¿Qué es la replicación del ADN? – Modelos conservadores, semiconservadores y dispersivos

El modelo de ADN de doble hélice

El modelo propuesto por Watson y Crick en 1953 para describir la estructura molecular del ADN fue un descubrimiento histórico. Pero en ese momento, muchos científicos no estaban convencidos de que el modelo fuera correcto. Junto con su modelo estructural de ADN, Watson y Crick también propusieron un modelo para describir cómo se copia el ADN dentro de una célula. Muchos científicos pensaron que su modelo de producción de ADN no tenía sentido, lo que llevó a algunas personas a dudar de si tenían razón sobre la doble hélice. Aprendamos más sobre la ciencia detrás de los descubrimientos del ADN para descubrir cómo se resolvió este problema.

Los científicos sabían desde hace mucho tiempo que los organismos hacen copias de su ADN. Hacer copias adicionales de las instrucciones en el ADN permite que un organismo crezca y se reproduzca. La palabra científica para ‘copia’ es ‘replicación’. Entonces, cuando hablamos de que el ADN hace copias de sí mismo, lo llamamos replicación del ADN .

Repasemos rápidamente las cosas que ya hemos aprendido sobre el ADN . Una cadena de ADN se compone de componentes más pequeños llamados nucleótidos. Cada nucleótido está compuesto por un azúcar, un fosfato y una base nitrogenada. Los nucleótidos están dispuestos en dos hebras que se unen como peldaños en una escalera, y la escalera está torcida en una forma que llamamos doble hélice. Watson y Crick propusieron por primera vez este modelo estructural, y estudios científicos posteriores han demostrado que eran básicamente correctos. Entonces, ¿por qué fueron desafiados por la comunidad científica?

En el modelo de plantilla, una hebra de ADN sirve como plantilla para una nueva.

Tres modelos diferentes para la replicación del ADN

Watson y Crick habían propuesto que para copiarse a sí mismo, el ADN tendría que abrirse por el centro, como si se abriera una cremallera, de modo que se pudiera construir una nueva hebra de ADN sobre las hebras expuestas. Siguiendo las reglas del emparejamiento de bases complementarias, la adenina se emparejaría con la timina y la citosina se emparejaría con la guanina. Esta idea se denominó modelo de plantilla, ya que una hebra de ADN sirve como plantilla para una nueva.

Watson y Crick pensaron que este modelo daría como resultado dos nuevas cadenas dobles de ADN, cada una con una cadena de ADN original (o plantilla) y una cadena de ADN hijo (o recién sintetizado). Llamaron a esto el modelo semiconservador , porque la mitad del ADN original se conservaba en cada nueva molécula de ADN.

Los científicos observaron la doble hélice del ADN y se preguntaron cómo en el mundo podría abrirse sin enredarse o romperse. Entonces pensaron en otras ideas sobre cómo funciona la replicación del ADN. Una hipótesis, llamada modelo dispersivo , sugirió que el ADN solo se copiaba a sí mismo en pequeños fragmentos a la vez, produciendo nuevas hebras que alternaban el ADN padre e hijo. Otra idea, llamada modelo conservador , argumentó que el ADN no se dividió en absoluto, pero de alguna manera mantuvo intactas las hebras originales mientras se creaba una copia completamente nueva y separada.

Nadie sabía con certeza cómo funcionaba realmente la replicación del ADN hasta que dos científicos llamados Matthew Meselson y Franklin Stahl idearon un ingenioso experimento en 1958. Se dieron cuenta de que podían probar los tres modelos a la vez al realizar un seguimiento de lo que le sucede a una hebra de ADN parental a medida que se genera. una serie de copias.

Los tres modelos propuestos de replicación del ADN

Cada modelo predice una distribución diferente del ADN original después de una ronda de replicación del ADN. Si Meselson y Stahl pudieran realizar un seguimiento del ADN original frente al nuevo, podrían respaldar o refutar las predicciones de los tres modelos diferentes.

El experimento Meselson-Stahl

Meselson y Stahl decidieron que la mejor manera de etiquetar el ADN original sería cambiar uno de los átomos de la molécula de ADN original. Recuerde que el nitrógeno se encuentra en las bases nitrogenadas de cada nucleótido. Entonces decidieron utilizar un isótopo de nitrógeno para distinguir entre el ADN original y el recién copiado. El isótopo de nitrógeno tenía un neutrón extra en el núcleo, lo que lo hacía más pesado.

Puede ver en cualquier tabla periódica que la mayoría de los átomos de nitrógeno tienen un peso atómico de 14. A estos átomos los llamamos N -14. Pero un isótopo con un neutrón extra tiene un peso de 15, por eso lo llamamos N -15. Los científicos decidieron comenzar con moléculas de ADN parentales que solo contenían N -15. Si solo estuvieran disponibles N -14 nucleótidos durante la replicación del ADN, podrían saber qué partes provienen de la doble hebra original y qué partes se han creado durante el proceso de replicación.

Para hacer que el ADN pasara por muchas rondas de replicación, Meselson y Stahl aprovecharon los poderes reproductivos de la bacteria común E. coli . Se aseguraron de que el primer lote de bacterias contuviera solo ADN N -15. Luego, colocaron las bacterias en un medio que solo contenía N -14 átomos. De esa manera, siempre que las bacterias se reprodujeran, se verían obligadas a incorporar el N- 14 en su nuevo ADN. Los científicos se sentaron y dejaron que las bacterias se pusieran a trabajar.

Con cada nueva generación de bacterias, Meselson y Stahl tomaron una muestra para poder ver cómo se distribuía el ADN N- 15 en las moléculas hijas. Ahora, tal vez se pregunte, ¿cómo podrían distinguir la diferencia entre el ADN N -15 y N -14? No es como si realmente pudieras ver un isótopo de nitrógeno. ¿Cómo supieron los científicos cuánto N -15 había dentro de cada molécula?

La respuesta es el peso atómico. Debido a que el N- 15 tiene un neutrón adicional, es un poco más pesado que el N- 14 y, por lo tanto, hace que la molécula de ADN sea más densa. Podemos separar moléculas de ADN en función de las diferencias en sus densidades. Para hacer esto, utilizamos una centrífuga, un dispositivo que hace girar un tubo de ensayo a velocidades muy altas. Cuando se hace girar un tubo de ensayo dentro de una centrífuga, todo el contenido se empuja hacia el fondo. Las sustancias más pesadas se hunden más abajo en el tubo y las sustancias más ligeras flotan. Entonces, si aplica una fuerza centrífuga a una mezcla de dos tipos de ADN, el ADN N -15 más pesado se hunde a un nivel más bajo que las moléculas N -14.

Después de una replicación, el ADN se convirtió en un híbrido de ADN N-15 y N-14.

Cada vez que Meselson y Stahl querían tomar una muestra del ADN bacteriano, tenían que cortar los organismos diminutos y vaciar todo el contenido en un tubo de ensayo. Se mezclaron en una solución salina y luego hicieron girar el tubo de ensayo durante muchas horas para separar las sustancias. Luego utilizaron técnicas especiales para ver hasta dónde se hundían las moléculas de ADN dentro del tubo.

Cuando tomaron muestras de su primer grupo de bacterias, Meselson y Stahl vieron una banda oscura en el tubo de ensayo donde el ADN N- 15 se había hundido y reunido en un solo lugar. Pero después de que dejaron que las bacterias se reprodujeran, obtuvieron resultados muy diferentes en sus muestras. El ADN todavía se hundió en el tubo, pero no tan lejos como la primera generación. Era una forma más ligera de ADN, lo que significa que no se hizo completamente con el isótopo N- 15. Después de una replicación, todo el ADN se había convertido en un híbrido de ADN N -15 y N -14.

Resultados del experimento

De inmediato, Meselson y Stahl supieron que podían descartar uno de los tres modelos. El modelo conservador, que sugería que la molécula de ADN original permanece intacta, tenía que ser falso. El modelo conservador predijo que el experimento de centrifugación produciría dos bandas distintas: una banda que representa el ADN con solo N -15 y una banda que representa el ADN con solo N -14. Debido a que observaron solo una banda con ADN de densidad intermedia, sabían que todas y cada una de las nuevas moléculas de ADN contenían una mezcla de ambas formas de nitrógeno.

Pero Meselson y Stahl aún tenían que averiguar si la replicación del ADN seguía el modelo dispersivo o semiconservador. Dado que ambos modelos darían como resultado un híbrido de ADN padre e hijo, la banda intermedia seguía siendo coherente con ambos modelos. Para averiguar qué estaba pasando realmente, Meselson y Stahl tuvieron que dejar que las bacterias siguieran replicándose y estudiar las muestras de ADN después de cada generación.

Antes de descubrir qué sucedió realmente, pensemos en las posibilidades restantes de este experimento. ¿Cómo sabríamos si la replicación del ADN es dispersiva o semiconservadora? ¿Qué esperaríamos ver si alguno de los posibles modelos fuera correcto?

Primero, asumiremos que el modelo dispersivo describe correctamente la replicación del ADN. En la replicación dispersiva, el ADN se copia en trozos cortos y el resultado es una molécula que alterna trozos de ADN padre con ADN hijo. Después de una replicación, la nueva molécula sería 50% de ADN padre y 50% hijo. Después de otra replicación, el resultado sería el 25% del padre original y el 75% del ADN recién copiado.

Entonces, en cada generación sucesiva, la cantidad de ADN original se reduciría a la mitad. En el caso de nuestro experimento, esta segunda generación tendría 25% de ADN N -15 y 75% N -14. En la tercera generación, solo el 12,5% del ADN sería N -15. Así que siempre esperaríamos ver una banda continua de ADN en el tubo de ensayo. Esta banda se movería ligeramente más arriba en el tubo con cada generación sucesiva a medida que las moléculas de ADN se volvían progresivamente más y más ligeras.

Los resultados del experimento Meselson-Stahl

Por otro lado, ¿qué datos esperaríamos ver si el modelo semiconservador es correcto? En este modelo, cada nueva molécula de ADN contendría una hebra completa de ADN parental unida por el centro con una hebra completa de ADN hijo. Después de una replicación, todo el ADN nuevo tendría la misma densidad. Pero, después de la segunda ronda de replicación, surgirían dos tipos diferentes de ADN: algunos que eran un híbrido de N -15 y N -14, como la ronda anterior, y otros que estaban completamente compuestos de ADN N -14.

Esto se debe a que las hebras parentales originales, aunque se separaron unas de otras al principio, se conservan y mantienen como hebras continuas de ADN N- 15. Esas cadenas parentales pueden asociarse con nuevos nucleótidos N- 14, pero siempre estarán conectados a lo largo de la cadena. Por lo tanto, aunque la cantidad de N- 14 crecerá y crecerá en cada generación, siempre habrá dos moléculas de ADN que contienen una hebra de cada uno de los ADN originales. En nuestro experimento, esperaríamos ver emerger dos bandas separadas dentro de los tubos de ensayo : una con una población creciente de ADN N- 14 y otra con los híbridos iniciales N- 15.

Al final resultó que, Meselson y Stahl observaron una división de bandas que se hizo más pronunciada con cada nueva generación. Solo tuvieron que observar cuatro rondas de replicación antes de estar seguros de que el modelo semiconservador era correcto.

Este fue un gran avance en el campo de la biología porque muchos científicos habían estado discutiendo sobre el tema de la replicación del ADN. Meselson y Stahl pudieron refutar dos hipótesis y respaldaron firmemente la tercera, simplemente realizando un simple e ingenioso experimento.

Resumen de la lección

En resumen, la replicación del ADN es el proceso de hacer copias de ADN. El ADN se replica mediante una replicación semiconservadora , lo que significa que una hebra de la doble hélice original se conserva en cada nueva molécula de ADN.

Meselson y Stahl fueron los científicos que demostraron que el ADN sigue el modelo semiconservador. Pudieron refutar la replicación conservadora , mediante la cual todo el ADN original se conserva en la molécula original, después de solo una ronda de replicación del ADN. Después de cuatro replicaciones más, también refutaron la replicación dispersiva , lo que sugiere que el nuevo ADN consiste en alternancia de ADN padre e hijo.

Los resultados del aprendizaje

Después de ver esta lección, debería poder:

• Describir los modelos semiconservadores, conservadores y dispersivos de replicación del ADN.
• Resuma el experimento de Meselson y Stahl y cómo refutó dos de los modelos de replicación del ADN