Biomoléculas: ácidos nucleicos
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Autores: Silvia Cerdeira, Helena Ceretti y
Eduardo Reciulschi. Responsable disciplinar:
Silvia Blaustein. Área disciplinar:
Química. Temática: Macromoléculas de
importancia biológica y biotecnológica. Nivel:
Secundario, ciclo orientado. Secuencia didáctica
elaborada por Educ.ar. |
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Propósitos generales
● Promover
el uso de los equipos portátiles en el proceso de enseñanza y
aprendizaje.
● Promover el trabajo en red y colaborativo, la
discusión y el intercambio entre pares, la realización en conjunto de la
propuesta, la autonomía de los alumnos y el rol del docente como
orientador y facilitador del trabajo.
● Estimular la búsqueda y selección crítica de
información proveniente de diferentes soportes, la evaluación y
validación, el procesamiento, la jerarquización, la crítica y la
interpretación.
Introducción a las actividades
Observen esta imagen, ¿qué les sugiere?
Figura 1. Una metáfora visual.
Entre las múltiples conexiones que dispara una imagen, esta la tenemos muy asociada a la famosa doble hélice de la estructura del ADN.
En el año 2003 se cumplieron 50 años del descubrimiento de la estructura del ADN, ¡una molécula muy famosa!
Busquen en internet la sigla ADN y registren la diversidad de usos que la sociedad ha dado a este término.
La elucidación de la estructura química del ADN se le debe a James D. Watson y Francis H. C. Crick, quienes fueron galardonados con el premio Nobel de Medicina en 1962. Menos conocida quizás, pero no por ello menos importante, es la historia de la Foto 51, imagen de ADN obtenida por Rosalind Franklin por difracción de rayos X una imagen de ADN. Al ver esta foto, Watson y Crick llegaron a la conclusión de que la molécula de ADN tenía forma helicoidal (ver Figura 1).
Busquen en diversas fuentes de información la historia de la Foto 51 y la biografía de Rosalind Franklin. (Ver secuencia didáctica «La mujer y la actividad científica».)
ADN es la forma abreviada de nombrar al ácido desoxirribonucleico, mientras que ARN es la sigla para el ácido ribonucleico. Ambos tipos de ácidos nucleicos se encuentran en las células de los organismos vivos. El ADN tiene la importante misión de almacenar y transmitir a las nuevas generaciones la información que controla los caracteres genéticos de un organismo; él puede autoduplicarse. El ARN es el responsable de que esa información se exprese a través del control de la estructura primaria en la síntesis de proteínas. Es decir que la información fluye del ADN hacia un mensajero (ARN) que la lleva a la «fábrica» de proteínas (ver Figura 2).
Figura 2. Dogma central de la biología molecular
Una de las excepciones a esta regla la constituye un tipo de virus a base de ARN, llamado retrovirus. Este virus se replica en la célula huésped usando una enzima que se denomina transcriptasa reversa, que produce ADN a partir de ARN.
En este punto se podría hacer la siguiente pregunta: ¿qué características debe poseer el ADN para realizar sus funciones?
El ADN y el ARN son macromoléculas biológicas poliméricas, cuyos monómeros se denominan nucleótidos. Las moléculas de ácidos nucleicos pueden contener miles de nucleótidos; están entre las moléculas más largas presentes en una célula.
En esta secuencia de actividades les proponemos conocer un poco más íntimamente a los ácidos nucleicos.
Objetivos de las actividades
Que los alumnos:
Actividad 1
La figura 3 permite apreciar más de cerca un fragmento de ADN de doble cadena. A diferencia del ADN, el ARN está constituido por una cadena simple. ¿Cómo son esos fragmentos?
Figura 3. Fragmento de ADN, doble cadena.
Fuente:
Protein Data Bank.
Las «piezas» que se ensamblan para formar los ácidos nucleicos se denominan nucleótidos (vean la representación esquemática en la figura 4), y están formados portres componentes:
Figura 4. Esquema de un nucleótido.
El término nucleósido comprende al azúcar y a la base nitrogenada.
La unidad de azúcar de 5 átomos de C (pentosa) es desoxiribosa en el caso del ADN y ribosa en el caso del ARN (figura 5, izquierda y derecha respectivamente):
Figura 5. Pentosas componentes de los ácidos nucleicos.
Los átomos de C del azúcar se identifican con números seguidos de un apóstrofe (1', 2', etc.) para diferenciarlos de los átomos de C de las bases.
¿En qué se diferencian ambos azúcares?
Las estructuras químicas de las bases nitrogenadas se presentan en la Tabla 1.
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Tabla 1. Bases nitrogenadas de los ácidos nucleicos |
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purinas |
adenina (A) |
guanina (G) |
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pirimidinas |
timina (T) |
citosina (C) |
uracilo (U) |
Las bases adenina, guanina y citosina se encuentran en el ADN y el ARN; la timina es exclusiva del ADN y el uracilo sólo se encuentra en el ARN.
Una característica estructural de estas bases es que son planas. Este hecho es importante para permitir las interacciones puente de hidrógeno entre las bases (A-T, C-G) de 2 hebras complementarias de ADN (vean la Figura 3).
Figura 6. Bases nitrogenadas de los ácidos nucleicos.
a) ¿Quién es quién en la figura 6? A continuación se representan con el modelo de bolas y palitos las estructuras de las bases nitrogenadas. El desafío consiste en identificarlas usando la información de la Tabla 1.
La figura 4 muestra esquemáticamente como se ensamblan los tres componentes de un nucleótido. Si se colocan los átomos, se puede ver cómo son las uniones (figura 7).
Figura 7. Estructura de un nucleótido.
El C1' del azúcar se une a la base nitrogenada, mientras que el C5' forma una unión con un átomo de oxígeno del grupo fosfato (la numeración de los átomos de C se indicó en la figura 5).
b) Abran el programa ChemSketch > solapa
Template/DNA-RNA kit > seleccionen los nucleótidos que integran el
ADN y el ARN.
Identifiquen los tres componentes (como se muestra en la figura 7).
Visualicen la estructura 3D. Empleen diferentes representaciones (bolas
y palitos, puntos, etcétera).
c) Similitudes y diferencias entre ADN y ARN. Armen una presentación con los programas Impress o PowerPoint de sus equipos portátiles, en la que se comparen los nucleótidos de ambos ácidos nucleicos.
c.1. Remarquen las diferencias entre ellos. Pueden incluirse las imágenes elaboradas en el ítem anterior.
d) Utilicen una tabla periódica interactiva e identifiquen los elementos químicos que se encuentran en los nucleótidos.
d.1. Indiquen grupo y período al que pertenecen.
d.2. Indiquen el estado de oxidación del P en el grupo fosfato.
Actividad 2
Los nucleótidos se unen entre sí mediante una reacción de condensación que involucra al grupo fosfato ubicado en la posición 5´ de un nucleótido con el grupo –OH de la posición 3' del nucleótido siguiente. De este modo se forma una cadena lineal (polinucleótido), donde los eslabones (nucleótidos) están unidos covalentemente mediante enlaces fosfodiéster (vean la figura 8, izquierda).
De manera abreviada, el oligonucleótido representado en la figura 8 se describe con la sigla AGA, que indica la secuencia de las bases que lo componen (vean la Tabla 1). En la misma figura pueden ver una representación 3D (noten que las bases nitrogenadas planas están orientadas hacia un lado y los grupos fosfato hacia el lado opuesto). Las bases no participan de la unión covalente que forma la cadena.
Mediante técnicas de secuenciación molecular es posible determinar el orden de las bases en las moléculas de ADN o ARN.
Figura 8. Ensamblado de nucleótidos.
a) Abran el programa ChemSketch > solapa
Template/DNA-RNA kit > seleccionen los nucleótidos para formar el
oligonucleótido GATTC.
Armen dicha secuencia y visualicen la estructura 3D. Empleen diferentes
representaciones (bolas y palitos, puntos, etcétera).
En el ADN, dos cadenas nucleótidicas se ensamblan formando una doble hélice (vean la figura 1). Ambas cadenas se mantienen unidas por interacciones puente de hidrógeno entre bases nitrogenadas complementarias, que se denominan interacciones tipo Watson y Crick (figura 9).
Figura 9. Interacciones Watson y Crick.
b) Con la ayuda de la Tabla 1, identifiquen los pares de bases que se muestran en la figura 9. ¿Cuántas interacciones puente de hidrógeno unen cada par de bases?
Una vuelta de la hélice consta de 10 nucleótidos y comprende una longitud de 3,4 nm. Las 2 hebras de ADN se orientan de manera antiparalela, es decir, una hebra va en la dirección 3' ® 5', y la otra, en la dirección opuesta 5'® 3'.
c) Dada la hebra que tiene la secuencia 5'-AATCGCCGTG-3', escriban la secuencia de bases de la hebra complementaria.
d) ¿Qué longitud tendría una cadena de ADN compuesta por 5.000 nucleótidos? Esta cantidad de nucleótidos puede tener el ADN de un virus. El ADN de humanos tiene 3.000.000.000 de nucleótidos. ¿Qué longitud tendría la cadena desenrollada?
Actividad 3
El descifrado del genoma humano comenzó en 1990 y finalizó en 2001. El Proyecto Genoma Humano (PGH) fue un proyecto internacional de investigación científica. Su objetivo fundamental consistió en determinar la secuencia de pares de bases químicas que componen el ADN. El término genoma es el nombre colectivo que se emplea para agrupar las diferentes moléculas de ADN que se encuentran en una célula.
a) Busquen información acerca del Proyecto Genoma Humano.
El análisis de muestras de ADN puede aportar valiosa información en diversas situaciones, por ejemplo: investigaciones forenses, para establecer relaciones de parentesco, para determinar relaciones entre poblaciones en el estudio de migraciones en ecología y evolución, etcétera.
b) Busquen información sobre aplicaciones del los estudios basados en análisis de ADN.
A modo de integración de contenidos, se sugiere mirar «ADN», de la serie Explora. Ciencias.
Bibliografía recomendada
ÍNDIGO, ESTRÍN, D., MARCECA, E., DOCTOROVICH, F, SOLER-ILLIA, G. J. A. A. , ARAMENDÍA, P. F. y ALDABE-BILMES, S. (2007). Construyendo con átomos y moléculas. Buenos Aires: Eudeba.
VÁZQUEZ, M. (2007). La intimidad de las moléculas de la vida. De los genes a las proteínas. Buenos Aires: Eudeba.
Webgrafía recomendada
Rosalind Franklin's Legacy (en inglés)
Protein
Data Bank, portal de estructura de macromoléculas