Estructura molecular de los ácidos nucleicos:

Transcripción

1 Estructura molecular de los ácidos nucleicos: Una estructura para el ácido desoxirribonucleico. 1 Queremos proponer una estructura para la sal del ácido desoxirribonucleico (ADN). Esta tiene características novedosas que poseen un considerable interés biológico. 2 Pauling y Corey han propuesto ya una estructura para el ácido nucleico. Amablemente han puesto a nuestra disposición el manuscrito que están a punto de publicar. Su modelo consiste en tres cadenas entrelazadas, con los fosfatos cerca del eje de la fibra, y las bases en el exterior. 3 En nuestra opinión, esta estructura es insatisfactoria por dos razones: 1) Creemos que el material que aparece en las imágenes de rayos X es la sal y no el ácido. Sin los hidrógenos de los ácidos no queda claro que fuerzas mantendrían unida la estructura 4, en especial, cuando las cargas negativas de los fosfatos próximos al eje se repelerían entre si 5. 2) Algunas de las distancias de Van der Waals serían demasiado pequeñas. 6 Otra estructura de cadena triple ha sido propuesta también por Fraser (en prensa) 7. En su modelo los fosfatos están en el exterior y las bases en el interior, unidas 1 Ver referencia del artículo original en inglés en watsoncrick.pdf 2 3 Tan seguros estaban del interés que ya contaban con que recibirían el reconocimiento internacional (en 1962 Watson, Crick y Wilkins recibieron el Premio Nobel de medicina). Linus Pauling fue el descubridor de la alfa-hélice de las proteínas. El plegamiento en hélice estaba en plena actualidad. La propuesta de este autor recuerda claramente la de las proteínas que acababa de describir: las bases, como los radicales de los aminoácidos hacia el exterior. 4 Nadie discutía que el ADN era un ácido, sin embargo la propuesta de Pauling mantenía los hidrógenos unidos al grupo fosfatos, como si no lo fuera, y no sólo eso, sino que eran esos hidrógenos los que mantenían la estructura de Pauling unida mediante enlaces de hidrógeno. 5 6 Watson y Crick temían que Pauling, considerado por ellos como el mejor químico del mundo, descubriera la estructura antes que ellos. Cuando vieron la propuesta de Pauling, se quedaron muy sorprendidos porque contenía un error de concepto tan grande, que, en palabras de Watson: si un estudiante hubiera cometido una equivocación similar, habría sido considerado no apto para ingresar en la facultad de Químicas de Cal Tech (la de Pauling). Así pues, de momento sólo podíamos preocuparnos por la posibilidad de que el modelo de Linus fuera el resultado de una revolucionaria reevaluación de las propiedades ácido-base de las grandes moléculas. No obstante, la forma en que estaba redactado el manuscrito no indicaba semejante avance en la teoría química. No habría razón para mantener en secreto un descubrimiento teórico de tal importancia, antes bien, de haberse dado el caso, Linus habría presentado dos estudios, el primero descubriendo su nueva teoría y el segundo mostrando cómo se utilizaba para resolver la estructura del ADN. (Watson, J., La doble hélice). Demasiada proximidad provocaría repulsiones, con los consecuentes cambios de posición que impediría que la molécula fuese estable tal como había sido descrita. 7 in the press en el original, significa a punto de ser publicada.

2 unas a otras por enlaces de hidrógeno. Esta estructura, descrita de este modo, está bastante mal definida, y por esta razón no la comentaremos. 8 Deseamos presentar una estructura diferente para la sal del ácido desoxirribonucleico. Esta estructura tiene dos cadenas helicoidales enrolladas alrededor del mismo eje (ver diagrama). Hemos hecho las suposiciones químicas ya conocidas 9, a saber, que cada cadena está formada por dos grupos fosfodiester uniendo residuos de β-desoxirribofuranosa con enlaces 3-5. Las dos cadenas (pero no sus bases) están unidas por una pareja 10 situadas perpendicularmente al eje de la fibra. Ambas cadenas siguen hélices dextrógiras, pero debido a los pares de bases ambas secuencias de átomos en las dos cadenas siguen sentidos opuestos. Cada cadena se asemeja vagamente al modelo nº 1 de Furberg, esto es, las bases están en el interior de la hélice y los fosfatos en el exterior. La disposición del azúcar y los átomos cercanos se aproxima a la configuración estándar de Furberg, estando los azúcares aproximadamente perpendiculares a las bases a las que están unidas. Hay un residuo 11 en cada cadena cada 3.4 Ǻ 12 en la dirección z. Hemos supuesto un ángulo de 36º entre los residuos adyacentes de la misma cadena, la distancia de lo átomos de fósforo al eje de la fibra es de 10Ǻ. Como los fosfatos están en el exterior, los cationes tienen fácil acceso a ellos. La estructura es abierta, y su contenido en agua es más bien alto. Al reducir el contenido en agua deberíamos esperar que las bases se inclinaran de modo que la estructura podría hacerse más compacta. 13 La característica novedosa de la estructura es la manera en que las dos cadenas se mantienen unidas por las bases púricas y pirimidínicas. Los planos de las bases son perpendiculares al eje de la fibra. Están unidas en parejas, una base de una cadena forma enlaces de hidrógeno con una base de la otra cadena, de modo que las dos se sitúan al lado una de otra con idéntica coordinación. Para que la unión tenga lugar una de la pareja debe ser una purina y la otra una pirimidina. Los enlaces de hidrógeno se 8 Este párrafo se añadió en el artículo a petición de Maurice Wilkins, quien deseaba que su laboratorio figurara de algún modo en la publicación. Para entonces ya estaba claro que era una estructura errónea, de ahí la última frase que parece despectiva pero que no lo era. 9 Ya se conocían los nucleótidos y cómo se formaban las cadenas. 10 Se refiere a una pareja de bases nitrogenadas. 11 El término residuo se refiere al resultado de su hidrólisis parcial, es decir, en este caso cada nucleótido. 12 Amstrong = la décima parte del nanómetro, m Las imágenes de rayos X del ADN cristalizado no eran muy claras hasta que Rosalind Franklin, que trabajaba 13 en el mismo laboratorio que Maurice Wilkins obtuvo uan imagen clara utilizando un ADN muy hidratado al que denominaron estructura B, para diferenciarlo de la anterior más deshidratada llamada A (hoy se conocen perfectamente estas estructuras y se siguen denominando A y B, así como otra más levógira denoinada Z), aunque la imagen primera de una estructura B es de Franklin, Maurice Wilkins habría conseguido reproducirla. Rosalind y Maurice aunque trabajaban en el mismo laboratorio se odiaban a muerte. Ella no aceptaba decididamente una estructura helicoidal, incluso tuvo una violenta discusión con Watson a este respecto. A pesar de ello, Watson reconoció años después su gran valor como investigadora. Rosalind no recibió el Nobel porque a la fecha de la concesión (1961) ella ya había fallecido de cáncer.

3 forman del siguiente modo: la posición 1 de la purina frente a la posición 1 de la pirimidina y la posición 6 de la purina frente a la posición 6 de la pirimidina. Si se asume que las bases solo se encuentran en la estructura en la posición tautomérica 14 más plausible 15 ( es decir, en la forma ceto en lugar de la forma enol) 16, nos encontramos entonces con que solamente se pueden unir pares de bases concretos, estos pares son: adenina (purina) con timina (pirimidina) y guanina (purina) con citosina (pirimidina). 17 En otras palabras, si una adenina es un miembro de la pareja, de cualquiera de las dos cadenas, en este supuesto, el otro miembro debe ser la timina, de igual modo para la citosina y la guanina. La secuencia de bases en una cadena no parecer tener restricción. Como quiera que sólo se pueden formar pares de bases específicas, se deduce que, si damos una secuencia de bases para una cadena la secuencia de la otra queda determinada automáticamente. Se ha encontrado experimentalmente que la relación entre el total de las adeninas y timinas y la relación entre guaninas y citosinas, está siempre próxima a la unidad es en ácido desoxirribonucleico. 18 Probablemente es imposible construir estas estructuras con el azúcar ribosa en lugar de desoxirribosa a causa de que el átomo extra de oxígeno podría dar lugar a contactos por fuerzas de Van der Waals demasiado próximas. 19 Los datos de los rayos X publicados hasta ahora a cerca del ácido desoxirribonucleico son insuficientes para poner a prueba nuestra estructura de forma rigurosa. Todo lo más que podemos decir es que es bastante compatible con los datos experimentales, pero no debe ser considerada como probada hasta que no haya sido 14 Isomería de posición. 15 Creible, probable químicamente Todos los libros de química que consultaron Watson y Crick dibujaban las fórmulas de las bases en la forma isomérica enol. La diferencia estriba en la posición de un hidrógeno que aparece unido al oxígeno del grupo ceto (el cual lógicamente pierde su doble enlace con el carbono). Al cambiar la posición del hidrógeno los posibles puentes de hidrógeno cambian de lugar. Un día Watson enseñó un modelo que había preparado a un químico amigo, el cual le hizo ver que estaba utilizando la forma enol, en la que ya nadie creía que se encontraban las bases, sino que parecía que la forma ceto era la más correcta. El modelo citado consistía en una doble hélice (idea aportada por los rayos X) en cuyo interior quedaban pares de bases A-A, C-C, T-T, G-G, pero cuyo inconveniente era claro: unas parejas son muy anchas y otras muy estrechas. Como consecuencia del fallo relatado cambió las fórmulas y, mediante modelos realizados en cartulina, empezó a jugar de nuevo con posible parejas. De pronto se dio cuenta de que no eran posibles más que dos parejas A-T y C-G, y que además tenían la misma anchura. Cumplía igualmente con las observaciones de Chargaff y encima permitía imaginar un mecanismo de copia. En sus palabras: la estructura era demasiado bonita para no existir. Estudio realizado por Chargaff. Watson y Crick coincidieron con Chargaff con ocasión de una cena dada en honor de éste último cuando se encontraba de visita en Inglaterra. En la conversación quedó claro que Crick desconocía los detalles de las fórmulas de las bases nitrogenadas, por lo que a partir de ese momento Chargaff perdió todo interés en discutir con ellos la estructura del ADN. Pretendía justificar el que los ARN no fueran cadenas dobles, puesto que no cumplían las reglas de Chargaff. Hoy sabemos que forman bucles parciales entre segmentos de su propia cadena.

4 analizada de nuevo con datos más exactos. Algunos de estos datos se darán en próximas comunicaciones. No conocíamos al detalle los resultados de los estudios de rayos X cuando vislumbramos 20 la estructura, la cual se basa principalmente, aunque no por entero, en los datos experimentales publicados 21 y en principios estereoquímicos 22. No se nos escapa que el apareamiento específico que hemos propuesto sugiere de inmediato un posible mecanismo de copia para el material genético. 23 Los detalles completos de la estructura, incluyendo las condiciones que hemos supuesto en su construcción, junto con los valores de las coordenadas de los átomos, se publicarán más adelante. 24 Estamos en deuda con el Dr. Jerry Donohue por sus constantes consejos y críticas, especialmente en lo referente a las distancia interatómicas 25. Nos ha sido de gran ayuda el conocimiento general de los resultados experimentales no publicados y las ideas de Dr. M.H.F. Wilkins, y la Dra. R.E. Franklin y sus colaboradores del King s Collage de Londres. Uno de nosotros (Watson) ha sido ayudado (becado) por una Asociación de la Fundación Nacional de Parálisis Infantil. 20 Minutos después de ser expulsado del despacho de Franklin, tras su violenta discusión, Wilkins le enseña una fotografía de rayos X que él había hecho reproduciendo los experimentos de Franklin. Dice Watson: Cuando vi la fotografía, quedé boquiabierto y se me aceleró el pulso, la figura resultaba increíblemente más sencilla que las obtenidas con anterioridad, es decir, la forma A. Además los reflejos negros en forma de cruz que dominaban la fotografía sólo podían provenir de una estructura helicoidal. Con la forma A, el argumento a favor de una hélice nunca había sido concluyente, y existía cierta ambigüedad en cuanto a qué tipo de simetría helicoidal estaba presente. Sin embargo, con la forma B, la simple inspección daba varios de los parámetros helicoidales vitales. Concebiblemente, tras unos cálculos de tan solo unos minutos, podría determinarse el número de cadenas de la molécula. Al preguntar a Maurice qué había hecho utilizando la forma B, supe que su colega R. Fraser había estado realizando antes combinaciones con modelos de tres cadenas, pero hasta el momento no había obtenido nada que tuviera algún valor. Recordad que hay un párrafo al comienzo del artículo que hace referencia a esto. 21 Los datos de rayos X no estaban publicados realmente. Utilizaron un informe que cada laboratorio hacía para justificar como iba su trabajo, a efectos de subvenciones y en el que aparecía una imagen de la estructura B. 22 Ellos mismos tuvieron que estudiar mucho para aprender a cerca de los enlaces y las distancias interatómicas en los mismos; también bioquímica y especialmente Watson sobre cristalografía y difracción de rayos X. Watson tenía formación como biólogo (cuyas inclinaciones iniciales se dirigieron hacia la ornitología -estudio de las aves- y su beca en esos momentos era para estudiar los métodos de transmisión de la herencia en las bacterias). Francis Crick era físico y había llegado al campo de la biología a través del estudio por medio de rayos X de la estructura de las proteínas. Estaba realizando su tesis doctoral sobre la estructura de la hemoglobina. 23 Este párrafo se incluyó al final para resaltar la importancia del descubrimiento. La elegancia del modelo convenció de un vistazo a todos los grandes de la ciencia de entonces, incluso antes de realizar más comprobaciones. No contradecía ninguna de las observaciones hechas hasta entonces y daba una explicación sencilla a muchas preguntas Este artículo se escribió a toda prisa por miedo a que alguien se adelantara, fundamentalmente Pauling. Las coordenadas se refieren a las distancias de medidas interatómicas las cuales debían ser todas correctas. Para calcular estas medidas mandaron hacer un modelo metálico. Existe una famosa fotografía de ambos antes este modelo, aunque dicha foto es una pose posterior. Esta fue la persona que sacó a Watson del error de considerar configuraciones enol para las bases, y por tanto permitió que días después pudieran emparejar correctamente las bases.

5 J.D. Watson 26 F.H.C. Crick Laboratorio de Cavendish, Cambridge 2 de abril de 1953 Publicado en Nature el 25 de abril de Obsérvese que Watson (el becario) firma primero. La última idea genial, el eureka!, fue suya.