guieron Wilkins y Franklin. Recuerda que

    esas fotografas hicieron posible realizarmediciones y deducciones crticasacerca de la estructura de la molcula.Aunque, razonablemente, Wilkins y Fran-klin se reparten el honor de este trabajo,en realidad no cooperaron estrecha-mente. Fue Franklin quien tom las foto-grafas que condujeron al descubri-miento de que el DNA es helicoidal, perofue Wilkins quien mostr esas fotogra-fas a Watson y Crick. Y lo hizo sin el co-nocimiento ni el permiso de Franklin.Hoy en da, esa conducta se considerarauna forma grave de mala praxis profesio-nal. Otro aspecto interesante de esta his-toria es que Linus Pauling, sin duda elmejor bioqumico del siglo, tambin es-taba trabajando en el tema en ese mo-mento, pero se le deneg el permisopara viajar de Estados Unidos a Inglate-rra a observar los datos. Estados Unidosse encontraba entonces inmerso en laguerra fra, y el Departamento de Estadode EE.UU. haba anulado el pasaporte de

    Pauling porque sus ideas polticas seconsideraron demasiado liberales.

    Como era de esperar, Watson y Crick,junto con Wilkins, recibieron el PremioNobel en 1962, una vez confirmado queel modelo de la doble hlice era correctomediante trabajos experimentales. Des-graciadamente, Franklin muri de un cn-cer ovrico en 1958, con solo 37 aos.Nunca recibi el Nobel, porque esta dis-tincin no se concede post-mortem.

    La moraleja de esta historia, si es quehay alguna, podra ser simplemente quela investigacin cientfica es una activi-dad muy humana. Adems, los tiemposhan cambiado. Aunque la competicinsigue siendo intensa, la Biologa es unadisciplina cada vez ms internacional ycooperativa; la mala praxis se detecta ha-bitualmente y se corrige con prontitud. Lavida profesional de Rosalind Franklin fuedifcil a veces porque era una mujer. En laactualidad, la mayora de los licenciadosen Biologa molecular son mujeres.

    CUADRO 4.1 El lado humano de la investigacin

    Comprueba si lo has entendido

    Si entiendes que...

    La estructura primaria del DNA consiste en una secuenciade desoxirribonucletidos.

    La estructura secundaria del DNA consiste en dos molculasde DNA en direcciones opuestas (53). Las dos hebrasestn enrolladas en una doble hlice, y se mantienen unidasmediante enlaces de hidrgeno entre los pares A-T y G-C y las interacciones hidrfobas entre tomos dentro de lahlice.

    La secuencia de desoxirribonucletidos del DNA contieneinformacin, de forma similar a la secuencia de letras ypuntuacin de esta pgina. Por el emparejamiento de basescomplementarias, cada hebra de DNA tambin contiene lainformacin necesaria para formar la hebracomplementaria.

    Deberas ser capaz de...

    Dibujar una molcula de DNA que:

    1) Indique al menos cuatro pares de bases complementarias.

    2) Marque el esqueleto de azcar-fosfato de la molcula, losenlaces de hidrgeno entre las bases complementarias, y lalocalizacin de las interacciones hidrfobas que estabilizanla hlice.

    3) Indique la orientacin 53 de cada hebra.

  • 76 Unidad 1 Las molculas de la vida

    4.3 Estructura y funcin del RNA

    Al igual que el DNA, el RNA tiene una estructura primariaconsistente en un esqueleto de azcar-fosfato formado poruniones fosfodister y, saliendo de ese esqueleto, una secuen-cia de cuatro tipos de bases nitrogenadas. Pero es importantedestacar dos diferencias significativas entre estos cidos nu-cleicos:

    1. La base tiamina, una pirimidina, no existe en el RNA. Envez de timina, el RNA contiene otra pirimidina estrecha-mente relacionada, el uracilo.

    2. El azcar del esqueleto azcar-fosfato del RNA es la ri-bosa, no la desoxirribosa como en el DNA.

    El segundo punto es crucial porque el grupo hidroxilo(OH) del carbono 2 de la ribosa es mucho ms reactivo queel tomo de hidrgeno del carbono 2 de la desoxirribosa.Este grupo funcional puede participar en reacciones que rom-pen el polmero. La presencia de este grupo OH hace que elRNA sea mucho menos estable que el DNA.

    Comparar la estructura secundaria del RNA y el DNA esigualmente instructivo. Como las molculas de DNA, la ma-yora de las molculas de RNA tiene una estructura secunda-ria resultante del emparejamiento entre bases complementa-rias entre las bases purnicas y pirimidnicas. En el RNA, laadenina forma enlaces de hidrgeno solo con el uracilo, y laguanina tambin se une mediante enlaces de hidrgeno a la ci-tosina. (La guanina tambin se puede unir al uracilo, pero conmucha menos eficacia que con la citosina.) As pues, los paresde bases complementarias en el RNA son A-U y G-C. Entreguanina y citosina se forman tres enlaces de hidrgeno, perosolo dos entre adenina y uracilo.

    En qu se diferencian las estructuras secundarias del RNAy el DNA? En la inmensa mayora de los casos, las purinas ylas pirimidinas del RNA forman enlaces de hidrgeno conbases complementarias de la misma hebra, en vez de formarenlaces de hidrgeno con las bases complementarias de unahebra diferente, como en el DNA. La Figura 4.10 muestracmo se produce esto. La clave es que cuando las bases de unaparte de la hebra de RNA se pliegan y se alinean con los ribo-nucletidos de otro segmento de la misma hebra, las dos he-bras azcar-fosfato son antiparalelas. En esta orientacin, losenlaces de hidrgeno entre bases complementarias resultan enuna doble hlice estable.

    Si la seccin donde ocurre el plegamiento incluye un grannmero de bases no unidas, entonces resulta la configuracinde tallo y lazo que muestra la Figura 4.10. Este tipo de es-tructura secundaria se llama horquilla. Hay otros tipos posi-bles de estructuras secundarias, todos de distinta longitud ydisposicin de los segmentos con bases emparejadas.

    Al igual que las hlices-a y las lminas plegadas-b presen-tes en muchas protenas, las estructuras secundarias del RNAse estabilizan mediante enlaces de hidrgeno y ocurren espon-tneamente. Aunque las horquillas y otros tipos de estructu-ras secundarias reducen la entropa de las molculas de RNA,se forman espontneamente porque la energa liberada en laformacin de los enlaces de H hace que el proceso sea favora-

    ble. La formacin de enlaces de hidrgeno es exotrmica y,globalmente, la formacin de horquillas es exergnica.

    Las molculas de RNA tambin pueden tener estructuraterciaria y cuaternaria, gracias a interacciones que pliegan laestructura secundaria en formas complejas o que mantienenunidas a distintas hebras de RNA. Como resultado, las mol-culas de RNA con distintas secuencias de bases pueden tenerformas globales y propiedades qumicas muy diferentes. Aun-que las molculas de RNA no son rivales de las protenas encuanto a diversidad estructural ni a la presencia de distintosgrupos funcionales, las molculas de RNA son mucho ms va-riables en tamao, forma y reactividad que las molculas deDNA. Estructural y qumicamente, el RNA se sita entre lacomplejidad de las protenas y la simplicidad del DNA.

    De acuerdo con estas observaciones, es lgico apuntar queel RNA tambin es intermedio en lo que respecta a su funcinen las clulas. Las molculas de RNA no pueden almacenar

    Lazo

    Bases nitrogenadas

    Hebra simple

    Doble hebra

    Tallo

    Hor

    qui

    lla

    35

    C G

    C G

    G C

    U A

    A U

    FIGURA 4.10 Emparejamiento de bases complementarias yestructura secundaria del RNA: estructuras de tallo y lazo. Estamolcula de RNA tiene estructura secundaria. El tallo de doblehebra y el lazo de hebra simple forman una horquilla. Las basesunidas del tallo son antiparalelas, lo que significa que estnorientadas en direcciones opuestas.

  • Captulo 4 Los cidos nucleicos y el mundo del RNA 77

    informacin tan eficazmente como el DNA, pero el RNA srealiza funciones clave para el procesamiento de la informa-cin. Del mismo modo, no pueden catalizar tantas reaccionescomo las protenas, pero ciertos RNA catalizan reacciones es-pecialmente importantes. Las molculas de RNA tambinestn implicadas en la defensa celular, la estructura y la regu-lacin de la respuesta celular a los cambios ambientales. Enlas clulas, las molculas de RNA funcionan como una navajamultiusos o una herramienta de bolsillo con varios aadidos:realizan un amplio grupo de funciones razonablemente bien.

    La diversidad de funciones que el RNA realiza en las clu-las ser un tema destacado en futuros captulos. Aqu nos cen-traremos en el papel que el RNA podra haber desempeadoen el origen de la vida, de entidad contenedora de informa-cin y de catalizador.

    El RNA como molcula contenedora de informacin

    Como el RNA contiene una secuencia de bases anloga a lasletras de una palabra, puede funcionar como una molculacontenedora de informacin. Y como los enlaces de hidrgenoocurren especficamente entre los pares A-U y G-C del RNA,es posible que el RNA lleve la informacin necesaria para co-piarse a s mismo. El proceso tiene lugar como se mostr parael DNA en la Figura 4.9, excepto que el RNA plantilla es unahebra simple en vez de doble. Cuando se copia el RNA, los ri-bonucletidos libres forman enlaces de hidrgeno con lasbases complementarias de la hebra original de RNA (la hebraplantilla). A medida que lo hacen, sus grupos azcar-fosfatoforman uniones fosfodister para producir la hebra comple-mentaria. Por ltimo, los enlaces de hidrgeno entre las hebrasse rompen por calor o mediante una reaccin catalizada. Lanueva molcula de RNA es entonces independiente de la hebraoriginal. Si estos pasos se repitieran utilizando la nueva hebrade plantilla, la molcula resultante sera una copia de la origi-nal. De este modo, la secuencia primaria de un RNA sirve demolde. Deberas ser capaz de dibujar los pasos implicadosen la sntesis de una hebra complementaria de RNA, anlogosa los descritos para el DNA en la Figura 4.9.

    Aunque el emparejamiento de bases complementarias per-mite al RNA transportar la informacin necesaria para copiarla molcula, el RNA no es en absoluto tan estable como dep-sito de secuencias concretas como el DNA. En el caldo prebi-tico, podra haberse copiado a s misma una molcula deDNA antes de degradarse?

    Es el RNA una molcula cataltica?

    En lo que respecta a la reactividad qumica y forma global, lasmolculas de DNA no son rivales para las protenas. La es-tructura primaria de las molculas de RNA est mucho msrestringida porque solo hay cuatro tipos de bases nitrogena-das en el RNA frente a los 21 aminocidos distintos de lasprotenas, y las molculas de RNA no pueden formar la varie-dad de enlaces que otorgan a las protenas sus diferentes es-tructuras terciarias. Pero como el RNA s tiene cierta comple-jidad estructural y qumica, debera ser capaz de estabilizar

    unos cuantos estados de transicin y catalizar al menos un n-mero limitado de reacciones qumicas. Ciertamente, SidneyAltman y Thomas Cech compartieron el Premio Nobel deQumica en 1989 por demostrar la existencia de RNA catal-tico, similar a las enzimas (ribozimas) en los organismos. Losribozimas que aislaron, de un organismo unicelular llamadoTetrahymena, catalizaban la hidrlisis y la condensacin deenlaces fosfodister. A la luz de ese descubrimiento, los inves-tigadores han encontrado ribozimas que catalizan docenas dereacciones distintas en las clulas. Por ejemplo, ribozimas quecatalizan la formacin de enlaces peptdicos cuando los ami-nocidos se polimerizan para formar polipptidos. Ahoramismo, las ribozimas estn trabajando en tus clulas.

    El descubrimiento de las ribozimas marc un antes y undespus en la investigacin acerca del origen de la vida. Antesde que Altman y Cech publicaran su descubrimiento, los bi-logos crean que las protenas eran el nico tipo de molculacapaz de catalizar reacciones qumicas en los organismos.Pero si una ribozima del Tetrahymena cataliza reacciones depolimerizacin similares a las mostradas en los pasos 1 y 2 dela Figura 4.9, surge la posibilidad de que una molcula deRNA se copie a s misma. Esa molcula podra copiarse a smisma y aspirar a la consideracin de primera entidad viva.Hay datos experimentales que apoyen esta hiptesis?

    4.4 La primera forma de vida

    La teora de la evolucin qumica mantiene que la vida comenzcomo un autorreplicante desnudo, una molcula que exista ais-lada en una solucin, sin estar rodeada por una membrana. Paracopiarse a s misma, esa primera molcula viva tena que pro-porcionar una plantilla que pudiera copiarse. Tambin tena quecatalizar reacciones de polimerizacin que uniran los monme-ros en una copia de esa plantilla. Como el RNA puede hacerambos procesos, la mayora de los investigadores del origen dela vida propone que la primera forma de vida estaba hecha de RNA. Como se mencion en la introduccin de este captulo,esa propuesta se llama hiptesis del mundo de RNA.

    Como en la actualidad no existen molculas autorreplican-tes de RNA, los investigadores ponen a prueba la hiptesis in-tentando simular el mundo de RNA en el laboratorio. El obje-tivo final es crear una molcula de RNA que pueda catalizarsu propia replicacin. Cuando se logre este objetivo, se habrcreado una forma de vida en el laboratorio.

    Para entender cmo realizan los investigadores este trabajo,consideraremos un reciente conjunto de experimentos de WendyJohnston y otros cientficos que trabajaron en el laboratorio deDavid Bartel. El objetivo de este grupo de investigacin era am-bicioso: queran crear, de la nada, una ribozima capaz de catali-zar la adicin de ribonucletidos trifosfato a una hebra existente,mediante el emparejamiento de bases complementarias. Esta ri-bozima se llamara RNA replicasa. Este programa de investiga-cin est generando mucha expectacin en los bilogos intere-sados en el origen de la vida, porque aadir ribonucletidos auna hebra creciente es un atributo clave de una RNA replicasa.

    La estrategia seguida por el grupo de Bartel est resumidaen la Figura 4.11. Cuando estudies esta figura, observa que su

  • 78 Unidad 1 Las molculas de la vida

    Pregunta: Puede una ribozima seguir una plantilla y catalizar la adicin de bases a una hebra creciente de RNA?

    Experimento

    Hiptesis: La seleccin repetida entre secuencias de RNA generadas aleatoriamente puede dar como resultado una enzima eficiente.

    Hiptesis nula: La seleccin no puede producir una enzima eficiente.

    Prediccin: Tras muchas rondas, la ribozima ser capaz de catalizar la adicin de los 14 ribonucletidos.

    Prediccin de la hiptesis nula: Ninguna de las grandes molculas de RNA producidas ser capaz de catalizar la adicin de ribonucletidos.

    Resultados:

    0 0,5 3,0 24

    +

    Autorradiografa de las molculas de RNA sintetizadas por la ribozima de la 18. ronda

    Tiempo (horas)

    2. Incubar los RNA grandes del paso 1 con pequeas plantillas de RNA que tengan un corto cebador. (La plantilla y el cebador se muestran ampliados para clarificar el emparejamiento de bases).

    3. Aislar aquellas molculas de RNA que sean las mejores catalizadoras de la adicin de nucletidos al cebador, creando as la hebra complementaria. Estas son las ribozimas.

    4. Hacer muchas copias de las ribozimas, de tal forma que cada RNA nuevo tenga un pequeo nmero de cambios en su secuencia de bases generadas aleatoriamente.

    5. Repetir los pasos 2-4 diecisiete veces.

    AA

    A A

    AG G

    G

    GG GG G

    GG G U

    U

    U U UC

    C

    CCC

    C C

    A

    G

    AGU

    U

    C C C C

    C

    C

    A A AG G G GG

    G GGG G U U U UC CCC

    14 bases no emparejadas

    Grandes molculas de RNA (posibles ribozimas)

    Hebraplantilla: 21 bases

    Hebracebador: 7 bases

    Reaccin de polimerizacin catalizada por la ribozima

    Seccin de la ribozima copiada que contiene mutaciones

    1. Generar aleatoriamente muchos miles de millones de grandes molculas de RNA, todas con su secuencia de bases nica.

    Diseo del experimento:

    GA U G A

    Conclusin: Si se la deja reaccionar durante 24 horas, la ribozima de la 18. ronda puede aadir las 14 bases al cebador, produciendo una hebra complementaria de la plantilla.

    Esta banda es de las molculas de RNA con 14 nucletidos aadidos por la ribozima

    Esta banda es del cebador

    Cambios de la secuencia de bases

    3

    3

    5

    5

    5

    3

    3

    5

    FIGURA 4.11 Seleccin de una nueva ribozima. Los investigadores utilizan variantes de este protocolo para producirribozimas que pueden catalizar muchas reacciones.

  • Captulo 4 Los cidos nucleicos y el mundo del RNA 79

    procedimiento mimetiza bsicamente el proceso de seleccinnatural introducido en el Captulo 1. Por ejemplo, los investi-gadores comenzaron los experimentos estableciendo una granpoblacin de molculas de RNA, de estructura y funcin va-riable, anloga a una gran poblacin de organismos de distin-tas caractersticas. En este caso, los investigadores crearon mi-llones de molculas grandes de RNA que contenan secuenciasprimarias generadas de forma aleatoria. Incubaron esos RNAgrandes, recin sintetizados, con un pequeo RNA ceba-dor, similar a los RNA cortos que se unen a las hebras plan-tilla cuando el RNA se est sintetizando en las clulas.Cuando se dej que los RNA grandes y los cebadores reaccio-naran con un gran grupo de ribonucletidos libres, los inves-tigadores encontraron que algunas de las molculas grandespodan catalizar la adicin de unos pocos ribonucletidos queeran complementarios a las bases de la plantilla. En este expe-rimento de primera ronda, la polimerizacin no fue muyrpida ni precisa, pero existi. A partir de su conjunto inicialde millones de molculas generadas al azar, el equipo de Bar-tel haba descubierto una ribozima que poda catalizar la sn-tesis de RNA.

    Para seguir con el experimento, los investigadores aislaronlas ribozimas de la primera ronda. Este paso era anlogo ala seleccin natural, porque solo ciertas variantes sobrevivie-ron para producir descendencia. Para crear esta descenden-cia, que significara la siguiente generacin de ribozimas, elequipo de Bartel copi las molculas seleccionadas de formaque se introdujeron unos pocos cambios aleatorios en la se-cuencia de bases. Estos cambios eran anlogos a los tipos de

    mutaciones que tienen lugar en cada generacin en las pobla-ciones naturales. La mutacin es un proceso aleatorio queproduce nuevos rasgos. Cuando los investigadores incubaronlas ribozimas modificadas con un nuevo RNA plantilla, en-contraron que la mayora de las ribozimas modificadas fun-cionaba peor que las originales. No obstante, algunas funcio-naban mejor.

    Los investigadores seleccionaron las mejores de estas ribo-zimas de segunda ronda, las copiaron de forma que se in-trodujeron unos pocos cambios aleatorios adicionales, y lasdejaron reaccionar con otra plantilla. Se aislaron las mejoresribozimas de esta tercera ronda y, a continuacin, se repitiel proceso de copia, reaccin y seleccin, varias veces ms. A la 18. ronda el grupo haba encontrado una ribozima queera mucho mejor catalizador que la molcula original. La evo-lucin haba tenido lugar. Haban creado una ribozima razo-nablemente eficiente para aadir ribonucletidos a una hebracreciente.

    En el momento en que este libro est imprimindose, la ri-bozima de la 18. ronda es lo ms cercano a crear vida que losbilogos han logrado. Gracias a trabajos similares en otros la-boratorios de todo el mundo, los investigadores han produ-cido un conjunto de ribozimas cada vez ms impresionante:una mirada de molculas capaz de catalizar muchas de las re-acciones clave responsables de la replicacin y el metabo-lismo. Cada resultado apoya la hiptesis del mundo de RNA,a la vez que acerca a los equipos a la creacin de una RNA re-plicasa. Si se logra este objetivo, los seres humanos habrncreado una entidad viva en un tubo de ensayo.

    Los nucletidos son monmeros compuestos de un azcar, unfosfato y una base nitrogenada. Los ribonucletidos se polimeri-zan para formar RNA. Los desoxirribonucletidos se polime-rizan para formar DNA.

    Los ribonucletidos tienen un grupo hidroxilo (OH) en el car-bono 2, pero los desoxirribonucletidos no. Ambos tipos de nu-cletidos se polimerizan mediante enlaces fosfodister para for-mar cidos nucleicos, que tienen un esqueleto de azcar-fosfatounido a bases nitrogenadas.

    Deberas ser capaz de representar grficamente la diferenciaentre un ribonucletido y un desoxirribonucletido. Tambin de-beras ser capaz de dibujar un cido nucleico genrico y marcarel esqueleto de azcar-fosfato, las uniones fosfodister, la polari-dad 5 a 3, y las bases nitrogenadas.

    La estructura primaria del DNA consiste en una secuencia debases nitrogenadas, que contienen informacin en forma de c-digo molecular. La estructura secundaria del DNA consiste endos hebras de DNA de direcciones opuestas. Las hebras se man-tienen unidas mediante el emparejamiento de bases complemen-tarias, y estn retorcidas en una doble hlice.

    El DNA es una molcula extremadamente estable que sirve deexcelente archivo de informacin, en forma de secuencias de bases. El DNA es estable porque los desoxirribonucletidoscarecen de un grupo hidroxilo 2 reactivo y porque las hebrasantiparalelas de DNA forman una estructura secundaria llamadadoble hlice. El DNA de doble hlice se estabiliza mediante enla-ces de hidrgeno que se forman entre las bases purnicas y piri-midnicas y mediante interacciones hidrfobas entre las basesapiladas en el interior de la espiral. Sin embargo, esta estabilidad

    Repaso del captulo

    RESUMEN DE LO S CONCEPTOS CL AVE

  • 80 Unidad 1 Las molculas de la vida

    estructural y regularidad hacen que el DNA sea ineficaz para lacatlisis.

    Adems de ser estable, el DNA se copia fcilmente mediante elemparejamiento de bases complementarias. Este emparejamientose produce entre los pares A-T y G-C en el DNA.

    Deberas ser capaz de explicar por qu las molculas de DNAcon un alto porcentaje de guanina y citosina son especialmenteestables. Tambin deberas ser capaz de dibujar una doble hlicede DNA en la que haya una pareja purina-purina o pirimidina-pi-rimidina.

    en www.masteringbio.com

    Nucleic Acid Structure

    La estructura primaria del RNA tambin consiste en una secuenciade bases nitrogenadas que contienen informacin en forma de un

    Web Animation

    cdigo molecular. Su estructura secundaria incluye dobles hlicescortas y estructuras llamadas horquillas. Las molculas de RNAllamadas ribozimas catalizan importantes reacciones qumicas.

    Las molculas de RNA pueden tener estructura secundaria por elemparejamiento de bases complementarias, entre A-U y G-C, dela misma hebra. Tambin existen algunas estructuras terciarias ycuaternarias, porque las molculas de RNA se pliegan de formasprecisas y pueden interaccionar entre s.

    Comparado con las protenas y el DNA, el RNA es muy vers-til. La funcin primaria de las protenas es catalizar reaccionesqumicas, y la funcin primaria del DNA es transportar informa-cin. Pero el RNA es una macromolcula multifuncin quepuede realizar ambos procesos.

    Deberas ser capaz de explicar por qu las molculas de RNApueden tener estructura terciaria y cuaternaria, mientras que lasmolculas de DNA no pueden.

    1. Cules son las cuatro bases nitrogenadas presentes en el RNA?a. Uracilo, guanina, citosina, timina (U, G, C, T).b. Adenina, guanina, citosina, timina (A, G, C, T).c. Adenina, uracilo, guanina, citosina (A, U, G, C).d. Alanina, treonina, glicina, cistena (A, T, G, C).

    2. Qu determina la estructura primaria de una molcula de RNA?a. El esqueleto de azcar-fosfato.b. El emparejamiento de bases complementarias y la formacin

    de horquillas.c. La secuencia de desoxirribonucletidos.d. La secuencia de ribonucletidos.

    3. El DNA logra una estructura secundaria cuando se formanpuentes de hidrgeno entre las bases nitrogenadas llamadaspurinas y pirimidinas. Cules son las parejas de basescomplementarias que se forman en el DNA?a. A-T y G-C.b. A-U y G-C.c. A-G y T-C.d. A-C y T-G.

    4. Por convencin, en qu direccin escriben los bilogos lasecuencia de bases del RNA y el DNA?a. 3 5.b. 5 3.c. N-terminal a C-terminal.d. C-terminal a N-terminal.

    5. La estructura secundaria del DNA se llama doble hlice. Por qu?a. Dos hebras se enrollan en una disposicin helicoidal o

    espiral.b. Una sola hebra se enrolla alrededor de s misma en una

    disposicin helicoidal o espiral.c. Tiene forma de escalera.d. Estabiliza la molcula.

    6. En el RNA, cundo se forma la estructura secundaria llamadahorquilla?a. Cuando se unen los residuos hidrfobos.b. Cuando los residuos hidrfilos interaccionan con el agua.c. Cuando el emparejamiento de bases complementarias entre

    los ribonucletidos de la misma hebra forma una estructurade tallo y vuelta.

    d. Cuando el emparejamiento de las bases complementariasforma una doble hlice.

    Respuestas:1. c; 2. d; 3. a; 4. b; 5. a; 6. c

    PREGUNTAS

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    Comprueba tu aprendizaje Las respuestas se pueden consultar en www.masteringbio.com

    1. Construye un mapa conceptual (vase BioHabilidades 6) querelacione la estructura primaria del DNA con su estructurasecundaria. Tu diagrama debe incluir desoxirribonucletidos,purinas, pirimidinas, enlaces fosfodister, DNA, emparejamientode bases complementarias y hebras antiparalelas.

    2. Dibuja un diagrama general de monmeros sufriendo reaccionesde condensacin para formar un polmero. Marca el tipo deenlace que se forma cuando los nucletidos se polimerizan paraformar RNA o DNA. Es necesario el aporte de energa para quetengan lugar las reacciones de polimerizacin o sucedenespontneamente? Por qu o por qu no?

    3. Las hebras crecientes de cidos nucleicos siempre se extienden enla direccin 53. Qu significan el 5 y el 3? Recuerda ahora

    que solo se pueden aadir nucletidos activados (nucletidostrifosfato) a una hebra creciente. Dibuja un nucletido activadoaadindose a una hebra de RNA.

    4. Por qu es el DNA una molcula tan estable, comparado con elRNA o las protenas?

    5. Explica cmo se forman las estructuras secundarias llamadashorquillas en el RNA. Incluye un diagrama marcado.

    6. Una cuestin fundamental en este captulo es que la estructurade las molculas se correlaciona con su funcin. Explica por qula estructura secundaria del DNA limita su capacidad cataltica,comparado con el RNA. Por qu es lgico que las molculas deRNA puedan catalizar un conjunto modesto pero significativo de reacciones? Por qu son las protenas los catalizadores mseficaces?

  • Captulo 4 Los cidos nucleicos y el mundo del RNA 81

    Aplicacin de conceptos a situaciones nuevas Las respuestas se pueden consultar en www.masteringbio.com

    En www.masteringbio.com tambin encontrars (en ingls) respuestas a las preguntas y los ejercicios del texto, las tablas y lospies de figuras respuestas a los cuadros de Comprueba si lo hasentendido guas de estudio online y preguntas ms herramientasde estudio, incluyendo el E-Book for Biological Science 3. ed.,ilustraciones del libro de texto, animaciones y vdeos.

    1. Ests de acuerdo con la definicin de vida ofrecida al iniciode este captulo? Explica tu respuesta. Si estuvieras buscandovida en Europa, en la luna de Jpiter o en Marte, cmo sabrasque la has encontrado?

    2. Imagina que experimentos como los descritos en la Seccin 4.4logran producir una molcula que pudiera copiarse a s misma.Esboza un artculo de opinin de una pgina para el peridicolocal que explique la naturaleza de la investigacin y argumentelas implicaciones ticas y filosficas de este descubrimiento.

    3. Antes de que Watson y Crick publicaran su modelo de la doblehlice de DNA, Linus Pauling ofreci un modelo basado en unatriple hlice. Dibuja tu versin de una triple hlice de DNA.Qu interacciones mantendran unida a una estructurasecundaria como sa? Cmo podra copiarse esa molcula?

    4. Robert Crabtree, un investigador del origen de la vida, sostieneque los experimentos que simulan las condiciones de la Tierra

    primitiva son una forma vlida de poner a prueba la teora de laevolucin qumica. Crabtree asegura que si los cientficos quetrabajan en ese campo estn de acuerdo en que un experimentoes una reproduccin plausible de las condiciones de la Tierraprimitiva, es vlido inferir que sus resultados son probablementecorrectos (que la simulacin representa efectivamente losacontecimientos que sucedieron hace unos 3.500 millones deaos). Ests de acuerdo? Crees que los modelos y losexperimentos presentados en este captulo y los anteriores sonpruebas convincentes de la teora? Explica tus respuestas.