The Embryo Project Encyclopedia

En abril de 1953, James Watson y Francis Crick publicaron «Molecular Structure of Nucleic Acids: A Structure of Deoxyribose Nucleic Acid» o «A Structure for Deoxyribose Nucleic Acid», en la revista Nature. En el artículo, Watson y Crick proponen una estructura novedosa para el ácido desoxirribonucleico o ADN. En 1944, Oswald T. Avery y su grupo en la Universidad Rockefeller en la Ciudad de Nueva York, Nueva York, publicaron pruebas experimentales de que el ADN contenía los factores biológicos llamados genes que dictan cómo crecen y se desarrollan los organismos. Los científicos no sabían cómo la función DNAás conducía al paso de información genética de célula a célula, o de organismo a organismo. El modelo que Watson y Crick presentaron conectó el concepto de genes con la herencia, el crecimiento y el desarrollo. A partir de 2018, la mayoría de los científicos aceptan el modelo de ADN de Watson y Cricks presentado en el artículo. Por su trabajo sobre el ADN, Watson y Crick compartieron el Premio Nobel de Fisiología o Medicina de 1962 con Maurice Wilkins.

La colaboración que llevó a Watson y Crick a escribir «A Structure of Deoxyribose Nucleic Acid» comenzó en octubre de 1951 poco después de que Watson llegara al Laboratorio Cavendish de la Universidad de Cambridge en Cambridge, Inglaterra. En ese momento, Watson era un investigador postdoctoral de veintitrés años de edad de los Estados Unidos y Crick, a la edad de treinta y cinco años, era un estudiante de doctorado en la Universidad de Cambridge. Watson y Crick comenzaron a estudiar juntos la estructura del ADN poco después de que Watson llegara al Laboratorio Cavendish. Con frecuencia almorzaron juntos y hablaron de su trabajo y el de otros en el laboratorio. Finalmente, miembros de alto nivel del laboratorio le dieron a Watson y Crick un espacio de oficina para compartir.

En 1944, el grupo Averys del Hospital Universitario Rockefeller publicó un artículo que proporcionaba pruebas experimentales de que el ADN contenía genes. Décadas antes de la publicación del artículo de Watson y Cricks, los científicos encontraron evidencia de los bloques de construcción del ADN llamados nucleótidos. Los nucleótidos se componen de tres partes. La parte media del nucleótido es un azúcar desoxirribosa unido a un lado de la desoxirribosa es un grupo fosfato con carga negativa compuesto de fósforo y oxígeno y en el lado opuesto de la desoxirribosa hay una de las cuatro bases de nitrógeno, que varía entre los nucleótidos. Los científicos habían publicado sobre la estructura de las cuatro bases del ADN: adenina, timina, guanina y citosina. La adenina y la guanina están hechas de dos anillos fusionados y se llaman purinas. La citosina y la timina son estructuras de anillos individuales llamadas pirimidinas.

Cuando Watson y Crick escribieron su artículo, se basaron en los resultados de experimentos de cristalografía de rayos X. Para realizar cristalografía de rayos X, los científicos disparan un haz de rayos X, que son ondas electromagnéticas de alta energía a un cristal. Una vez que el haz golpea el cristal, los rayos X se dispersan de una manera que depende de la disposición tridimensional de los átomos en ese cristal. El experimento da como resultado una imagen, llamada patrón de difracción, que los científicos utilizan para determinar la estructura tridimensional del cristal que observan. Durante los años previos a la publicación del artículo, los científicos utilizaron cristalografía de rayos X para aprender sobre la estructura tridimensional del ADN. Aunque Watson y Crick nunca realizaron experimentos de cristalografía de rayos X, utilizaron datos de experimentos realizados por otros científicos para desarrollar su modelo de ADN.

Watson y Crick propusieron un nuevo modelo para la estructura tridimensional del ADN. El artículo constaba de menos de dos páginas y tenía una ilustración. Para comenzar el artículo, Watson y Crick responden a otro modelo de ADN propuesto por Linus Pauling y Robert Corey, dos científicos del Instituto de Tecnología de California en Pasadena, California. Pauling y Corey propusieron un modelo alternativo solo unos meses antes de que Watson y Crick escribieran su artículo.

Watson y Crick comienzan su artículo discutiendo el modelo alternativo propuesto por Pauling y Corey. Aunque no fue descrito en detalle por Watson y Crick, el modelo de ADN de Pauling-Corey era una triple hélice, donde cada una de las tres hebras helicoidales contenía nucleótidos unidos. En el modelo de Pauling-Corey, los grupos de fosfato cargados negativamente se enfrentaban dentro de la triple hélice, y las bases se enfrentaban fuera de la triple hélice. En su artículo, Watson y Crick critican el modelo de Pauling-Corey. Primero, argumentan que las bases del ADN no pueden mirar hacia afuera con los grupos fosfato mirando hacia adentro. Watson y Crick afirman que las hebras de ADN se unen a través de las bases, por lo que si las bases se enfrentan hacia afuera, no habría nada que conecte las hebras de ADN. Los autores también argumentaron que si las espinas dorsales de fosfato cargadas negativamente de las hebras de ADN se enfrentaban hacia adentro, se repelerían entre sí. Además, la disposición de los átomos en la estructura de Pauling-Corey se repelería entre sí. Eso concluye la crítica de Watson y Cricks al modelo de Pauling-Corey en su artículo.

Watson y Crick continúan con una descripción de su estructura de ADN propuesta y un diagrama que acompaña su propuesta. Definen su estructura como una doble hélice, con dos cadenas helicoidales enrolladas alrededor de un eje teórico. Según Watson y Crick, las hebras de ADN corren antiparalelas entre sí. Eso significa que las hebras corren en direcciones opuestas. Los nucleótidos no son moléculas perfectamente simétricas. Tienen una parte superior y una parte inferior. Por lo tanto, cuando las hebras de ADN funcionan antiparalelas como Watson y Crick describen, una hebra tiene los nucleótidos mirando hacia el lado derecho hacia arriba y la otra hebra tiene los nucleótidos mirando hacia abajo.

Watson y Crick profundizan la descripción de su estructura comparándola con un modelo de una cadena de ácidos nucleicos propuesto por Sven Furberg, cristalógrafo del Birbeck College, en Londres, Reino Unido, en 1952. Watson y Crick dicen que, al igual que el modelo de Furbergs, su modelo de ADN tiene las bases orientadas hacia el interior de la doble hélice y las espinas dorsales de fosfato orientadas hacia el exterior de la doble hélice. También similar a la estructura de Furbergs, Watson y Crick explican que las bases son perpendiculares a los anillos de desoxirribosa y grupos fosfato de los nucleótidos. En otras palabras, las bases son como peldaños de una escalera y los grupos de azúcar desoxirribosa y fosfato son como los rieles de la escalera. Después de describir algunos detalles restantes sobre su estructura, Watson y Crick terminan su descripción general de su modelo de ADN.

Watson y Crick luego discuten las características novedosas pertenecientes a su modelo de ADN. La primera característica que discuten los autores es cómo se conectan las dos hebras de ADN. Los autores afirman que una base única de una hebra de ADN se une a una base única de la hebra de ADN opuesta a través de enlaces de hidrógeno. En el ADN, los enlaces de hidrógeno ocurren entre átomos de hidrógeno y átomos de oxígeno o nitrógeno. Mientras que los enlaces de hidrógeno son más débiles que los enlaces de fosfato que conectan nucleótidos en cada hebra de ADN, son lo suficientemente fuertes como para mantener unidas las dos hebras helicoidales. Watson y Crick explican que para que se produzca un enlace de hidrógeno adecuado, dentro de cada par de bases conectadas, una base debe ser una purina, un anillo doble, y una base debe ser una pirimidina, un anillo único.

A continuación, Watson y Crick describen la identidad específica de cada base en un par de bases. Los autores asumen que cada una de las cuatro bases solo puede emparejarse con otro tipo de base. La adenina, una purina, solo puede emparejarse con timina, una pirimidina. La guanina, una purina, solo puede emparejarse con la citosina, una pirimidina. Basándose en esa lógica, Watson y Crick explican que la secuencia de bases a lo largo de una cadena de ADN determina automáticamente la secuencia de la otra cadena. Cada base a lo largo de una hebra de ADN se empareja con su única contraparte viable en la hebra opuesta. Para apoyar su afirmación sobre el recorte de base específico, Watson y Crick citan evidencia experimental. Erwin Chargaff de la Universidad de Columbia en la Ciudad de Nueva York, Nueva York, obtuvo esa evidencia. Los autores explican que Chargaff determinó que en el ADN la proporción de adenina a timina y guanina a citosina es siempre aproximadamente de uno a uno. Eso significa que la cantidad de adenina en el ADN es aproximadamente igual a la cantidad de timina, y la cantidad de guanina es aproximadamente igual a la cantidad de citosina, que es el caso probable si el emparejamiento de bases en el ADN es específico.

Después de la discusión del emparejamiento de bases, Watson y Crick concluyen con la evidencia de cristalografía de rayos X que utilizaron para generar su modelo de ADN. Watson y Crick reconocen que la evidencia cristalográfica de rayos X de ADN publicada antes de escribir su artículo no pudo confirmar su modelo por sí sola y necesita más evidencia experimental para probar su modelo. Watson y Crick postulan entonces que el mecanismo de emparejamiento de bases que propusieron implicaba un posible mecanismo de replicación del ADN, aunque no describen ese mecanismo. Los autores terminan su artículo con agradecimientos.

Al desarrollar su modelo de ADN, Watson y Crick se basaron en datos experimentales de cristalografía de rayos X inéditos. Científicos del Kings College London en Londres, Reino Unido, recopilaron esos datos. Rosalind Franklin, una química, y su estudiante de posgrado, Raymond Gosling, recopilaron los datos. Watson y Crick reconocieron a esos individuos en su artículo. De 1951 a 1953, Franklin y Gosling recopilaron imágenes de patrones de difracción de rayos X de ADN, que obtuvieron de los rayos X de cristales de ADN. Cuando Watson y Crick escribieron «Una Estructura para el Ácido Nucleico de Desoxirribosa», Franklin y Gosling no habían publicado sus imágenes de difracción de ADN más claras, a pesar de que esas imágenes tenían mejoras con respecto a los datos publicados en ese momento. A principios de 1953, sin el conocimiento de Franklins, Maurice Wilkins, un compañero de trabajo en el Kings College, mostró a Watson uno de los patrones de difracción claros de Franklins del ADN. Más tarde, Watson y Crick recibieron un informe que Franklin escribió sobre sus hallazgos experimentales. Ese informe contenía datos presentados por Franklin en un coloquio en el Kings College en 1951. Al desarrollar su propio modelo de ADN, Watson y Crick sacaron conclusiones de los datos contenidos en la imagen de difracción de Franklins y en su informe.

En 1962, Watson y Crick compartieron el Premio Nobel de Fisiología o Medicina con Wilkins por sus hallazgos relacionados con la estructura del ADN y su papel en la genética, muchos de los cuales aparecieron en «A Structure for Deoxyribose Nucleic Acid».»Franklin murió en 1958 antes de la concesión del Premio Nobel de 1962 y no recibió el Premio Nobel, la concesión del Premio Nobel nunca es póstuma. Algunas personas especulan que si estuviera viva lo recibiría por su contribución a resolver la estructura del ADN. Otros no pensaron que ella hizo contribuciones cruciales a la solución de la estructura del ADN. El rol que Franklin jugó en el descubrimiento de la estructura solo se realizó después de la publicación del libro de Watsons The Double Helix: A Personal Account of the Discovery of the Structure of DNA en 1968. Aaron Klug, último estudiante de posgrado de Franklins y colega en Birkbeck College, en Londres, heredó sus cuadernos y documentos cuando murió y publicó, «Rosalind Franklin and the Discovery of the Structure of DNA», una revisión de sus cuadernos y documentos después de la publicación de Watsons book. Franklin y Gosling publicaron cinco artículos sobre la estructura del ADN, los dos primeros enviados a imprenta antes de que Franklin supiera del Modelo de Watson-Crick. Estos documentos eran documentos muy técnicos que trataban de la cristalografía de rayos X, lo que puede ser la razón por la que no recibieron más atención.

La estructura del ADN de Watson y Cricks ha permanecido ampliamente aceptada entre los científicos a lo largo del siglo XXI. La estructura tridimensional del ADN propuesta por Watson y Crick se llama ADN de forma B, terminología que Franklin acuñó cuando recopiló por primera vez los patrones de difracción de esa forma de ADN. El ADN en forma B es la conformación más estable del ADN bajo condiciones fisiológicas, aunque el ADN puede adoptar otras confirmaciones tridimensionales dependiendo de su secuencia de base y su entorno circundante. Durante los siete años siguientes a la publicación en 1953 de «Una estructura de ácido Desoxirribonucleico», Wilkins y su equipo de investigación obtuvieron imágenes de difracción de rayos X de mayor resolución de ADN en forma B de una variedad de especies. A partir de las imágenes de mayor calidad, Wilkins hizo pequeños ajustes a las dimensiones de la estructura del ADN de Watson y Cricks.

«»Una estructura de Ácido Nucleico Desoxirriboso» tuvo impactos inmediatos tanto en el estudio del ADN como material genético como en el campo de la biología molecular. El artículo de Watson y Cricks alejó a los científicos de la cuestión de cómo se estructuraba el ADN y se dirigió a la cuestión de cómo funcionaba el ADN. Más tarde, en 1953, Watson y Crick escribieron un segundo artículo, «Implicaciones genéticas de la Estructura del Ácido Desoxirribonucleico», que abordaba cómo el ADN podría autorreplicarse para transmitir la información genética codificada en él.