EL ADN
El ácido desoxirribonucleico, frecuentemente abreviado como ADN,
es un ácido nucleico que contiene instrucciones genéticas
usadas en el desarrollo y funcionamiento de todos los organismos
vivos conocidos y algunos virus, y es responsable de su transmisión hereditaria. El papel principal de la molécula
de ADN es el almacenamiento a largo plazo de información.
Muchas veces, el ADN es comparado con un plano o una receta, o un código, ya que contiene las instrucciones
necesarias para construir otros componentes de las células,
como las proteínas
y las moléculas de ARN. Los segmentos de ADN que llevan esta
información genética son llamados genes, pero las otras secuencias de ADN tienen propósitos
estructurales o toman parte en la regulación del uso de esta información
genética.
Para que la información que contiene el ADN pueda ser utilizada
por la maquinaria celular, debe copiarse en primer lugar en unos trenes de
nucleótidos, más cortos y con unas unidades diferentes, llamados ARN. Las moléculas
de ARN se copian exactamente del ADN mediante un proceso denominado transcripción. Una vez procesadas en el núcleo
celular, las moléculas de ARN pueden salir al citoplasma
para su utilización posterior. La información contenida en el ARN se interpreta
usando el código genético, que especifica la secuencia de
los aminoácidos
de las proteínas, según una correspondencia de un triplete de nucleótidos (codón)
para cada aminoácido.
Composición.-
El ADN es un largo polímero
formado por unidades repetitivas, los nucleótidos.
Una doble cadena de ADN mide de 22 a 26 angstroms
(2,2 a 2,6 nanómetros) de ancho, y una unidad (un nucleótido) mide 3,3 Å
(0,33 nm) de largo. Aunque cada unidad individual que se repite es muy pequeña,
los polímeros de ADN pueden ser moléculas
enormes que contienen millones de nucleótidos.
Por ejemplo, el cromosoma humano más largo, el cromosoma
número 1, tiene aproximadamente 220 millones de pares de
bases.
Componentes
Estructura
de soporte: La estructura de soporte de una hebra de ADN está formada por
unidades alternas de grupos fosfato y azúcar. El
azúcar en el ADN es una pentosa, concretamente, la desoxirribosa.
Enlace fosfodiéster. El grupo fosfato
(PO43-) une el carbono
5' del azúcar
de un nucleósido
con el carbono
3' del siguiente.
Su fórmula química es H3PO4. Cada nucleótido
puede contener uno (monofosfato: AMP), dos (difosfato: ADP) o tres (trifosfato: ATP) grupos de ácido fosfórico, aunque como
monómeros constituyentes de los ácidos nucleicos sólo aparecen en forma de
nucleósidos monofosfato.
Es un monosacárido
de 5 átomos
de carbono
(una pentosa)
derivado de la ribosa,
que forma parte de la estructura de nucleótidos del ADN. Su fórmula es C5H10O4.
Una de las principales diferencias entre el ADN y el ARN es el azúcar,
pues en el ARN la 2-desoxirribosa del ADN es reemplazada por una pentosa
alternativa, la ribosa..
Las moléculas de azúcar se
unen entre sí a través de grupos fosfato, que forman enlaces fosfodiéster entre los átomos de
carbono tercero (3′, «tres prima») y quinto (5′, «cinco prima») de dos anillos
adyacentes de azúcar. La formación de enlaces
asimétricos implica que cada hebra de ADN tiene una dirección. En una doble hélice,
la dirección de los nucleótidos en una hebra (3′ → 5′) es opuesta a la dirección
en la otra hebra (5′ → 3′). Esta organización de las hebras de ADN se denomina antiparalela;
son cadenas paralelas, pero con direcciones opuestas. De la misma manera, los
extremos asimétricos de las hebras de ADN se denominan extremo 5′
(«cinco prima») y extremo 3′
(«tres prima»), respectivamente.
Las cuatro bases
nitrogenadas mayoritarias que se encuentran en el ADN son la adenina
(A), la citosina
(C), la guanina
(G) y la timina
(T). Cada una de estas cuatro bases está unida al armazón de azúcar-fosfato a
través del azúcar para formar el nucleótido completo (base-azúcar-fosfato). Las
bases son compuestos heterocíclicos y aromáticos
con dos o más átomos
de nitrógeno,
y, dentro de las bases mayoritarias, se clasifican en dos grupos: las bases púricas o purinas
(adenina y guanina), derivadas de la purina y
formadas por dos anillos unidos entre sí, y las bases pirimidínicas o bases pirimídicas o pirimidinas
(citosina y timina), derivadas de la pirimidina y con un solo anillo. En los
ácidos nucleicos existe una quinta base pirimidínica, denominada uracilo
(U), que normalmente ocupa el lugar de la timina en el ARN y difiere de ésta en
que carece de un grupo metilo en su anillo. El uracilo no se encuentra
habitualmente en el ADN, sólo aparece raramente como un producto residual de la
degradación de la citosina por procesos de desaminación oxidativa.
·
Timina:
En el código genético se representa con la letra T.
Es un derivado pirimidínico con un grupo oxo en las posiciones 2 y 4, y un grupo metil en la posición
5. Forma el nucleósido timidina (siempre desoxitimidina, ya que sólo aparece en el
ADN) y el nucleótido timidilato o timidina monofosfato (dTMP). En el ADN, la timina
siempre se empareja
con la adenina de la cadena complementaria mediante 2 puentes de hidrógeno, T=A. Su fórmula química
es C5H6N2O2 y su nomenclatura 2, 4-dioxo, 5-metilpirimidina.
·
Citosina:
En el código genético se
representa con la letra C. Es un derivado pirimidínico, con un grupo amino
en posición 4 y un grupo oxo en posición 2. Forma el nucleósido
citidina
(desoxicitidina en el ADN) y el nucleótido
citidilato
o (desoxi)citidina monofosfato (dCMP en el ADN, CMP en el ARN). La citosina
siempre se empareja
en el ADN con la guanina de la cadena complementaria mediante un triple enlace,
C≡G. Su fórmula química es C4H5N3O y su nomenclatura 2-oxo, 4 aminopirimidina.
Su masa
molecular es de 111,10 unidades de masa atómica. La citosina se
descubrió en 1894, al aislarla del tejido del timo de carnero.
·
Adenina:
En el código genético se
representa con la letra A. Es un derivado de la purina con un grupo amino en la
posición 6. Forma el nucleósido adenosina (desoxiadenosina en el ADN) y el nucleótido adenilato o (desoxi)adenosina monofosfato
(dAMP, AMP). En el ADN siempre se empareja
con la timina de la cadena complementaria mediante 2 puentes de hidrógeno, A=T.
Su fórmula química es C5H5N5 y su nomenclatura 6-aminopurina. La adenina, junto
con la timina, fue descubierta en 1885 por el médico alemán Albrecht
Kossel.
·
Guanina:
En el código genético se
representa con la letra G. Es un derivado púrico con un grupo oxo en la
posición 6 y un grupo amino en la posición 2. Forma el nucleósido (desoxi)guanosina
y el nucleótido guanilato o (desoxi)guanosina monofosfato
(dGMP, GMP). La guanina siempre se empareja
en el ADN con la citosina de la cadena complementaria mediante tres enlaces de
hidrógeno, G≡C. Su fórmula química es C5H5N5O y su nomenclatura 6-oxo,
2-aminopurina.
También
existen otras bases nitrogenadas (las llamadas bases nitrogenadas minoritarias),
derivadas de forma natural o sintética de alguna otra base mayoritaria. Lo son
por ejemplo la hipoxantina, relativamente abundante en el tRNA, o la cafeína,
ambas derivadas de la adenina; otras, como el aciclovir,
derivadas de la guanina, son análogos sintéticos usados en terapia antiviral;
otras, como una de las derivadas del uracilo, son antitumorales.
Las
bases nitrogenadas tienen una serie de características que les confieren unas
propiedades determinadas. Una característica importante es su carácter aromático,
consecuencia de la presencia en el anillo de dobles enlaces en posición
conjugada. Ello les confiere la capacidad de absorber luz en la zona ultravioleta
del espectro en torno a los 260 nm, lo cual puede
aprovecharse para determinar el coeficiente de extinción del ADN y hallar la
concentración existente de los ácidos nucleicos. Otra de sus características es
que presentan tautomería o isomería
de grupos funcionales, debido a que un átomo de hidrógeno
unido a otro átomo puede migrar a una posición vecina; en las bases
nitrogenadas se dan dos tipos de tautomerías: tautomería lactama-lactima, donde el hidrógeno migra del
nitrógeno al oxígeno
del grupo oxo (forma lactama) y viceversa (forma lactima), y tautomería imina-amina primaria, donde el
hidrógeno puede estar formando el grupo amina (forma amina primaria) o migrar
al nitrógeno adyacente (forma imina). La adenina sólo puede presentar
tautomería amina-imina, la timina y el uracilo muestran tautomería doble
lactama-lactima, y la guanina y citosina pueden presentar ambas. Por otro lado,
y aunque se trate de moléculas apolares, las bases nitrogenadas presentan suficiente carácter
polar como para establecer puentes de hidrógeno, ya que tienen átomos
muy electronegativos (nitrógeno y oxígeno) que
presentan carga parcial negativa, y átomos de hidrógeno con carga parcial
positiva, de manera que se forman dipolos que permiten que se formen estos enlaces débiles.
Se
estima que el genoma humano haploide
tiene alrededor de 3.000 millones de pares de bases. Para indicar el tamaño de
las moléculas de ADN se indica el número de pares de bases, y como derivados
hay dos unidades de medida muy utilizadas, la kilobase
(kb), que equivale a 1.000 pares de bases, y la megabase (Mb), que equivale a un millón de
pares de bases.
Otros tipos de
pares de bases
Par de bases A=T de tipo Watson-Crick. En azul el donador de
hidrógenos y en rojo el aceptor.
Par de bases A=T de tipo Watson-Crick reverso. En azul el
donador de hidrógenos y en rojo el aceptor. Nótese que la pirimidina ha sufrido
un giro de 180º sobre el eje del carbono 6.
Existen diferentes tipos de pares de
bases que se pueden formar según el modo como se forman los puentes de
hidrógeno. Los que se observan en la doble hélice de ADN son los llamados pares
de bases Watson-Crick, pero
también existen otros posibles pares de bases, como los denominados Hoogsteen y
Wobble u oscilante, que pueden aparecer en circunstancias particulares. Además,
para cada tipo existe a su vez el mismo par reverso, es decir, el que se da si
se gira la base pirimidínica 180º sobre su eje.- Watson-Crick
(pares de bases de la doble hélice): los grupos de la base púrica que
intervienen en el enlace de hidrógeno son los que corresponden a las
posiciones 1 y 6 (N aceptor y -NH2 donador si la purina es una A) y los
grupos de la base pirimidínica, los que se encuentran en las posiciones 3
y 4 (-NH donador y C=O aceptor si la pirimidina es una T). En el par de
bases Watson-Crick reverso participarían los grupos de las posiciones 2 y
3 de la base pirimidínica (ver imágenes).
- Hoogsteen: en este
caso cambian los grupos de la base púrica, que ofrece una cara diferente
(posiciones 6 y 7) y que forman enlaces con los grupos de las pirimidinas
de las posiciones 3 y 4 (como en Watson-Crick). También puede haber
Hoogsteen reversos. Con este tipo de enlace pueden unirse A=U (Hoogsteen y
Hoogsteen reverso) y A=C (Hoogsteen reverso).
- Wobble u oscilante:
este tipo de enlace permite que se unan guanina y citosina con un doble
enlace (G=T). La base púrica (G) forma enlace con los grupos de las
posiciones 1 y 6 (como en Watson-Crick) y la pirimidina (T) con los grupos
de las posiciones 2 y 3. Este tipo de enlace no funcionaría con A=C, ya
que quedarían enfrentados los 2 aceptores y los 2 donadores, y sólo se
podría dar en el caso inverso. Encontramos pares de bases de tipo
oscilante en el ARN, durante el apareamiento de codón
y anticodón.
Con este tipo de enlace pueden unirse G=U (oscilante y oscilante reverso)
y A=C (oscilante reverso).
Estructura
El ADN es una molécula
bicatenaria, es decir, está formada por dos cadenas dispuestas de forma antiparalela
y con las bases nitrogenadas enfrentadas. En su estructura tridimensional, se
distinguen distintos niveles:Estructura primaria:
- Secuencia de nucleótidos
encadenados. Es en estas cadenas donde se encuentra la información
genética, y dado que el esqueleto es el mismo para todos, la diferencia
de la información radica en la distinta secuencia de bases nitrogenadas.
Esta secuencia presenta un código, que determina una información u otra,
según el orden de las bases.
Estructura secundaria:
- Es una estructura
en doble hélice. Permite explicar el almacenamiento de la
información genética y el mecanismo de duplicación del ADN. Fue postulada
por Watson y Crick, basándose en la difracción de rayos X que habían
realizado Franklin y Wilkins, y en la equivalencia de bases de Chargaff,
según la cual la suma de adeninas más guaninas es igual a la suma de
timinas más citosinas.
- Es una cadena doble,
dextrógira o levógira, según el tipo de ADN. Ambas
cadenas son complementarias, pues la adenina y la guanina de una cadena
se unen, respectivamente, a la timina y la citosina de la otra. Ambas
cadenas son antiparalelas, pues el extremo 3´ de una se enfrenta al
extremo 5´ de la homóloga.
- Existen tres modelos
de ADN. El ADN de tipo B es el más abundante y es el que tiene la
estructura descrita por Watson y Crick.
Estructura terciaria:
- Se refiere a cómo se
almacena el ADN en un espacio reducido, para formar los cromosomas.
Varía según se trate de organismos procariotas
o eucariotas:
- En procariotas
el ADN se pliega como una súper-hélice, generalmente en forma circular y
asociada a una pequeña cantidad de proteínas. Lo mismo ocurre en orgánulos
celulares como las mitocondrias y en los cloroplastos.
- En eucariotas, dado que la cantidad de
ADN de cada cromosoma es muy grande, el
empaquetamiento ha de ser más complejo y compacto; para ello se necesita
la presencia de proteínas, como las histonas
y otras
proteínas de naturaleza no histónica (en los espermatozoides
estas proteínas son las protaminas).[
La forma "A" es una espiral que gira hacia la derecha, más amplia que la "B", con una hendidura menor superficial y más amplia, y una hendidura mayor más estrecha y profunda. La forma "A" ocurre en condiciones no fisiológicas en formas deshidratadas de ADN, mientras que en la célula puede producirse en apareamientos híbridos de hebras ADN-ARN, además de en complejos enzima-ADN.[][
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