Estructura del ADN

Estructura del ADN: Visión general

ADN significaácido desoxirribonucleico, y es un polímero compuesto de muchas pequeñas unidades monoméricas llamadas nucleótidos. Este polímero está formado por dos hebras que se enrollan una alrededor de la otra en una forma retorcida que llamamos doble hélice (Fig. 1). Para comprender mejor la estructura del ADN, tomemos sólo una de las hebras y desenrollémosla; observarás cómo los nucleótidos forman una cadena.

Fig. 2: Una sola hebra de ADN es un polímero, una larga cadena de unidades más pequeñas llamadas nucleótidos.

Estructura de los nucleótidos del ADN

Como puedes ver en el diagrama siguiente, cada estructura de nucleótidos del ADN consta de tres partes diferentes. Por un lado, tenemos un fosfato cargado negativamente que está unido a una molécula cerrada de desoxirribosa (un azúcar de 5 carbonos) que a su vez está unida a una base nitrogenada.

Fig. 3: Estructura de los nucleótidos del ADN: un azúcar desoxirribosa, una base nitrogenada y un grupo fosfato.

Todos los nucleótidos tienen los mismos grupos fosfato y azúcar. Pero en lo que respecta a la base nitrogenada, existen cuatro tipos diferentes, a saber, adenina (A), timina (T), citosina (C) y guanina (G). Estas cuatro bases pueden clasificarse en dos grupos en función de su estructura.

• A y G tienen dos anillos y se denominan purinas,
• mientras que C y T sólo tienen un anillo y se llaman pirimidinas.

Como cada nucleótido contiene una base nitrogenada, en realidad hay cuatro nucleótidos diferentes en el ADN, ¡un tipo para cada una de las cuatro bases diferentes!

Como ya hemos dicho, la molécula de ADN está formada por dos cadenas de polinucleótidos. Estas dos cadenas se mantienen unidas mediante enlaces de hidrógeno formados entre las bases nitrogenadas pirimidínicas y purínicas de las cadenas opuestas. Pero lo importante es que sólo las bases complementarias pueden emparejarse entre sí. Así, la A siempre tiene que emparejarse con la T, y la C siempre tiene que emparejarse con la G. Llamamos a este concepto emparejamiento de bases complementarias, y nos permite averiguar cuál será la secuencia complementaria de una cadena.

Como A siempre se empareja con T, y G siempre se empareja con C, la proporción de nucleótidos A en la doble hélice de ADN es igual a la de T. Y de forma similar, para C y G, su proporción en una molécula de ADN es siempre igual entre sí. Además, siempre hay cantidades iguales de bases purina y pirimidina en una molécula de ADN. En otras palabras, [A] + [G] = [T] + [C].

Enlaces de hidrógeno entre nucleótidos del ADN

Determinados átomos de hidrógeno de una base pueden actuar como donantes de enlaces de hidrógeno y formar un enlace relativamente débil con un aceptor de enlaces de hidrógeno (átomos específicos de oxígeno o nitrógeno) de otra base. A y T tienen un donante y un aceptor cada una, por lo que forman dos enlaces de hidrógeno entre sí. Por otra parte, C tiene un donante y dos aceptores y G tiene un aceptor y dos donantes. Por tanto, C y G pueden formar tres enlaces de hidrógeno entre sí.

Estructura molecular del ADN

Ahora que hemos aprendido las estructuras de los nucleótidos del ADN, veremos cómo forman la estructura molecular del ADN. Si te has fijado, las secuencias de ADN de la última sección tenían dos números a cada lado: 5 y 3. Quizá te preguntes qué significan. Pues bien, como hemos dicho, la molécula de ADN es una doble hélice compuesta por dos hebras que están emparejadas mediante enlaces de hidrógeno formados entre bases complementarias. Y hemos dicho que las cadenas de ADN tienen un esqueleto de azúcar-fosfato que mantiene unidos a los nucleótidos.

Fig. 4: La estructura molecular del ADN consiste en dos hebras que forman una doble hélice.

Ahora bien, si observamos detenidamente una cadena de ADN, veremos que los dos extremos de la cadena principal de azúcar-fosfato no son iguales. En un extremo, tienes el azúcar ribosa como último grupo, mientras que en el otro extremo, el último grupo debe ser un grupo fosfato. Tomamos el grupo azúcar ribosa como inicio de la cadena y lo marcamos con 5'. por convención científica Y lo habrás adivinado, el otro extremo que termina con un grupo fosfato se marca con 3'. Ahora bien, si te preguntas por qué esto es importante, pues bien, las dos hebras complementarias de una doble hélice de ADN están, de hecho, en dirección opuesta la una de la otra. Esto significa que si una hebra va de 5' a 3', ¡la otra iría de 3' a 5'!

Así que si utilizamos la secuencia de ADN que hemos usado en el último párrafo, las dos hebras tendrían este aspecto

5' TCAGTGCAA 3'

3' AGTCACGTT 5'

La molécula de ADN es muy larga, por lo que necesita estar muy condensada para poder caber dentro de una célula. El complejo formado por una molécula de ADN y unas proteínas de empaquetamiento llamadas histonas se denomina cromosoma.

Estructura y función del ADN

Como todo en biología, la estructura y la función del ADN están estrechamente relacionadas. Las características de la estructura de la molécula de ADN están adaptadas a su función principal, que es dirigir la síntesis de proteínas, las moléculas clave de las células. Desempeñan diversas funciones esenciales, como catalizar reacciones biológicas como enzimas, proporcionar soporte estructural a células y tejidos, actuar como agentes de señalización, ¡y muchas más!

Fig. 5: Estructura y función del ADN: la secuencia de nucleótidos del ADN codifica la secuencia de aminoácidos de una proteína.

El código genético

Es posible que ya hayas oído hablar del término código genético. Se refiere a la secuencia de bases que codifican un aminoácido. Los aminoácidos son los componentes básicos de las proteínas. Como ya se ha dicho, las proteínas son una enorme familia de biomoléculas que realizan la mayor parte del trabajo en los organismos vivos. Las células necesitan poder sintetizar una plétora de proteínas para realizar sus funciones. La secuencia de ADN, o más concretamente la secuencia de ADN en un gen, dicta la secuencia de aminoácidos para fabricar proteínas.

Para ello, cada grupo de tres bases (llamado triplete o codón) codifica un aminoácido concreto. Por ejemplo, AGT codificaría un aminoácido (llamado serina), mientras que GCT (llamado alanina) codificaría otro diferente.

Autorreplicación del ADN

Ahora que hemos establecido que la secuencia de bases en el ADN determina la secuencia de aminoácidos en las proteínas, podemos entender por qué es importante que la secuencia de ADN se transmita de una generación de células a otra.

El emparejamiento de bases complementarias de los nucleótidos en la estructura del ADN permite que la molécula se replique durante la división celular. Durante la preparación para la división celular, la hélice de ADN se separa a lo largo del centro en dos hebras simples. Estas hebras simples actúan como plantillas para la construcción de dos nuevas moléculas de ADN de doble cadena, ¡cada una de las cuales es una copia de la molécula de ADN original!

El descubrimiento de la estructura del ADN

Sumerjámonos en la historia que hay detrás de este gran descubrimiento. El científico estadounidense James Watson y el físico británico Francis Crick desarrollaron su modelo icónico de la doble hélice del ADN a principios de la década de 1950. La científica británica Rosalind Franklin, que trabajaba en el laboratorio del físico Maurice Wilkins, proporcionó algunas de las pistas más importantes sobre la estructura del ADN.

Franklin era una maestra en cristalografía de rayos X, una poderosa técnica para descubrir la estructura de las moléculas. Cuando un haz de rayos X incide sobre la forma cristalizada de una molécula, como el ADN, parte de los rayos son desviados por los átomos del cristal, generando un patrón de difracción que revela información sobre la estructura de la molécula. La cristalografía de Franklin proporcionó pistas vitales a Watson y Crick sobre la estructura del ADN.

La famosa "Foto 51" de Franklin y su estudiante de posgrado, una imagen de difracción de rayos X del ADN de gran nitidez, proporcionó pistas vitales a Watson y Crick. El patrón de difracción en forma de X indicaba instantáneamente una estructura helicoidal bicatenaria del ADN. Watson y Crick reunieron datos de diversos investigadores, entre ellos Franklin y otros científicos, para crear su famoso modelo tridimensional de la estructura del ADN.

Fig. 6: Patrón de difracción de rayos X del ADN.