ESTRUCTURA MOLECULAR DE LOS ÁCIDOS NUCLEICOS

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James Dewey Watson & Francis Harry Compton Crick

(1928 - ) (1916 - 2004)

ESTRUCTURA MOLECULAR DE LOS ÁCIDOS NUCLEICOS

Deseamos proponer una estructura para la sal del ácido desoxirribonucleico (ADN). Esta estructura presenta características nuevas que son de considerable interés biológico.

Pauling y Corey¹ ya han propuesto una estructura para el ácido nucleico. Con gentileza nos brindaron su manuscrito aun antes de publicarlo. Su modelo consta de tres cadenas entrelazadas, cuyos fosfatos se encuentran cerca del eje de fibra, mientras que, las bases dan al exterior. En nuestra opinión, esa estructura es insatisfactoria por dos razones: (1) Creemos que el material que produce los diagramas de rayos X es la sal, no el ácido libre. Sin lo átomos de hidrógeno acídicos no esta claro que fuerzas podrian mantener unida la estructura, de manera especial dado que los fosfatos cargados negativamente que hay cerca del eje se repelerían unos a otros; (2) Algunas de las distancias de Van der Waals parecen demasiado pequeñas.

Fraser (en prensa) ha propuesto también otra estructura de tres cadenas. En su modelo, los fosfatos están por fuera y las bases en el interior , unidas por enlaces de hidrógeno. Es una estructura algo deficientemente definida, cual se describe, y por lo mismo no la comentaremos.

Deseamos proponer una estructura radicalmente diferente para la sal del ácido desoxirribonucleico. En una estructura de dos cadenas helicoidales enrollada en torno al mismo eje. Hemos hecho los supuestos químicos usuales, a saber, que cada cadena consta de grupos diésteres de fosfasto unidos a residuos de b-D-Desoxirribofuranosa con enlaces de 3', 5'. Ambas cadenas (que no las bases) se encuentran relacionadas por una diada perpendicular al eje de fibra. Las dos cadenas siguen un giro hacia la derecha, pero por la diada las secuencias de loa átomos de ambas cadenas corren en dirección contraria. Cada cadena se parece algo al modelo N° 1 de Furberg², o sea, las bases están en el interior de la hélice y los fosfatos por fuera . La configuración del azúcar y de los átomos cercanos a él se acerca a la "configuración estándar" de Furberg, con el azúcar más o menos perpendicular a la base que lleva adherida. En cada cadena hay un residuo cada 3-4 A en dirección -z. Hemos supuesto un ángulo de 36° entre residuos ayacentes en la misma cadena, de manera que la estructura se repite en cada cadena después de 10 residuos, o sea, después de 34 A. La distancia de un átomo de fósforo al eje de fibra es de 10 A. Como los fosfatos están en el exterior, los cationes les llegan fácilmente.

Es una estructura abierta y su contenido de agua es más bien alto. Si el de agua fuera inferior cabría esperar que las bases se inclinaran, de donde la estructura resultaría más compacta.

La estructura tiene de característica novel el modo como se mantienen las dos cadenas por las bases purínicas y pirimidínicas . Los planos de las bases son perpendiculares al eje de fibra. Van en pares, de forma que cada base de una cadena se enlaza por medio de hidrógeno con otra base de otra cadena, una al lado de otra con idénticas coordenadas -z. Para que pueda ocurrir el enlace, un elemento del par ha de ser de una purina y el otro de una pirimidina. Los enlaces de hidrógeno son como sigue: posición purínica 1 a posición pirimidínica 1; posición purínica 6 a posición pirimidínica 6.

Si se supone que las bases sólo ocurren en la estructura en las formas tautoméricas más plausibles (o sea, con las configuraciones keto y no con la enol) resulta que sólo se pueden enlazar pares específicos de bases . Dichos pares: adenina (purina) con timina (pirimidina), y guan (purina) citosina (pirimidina).

En otras palabras, si una adenina forma un miembro del par, en ambas cadenas, entonces de tal supuesto el otro miembro ha de ser timina, y lo mismo vale para la guanina y la citosina. La secuencia de bases de una cadena no parece tener restricción de ningún tipo. Sin embargo, si solo se pueden formar pares específicos de bases, se sigue que sabiendo la secuencia de bases de una cadena se puede determinar automáticamente la secuencia en la otra cadena.

Se ha visto experimentalmente^3,4 que la proporción en la cantidad de adenina frente a la timina, y la proporción de guanina a citosina, son siempre muy próximas a la unidad en el ácido desoxirribonucleico.

Quizá sea imposible construir esta estructura con un azúcar de ribosa en vez de la desoxirribosa, puesto que el átomo de oxigeno extra acercaría demasiado la distancia de Van der Waals.

Los datos de rayos X antes publicados^5,6 sobre el ácido desoxirribonucleico para comprobar con rigor nuestra estructura. Hasta donde podemos afirmar es compatible en general con los datos experimentales, pero se ha de considerar como no probada hasta compulsarla con resultados más exactos. En las siguientes comunicaciones se presentan algunos de éstos. No nos habíamos percatado de los detalles de los resultados allí presentados, al idear la estructura , que se basa principalmente en datos experimentales publicados ( aunque no del todo) y en argumentos estereoquímicos.

No se nos ha escapado que el apareamiento específico que hemos postulado sugiere de inmediato la existencia de un posible mecanismo de copiado de material genético.

Los detalles completos de la estructura , incluidas las condiciones supuestas para construirla, junto con un par de coordenadas de los átomos, se publicarán en otra parte.

Estamos muy en deuda con el Dr. Jerry Donohue, por su constante consejo y crítica, sobre todo respecto de las distancias interatómicas . Nos ha estimulado asimismo el haber tenido conocimiento, de una manera general , de los resultados inéditos de experimentos y de ideas del Dr. M.H.F. Wilkins, de la Dra. R. E. Flanklin y sus colaboradores en el King's College, Londres. Uno de nosotros (J. D.W.) dispone de la ayuda de una beca de la Fundación Nacional pro Parálisis Infantil.

J. D. WATSON

J. H. C. CRICK

Unidad del consejo de investigación médica para el estudio de la estructura molecular de los sistemas biológicos.

Laboratorio de Cavendish, Cambridge. 2 de abril.

NOTAS:

1.- Pauling, L. y Corey, R.B. Nature, 171, 346(1953); Proc. U.S. Nat. Acad. Sci., 39, 84(1953).

2.- Furberg, S., Acta Chem. Scand., 6, 634 (1952)

3.- Chargaff, E., Zamenhof, S., Brawerman, G., y Chargaff, E., Biochim. et Biophys. Acta, 9, 402 (1952).

4.- Wyatt, G. R., J. Gen. Physiol., 36, 201 (1952).

5.- Astbury, W. T., Symp. Soc. Exp. Biol. 1, Nucleic Acid, 66 (Camb. Univ. Press, 1947).

6.- Wilkins, M. H. F., y Randall, J. T., Biochim. et Biophys. Acta, 10, 192 (1953).

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Esta figura es puramente diagramática. Las dos cintas simbolizan las dos cadenas de fosfato y de azúcar, y las barras horizontales los pares de bases que mantienen unidas las cadenas. La línea vertical indica el eje de la fibra.

Nature, Vol. 171 (25 de abril de 1953), págs. 737-738.

Reseña Biográfica:

Cold Spring Harbor Laboratory photo: Mason's of Cambridge

James D. Watson, Ph.D.
President
email pubaff@cshl.org, phone (516)367-8455, fax (516)367-8496

Biographical Sketch of James Dewey Watson
James D. Watson is best known for his discovery of the structure of DNA (deoxyribonucleic acid), for which he shared with Francis Crick and Maurice Wilkins the 1962 Nobel Prize in Physiology or Medicine. They proposed that the DNA molecule takes the shape of a double helix, an elegantly simple structure that resembles a gently twisted ladder. The rails of the ladder are made of alternating units of phosphate and the sugar deoxyribose; the rungs are each composed of a pair of nitrogen-containing nucleotides.

This research emphasized a concept central to the emerging field of molecular biology: understanding the structure of a molecule can give clues about how it functions. Because each nucleotide within a rung of the DNA ladder is always paired with the same complementary nucleotide, one half of the molecule can serve as a template for the construction of the other half. This complementary pairing explains how identical copies of parental DNA can be passed on to two daughter cells. During cell division, the DNA helix "unzips," and two new molecules are formed from the half-ladder templates. Later research showed that the precise sequence of nucleotide rungs of the DNA ladder directs the manufacture of proteins and determines the identity of a living organism. Research on DNA-protein interactions launched a revolution in biology that led to modern recombinant DNA techniques.

In 1968 Dr. Watson became director and in 1994 became president of Cold Spring Harbor Laboratory on Long Island, New York. Under his direction, this renowned but financially endangered institution was revitalized. Dr. Watson steered the Laboratory into the field of tumor virology, from which emerged our present understanding of oncogenes (cancer genes) and the molecular basis of cancer. In addition to high-level research on cancer, plant molecular biology, cell biochemistry, and neuroscience, the Laboratory functions as a postgraduate university on DNA science. Each year some 5,000 scientists from around the world are drawn to more than 52 professional meetings and advanced courses held at Cold Spring Harbor. Thus, the Laboratory exerts an influence on biological research far out of proportion to its relatively small size (577 employees).

Born in Chicago, Illinois, in 1928, Dr. Watson received a B.S. (1947) from the University of Chicago and a Ph.D. (1950) from Indiana University, both in zoology. Following a National Research Fellowship in Copenhagen and a National Foundation of Infantile Paralysis Fellowship at the University of Cambridge, England, he spent two years at the California Institute of Technology. He jointed the Harvard faculty in 1955 and became Professor in 1961, resigning in 1976 to become full-time director of Cold Spring Harbor Laboratory . In 1988 he was appointed Associate Director for Human Genome Research of the National Institutes of Health. In 1989 he was appointed Director of the National Center for Human Genome Research at the NIH. In 1992, Dr. Watson resigned his position at NCHGR after successfully launching a worldwide effort to map and sequence the human genome.

Dr. Watson has received many honors, including the John Collins Warren Prize of Massachusetts General Hospital (1959), the Eli Lilly Award in Biochemistry (1960), the Albert Lasker Prize, awarded by the American Public Health Association (1960), the Research Corporation Prize (1962), the John J. Carty Gold Medal of the National Academy of Sciences (1971), the Presidential Medal of Freedom (1977), the Copley Medal of the British Royal Society (1993), the Charles A. Dana Distinguished Achievement Award in Health (1994), Lomonosov Medal, Russian Academy of Sciences (1995) and the National Medal of Science awarded by President Clinton (1997).

His memberships include the American Society of Biological Chemists (1958) and the American Association for Cancer Research (1972). He holds honorary affiliations with the American Academy of Arts and Sciences (1958), the National Academy of Sciences (1962), the Danish Academy of Arts and Sciences (1963), Clare College, Cambridge University (1968), the American Philosophical Society (1977), Athenaeum, London (1980), the Royal Society, London (1981), the Academy of Sciences, Russia (1989), Oxford University (1994), National Academy of Sciences, Ukraine (1995) University College Galway, The Society of Saints & Scholars (1995), Institute of Biology, London (1995), and the Tata Institute of Fundamental Research (1996).

Dr. Watson has received honorary degrees from 22 universities and has published five books: Molecular Biology of the Gene, The Double Helix, The DNA Story, Molecular Biology of the Cell, and Recombinant DNA: A Short Course.

He is married to the former Elizabeth Lewis, with whom he has two sons, Rufus and Duncan.

Crick, Francis Harry Compton

Crick, Francis Harry Compton (1916- ), British biophysicist, who helped determine the structure of DNA, a large molecule that stores an organism's genetic information (see Nucleic Acids). Born in Northampton, England, he obtained a Ph.D. degree in physics at Caius College, University of Cambridge, and in 1949 took a position at Cambridge's Laboratory of Molecular Biology. In the early 1950s Crick and the American biochemist James Dewey Watson, with the aid of X-ray diffraction images of large biological molecules made by the British biophysicist Maurice Wilkins, determined the three-dimensional structure of deoxyribonucleic acid (DNA). DNA is the substance that transmits genetic characteristics from one generation to the next, and knowledge of its structure led to rapid advances in genetics. Crick, Watson, and Wilkins shared the 1962 Nobel Prize in physiology or medicine for their work. Crick continued studies of the genetic code and also investigated viruses. In 1976 he joined the Salk Institute for Biological Studies in California, where he became involved in studies on how the brain functions.

"Crick, Francis Harry Compton," Microsoft® Encarta® Online Encyclopedia 2000
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Pedro Gutiérrez Gómez.

Ing. y Dr. en Medicina, Lic. en Nutrición.

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