ESTRUCTURA DEL ADN

 EL ADN

 

¿DE DONDE PROVIEN EL ADN?

 

La información con la que se fabrican las moléculas necesarias para el mantenimiento de las funciones celulares está guardada en una molécula de ácido nucleico llamada ácido desoxirribonucleico (ADN). En este apartado describiremos su estructura y explicaremos cómo se almacena dentro del núcleo celular.

En la década de los cincuenta, el campo de la biología fue convulsionado por el desarrollo del modelo de la estructura del ADN. James Watson y Francis Crick en 1953 demostraron que consiste en una doble hélice formada por dos cadenas.

El ADN es un ácido nucleico formado por nucleótidos. Cada nucleótido consta de tres elementos:

1. un azúcar: desoxirribosa en este caso (en el caso de ARN o ácido ribonucleico, el azúcar que lo forma es una ribosa),
2. un grupo fosfato y
3. una base nitrogenada

Si la molécula tiene sólo el azúcar unido a la base nitrogenada entonces se denomina nucleósido.

Las bases nitrogenadas que constituyen parte del ADN son: adenina (A), guanina (G), citosina (C) y timina (T). Estas forman puentes de hidrógeno entre ellas, respetando una estricta complementariedad: A sólo se aparea con T (y viceversa) mediante dos puentes de hidrógeno, y G sólo con C (y viceversa) mediante 3 puentes de hidrógeno.

Los extremos de cada una de las hebras del ADN son denominados 5’-P (fosfato) y 3’–OH (hidroxilo) en la desoxirribosa. Las dos cadenas se alinean en forma paralela, pero en direcciones inversas (una en sentido 5’ → 3’ y la complementaria en el sentido inverso), pues la interacción entre las dos cadenas está determinada por los puentes de hidrógeno entre sus bases nitrogenadas. Se dice, entonces, que las cadenas son antiparalelas.

 

 

Figura 1. Estructura del ADN. El ácido desoxirribonucleico es un polímero de dos cadenas antiparalelas (orientación 5’ 3’ y 3’ 5’).

Cada cadena está compuesta por unidades de un azúcar (desoxirribosa), un fosfato y una base nitrogenada unidas entre si por enlaces fosfodiéster. Las bases presentes en el ADN son: adenina (A), timina (T), citosina (C) y guanina (G). Para recordar cómo aparean entre sí las bases podemos pensar en las iniciales de dos grandes personajes del tango: Aníbal Troilo (adenina es la base complementaria de timina) y Carlos Gardel (citosina es la comlementaria a guanina).

 

COMPOSICIÓN QUÍMICA DE LOS ÁCIDOS NUCLEICOS:

Miescher en 1871 aisló del núcleo de las células de pus una sustancia ácida rica en fósforo que llamó "nucleína". Un año más tarde, en 1872, aisló de la cabeza de los espermas del salmón un compuesto que denominó "protamina" y que resultó ser una sustancia ácida y otra básica. El nombre de ácido nucleico procede del de "nucleína" propuesto por Miescher.

Cuando se realiza la hidrólisis completa de los ácidos nucleicos, se obtienen tres tipos de componentes principales:

• Azúcar, en concreto una pentosa.
• Bases nitrogenadas: púricas y pirimidínicas.
• Ácido fosfórico.

El azúcar, en el caso de los ácidos desoxirribonucleicos (ADN) es la 2-desoxi-D-ribosa y en el caso de los ácidos ribonucleicos (ARN) es la D-ribosa.

Pentosas	Ácido fosfórico

Las bases nitrogenadas que forman parte de los ácidos nucleicos son de dos tipos, púricas y pirimidínicas. Las bases púricas derivadas de la purina (fusión de un anillo pirimidínico y uno de imidazol) son la Adenina (6-aminopurina) y la Guanina (2-amino-6-hidroxipurina). Las bases pirimidínicas (derivadas de la pirimidina) son la Timina (2,6-dihidroxi-5-metilpirimidina o también llamada 5-metiluracilo), Citosina (2-hidroxi-6-aminopirimidina) y Uracilo (2,6-dihidroxipirimidina). Las bases nitrogenadas que forman normalmente parte del ADN son: Adenina (A), Guanina (G), Citosina y Timina (T). Las bases nitrogenadas que forman parte de el ARN son: Adenina (A), Guanina (G), Citosina (C) y Uracilo (U). Por tanto, la Timina es específica del ADN y el Uracilo es específico del ARN.

Bases Púricas	Bases Pirimidínicas

Además de las bases nitrogenadas anteriormente descritas, se han encontrado otras bases nitrogenadas en algunos virus o formando parte de algunos tipos especiales de ARNs. Ejemplos de algunas de estas bases púricas poco corrientes son: Hipoxantina, Xantina, 2-metiladenina, 6-metil-aminopurina. Entre las bases pirimidínicas podríamos citar la 5-metilcitosina (propia del ADN) y la 5-hidroximetil citosina (HMC) que sustituye a la citosina en los fagos T-pares.

En los ARN transferentes (ARN-t) que intervienen en el proceso de traducción de proteínas se encuentran la Ribotimidina, Dihidrouridina, Seudouridina e Inosina (I).

La unión de la base nitrogenada a la pentosa recibe el nombre de nucleósido y se realiza a través del carbono 1’ de la pentosa y los nitrógenos de las posiciones 3 (pirimidinas) o 9 (purinas) de las bases nitrogenadas mediante un enlace de tipo N-glucosídico. La unión del nucleósido con el ácido fosfórico se realiza a través de un enlace de tipo éster entre el grupo OH del carbono 5’ de la pentosa y el ácido fosfórico, originando un nucleótido. Los nucleótidos son las unidades o monómeros utilizados para construir largas cadenas de polinucleótidos.

• Nucleósido = Pentosa + Base nitrogenada.
• Nucleótido = Pentosa + Base nitrogenada + Ácido fosfórico.
• Polinucleóotido = Nucleótido + Nucleótido + Nucleótido + ....

Nucleótido

Tanto los nucleótidos como los nucleósidos pueden contener como azúcar la D-ribosa (ribonucleótidos y ribonucleósidos) o la pentosa 2-desoxi-D-ribosa (desoxirribonucleótidos y desoxirribonucleósidos).

Además, los nucleótidos pueden tener 1, 2 ó 3 grupos fosfato unidos al carbono 5’ de la pentosa, existiendo por tanto, nucleótidos 5’ monofosfato, nucleótidos 5’ difosfato y nucleótidos 5’ trifosfato. En algunos casos el ácido fosfórico se une a la pentosa por el carbono 3’, existiendo nucleótidos 3’ monofosfato, difosfato o trifosfato según el número de grupos fosfato que posea.

La terminología empleada para referirse a los nucleósidos y nucleótidos es la siguiente:

Base Nitrogenada	Nucleósido	Nucleótido
Adenina	Adenosina	Ácido Adenílico
Guanina	Guanidina	Ácido Guanílico
Citosina	Citidina	Ácido Citidílico
Timina	Timidina	Ácido Timidílico
Uracilo	Uridina	Ácido Uridílico

Los nucleótidos se unen entre si para formar largas cadenas de polinuclóetidos, esta unión entre monómeros nucleótidos se realiza mediante enlaces fosfodiéster entre los carbonos de las posiciones 3’ de un nucleótido con la 5’ del siguiente.

Polinucleótido

 

PROPORCIONES DE LAS BASES NITROGENADAS: REGLAS DE CHARGAFF

Al principio se pensaba que los ácidos nucleicos eran la repetición monótona de un tetranucleótido, de forma que no tenían variabilidad suficiente para ser la molécula biológica que almacenara la información. Sin embargo, Chargaff (1950) demostró que las proporciones de las bases nitrogenadas eran diferentes en los distintos organismos, aunque seguían algunas reglas. Estas reglas de Chargaff se cumplen en los organismos cuyo material hereditario es ADN de doble hélice y son las siguientes:

REGLAS DE CHARGAFF PARA ADN DE DOBLE HÉLICE

Edwin Chargaff

La proporción de Adenina (A) es igual a la de Timina (T). A = T . La relación entre Adenina y Timina es igual a la unidad (A/T = 1). La proporción de Guanina (G) es igual a la de Citosina (C). G= C. La relación entre Guanina y Citosina es igual a la unidad ( G/C=1). La proporción de bases púricas (A+G) es igual a la de las bases pirimidínicas (T+C). (A+G) = (T + C). La relación entre (A+G) y (T+C) es igual a la unidad (A+G)/(T+C)=1. Sin embargo, la proporción entre (A+T) y (G+C) era característica de cada organismo, pudiendo tomar por tanto, diferentes valores según la especie estudiada. Este resultado indicaba que los ácidos nucleicos no eran la repetición monótona de un tetranucleótido. Existía variabilidad en la composición de bases nitrogenadas.

En la siguiente tabla se observan las proporciones de las bases nitrogenadas en algunos organismos.

Procedencia del ADN	A	G	C	T	5-Me-C
Timo de Bovino	28,2	21,5	21,2	27,8	1,3
Esperma de bovino	28,7	22,2	20,7	27,3	1,3
Germen de trigo	27,3	22,7	16,8	27,1	6,0
Saccharomyces	31,3	18,7	17,1	32,9	-
Escherichia coli	26,0	24,9	25,2	23,9	-
Mycobacterium tuberculosis	15,1	34,9	35,4	14,6	-
ØX174	24,3	24,5	18,2	32,3	-
T3	23,7	26,2	27,7	23,5	-
T5	30,3	19,5	19,5	30,8	-
T7	32,4	18,3		32,4	17,0 HMC
Virus ARN	A	G	C	U
Mosaico del tabaco (TMV)	29,8	25,4	18,5	26,3
Mosaico amarillo nabo	22,6	17,2	38,0	22,2
Poliomielitis	28,6	24,0	22,0	25,4
Encéfalo miocarditis del ratón	27,3	23,5	23,2	25,9
Reovirus Tipo 3	28,0	22,3	22,0	27,9
Tumor de las heridas	31,1	18,6	19,1	31,3

De la observación de la tabla anterior pueden extraerse las siguientes conclusiones:

• Todos los ADN estudiados cumplen la relación A=T y G=C, excepto el ADN del bacteriofago ØX174. El ADN de este virus es de una sola hélice.
• En los virus ARN no se cumple la equimolaridad de las bases excepto en el caso del virus del Tumor de las heridas y de los Reovirus que tienen ARN de doble hélice. En estos virus se cumple que A=U y G=C, además se cumple que A+G/U+C=1.
• El fago T2 y los otros fagos T-pares (T4 y T6) en vez de citosina tienen hidroximetil-citosina (HMC).
• Algunos organismos tiene en su ADN una pequeña proporción de 5-metil-citosina (5-Me-C) que sustituye a la citosina.

Igualmente, en la siguiente tabla puede observarse como la proporción A+T/G+C varia de un organismo a otro.

Organismo	Tejido	A+T/G+C
Escherichia coli	-	1,00
Diplococcus pneumoniae	-	1,59
Mycobacterium tuberculosis	-	0,42
Levadura	-	1,79
Paracentrolus lividus (erizo mar)	Esperma	1,85
Arenque	Esperma	1,23
Rata	Médula ósea	1,33
Hombre	Timo	1,52
Hombre	Hígado	1,53
Hombre	Esperma	1,52

Por tanto, la proporción A+T/G+C es específica de cada organismo y como veremos más adelante cuando hablemos de las propiedades físico- químicas de los ácidos nucleicos, dicha proporción está relacionada con la densidad y la temperatura de fusión.

EL MODELO DE LA DOBLE HÉLICE: WATSON Y CRICK (1953)

Una vez demostrado que los ácidos nucleicos eran los portadores de la información genética, se realizaron muchos esfuerzos encaminados a determinar su estructura con exactitud. Watson y Crick (1953) fueron los primeros investigadores en proponer una estructura para los ácidos nucleicos y su labor investigadora se vio recompensada con el Premio Nobel en 1962, Premio Nobel que compartieron con M. H. F. Wilkins y que se les concedió por sus descubrimientos en relación con la estructura molecular de los ácidos nucleícos y su significación para la transmisión de la información en la materia viva.. Para realizar su trabajo emplearon dos tipos de datos ya existentes.

Francis H. C. Circk	James D. Watson	Maurice H. F. Wilkins

• Por un lado, utilizaron los datos obtenidos varios años antes por Chargaff (1950), relativos a la composición de bases nitrogenadas en el ADN de diferentes organismos.

• El otro tipo de datos eran los procedentes de estudios de difracción de rayos X sobre fibras de ADN. Para determinar la estructura tridimensional o disposición espacial de las moléculas de ADN, se hace incidir un haz de rayos X sobre fibras de ADN y se recoge la difracción de los rayos sobre una película fotográfica. La película se impresiona en aquellos puntos donde inciden los rayos X, produciendo al revelarse manchas. El ángulo de difracción presentado por cada una de las manchas en la película suministra información sobre la posición en la molécula de ADN de cada átomo o grupo de átomos.

Mediante esta técnica de difracción de rayos X se obtuvieron los siguientes resultados:

• Las bases púricas y pirimidínicas se encuentran unas sobre otras, apiladas a lo largo del eje del polinucleótido a una distancia de 3,4 Å. Las bases son estructuras planas orientadas de forma perpendicular al eje (Astbury, 1947).

• El diámetro del polinucleótido es de 20 Å y está enrollado helicoidalmente alrededor de su eje. Cada 34 Å se produce una vuelta completa de la hélice.

• Existe más de una cadena polinucleotídica enrollada helicoidalmente (Wilkins et el. 1953, Frankling y Gosling, 1953).

Difracción de Rayos X: ADN-B	Rosalin Franklin

Basándose en estos dos tipos de datos Watson y Crick propusieron su Modelo de estructura para el ADN conocido con el nombre de Modelo de la Doble Hélice. Las características del Modelo de la Doble Hélice son las siguientes:

• El ADN es una doble hélice enrollada helicoidalmente “a derechas” (sentido dextrorso). Algo parecido a dos muelles entrelazados.
• Enrollamiento de tipo plectonémico: para separar las dos hélices es necesario girarlas como si fuera un sacacorchos.

Módelo de la Doble hélice: ADN-B	J. Watson y F. Crick

• Cada hélice es una serie de nucleótidos unidos por enlaces fosfodiéster en los que un grupo fosfato forma un puente entre grupos OH de dos azúcares sucesivos (posiciones 3’ de un azúcar y 5’ del siguiente).
• Las dos hélices se mantienen unidas mediante puentes o enlaces de hidrogeno producidos entre las bases nitrogenadas de cada hélice. Siguiendo los datos de Chargaff (1959), la Adenina de una hélice aparea con la Timina de la hélice complementaria mediante dos puentes de hidrógeno. Igualmente, la Guanina de una hélice aparea con la Citosina de la complementaria mediante tres puentes de hidrógeno.

Par A-T	Par G-C	Pares A-T y G-C

• Las dos hélices por razones de complementaridad de las bases nitrogenadas son antiparalelas, teniendo secuencias de átomos inversas. Una hélice lleva la secuencia 5’P → 3’ OH , mientras que la hélice complementaria sigue la secuencia de átomos 3’OH → 5’P.

• El diámetro de la doble hélice es de 20 Å.
• Las bases nitrogenadas son estructuras planas perpendiculares al eje de la doble hélice y están apiladas unas sobre otras a una distancia de 3,4 Å. Cada 10 bases, cada 34 Å se produce una vuelta completa de la doble hélice (360º).

• Las bases se encuentran en sus configuraciones cetónicas, cumpliendo así las reglas de apareamiento A-T y G-C.

• La secuencia de bases nitrogenadas puede ser cualquiera, no existe ninguna restricción.

Además, la estructura en doble hélice propuesta por Watson y Crick (1953) sugería varías propiedades importantes del material hereditario:

• Las reglas de complementaridad de las bases nitrogenadas A-T y G-C sugieren un forma sencilla de replicación del material hereditario. Esta forma sencilla de replicación se denomina método Semiconservativo. Cuando el ADN se replica sus dos hélices se separan y cada una de ellas sirve de molde para sintetizar una nueva hélice siguiendo las reglas de apareamiento de las bases nitrogenadas.

• La mutación a nivel molecular consistiría en un cambio en la secuencia de bases nitrogenadas del ADN.

• Al no existir ninguna restricción en la secuencia de bases nitrogenadas, el ADN poseía la suficiente variabilidad como para ser el material hereditario.
• Además, esta estructura sugería la existencia de algún código que permitiera pasar de la secuencia lineal de bases nitrogenadas en el ADN a la secuencia lineal de aminoácidos en las proteínas.

ALTERNATIVAS AL MODELO DE LA DOBLE HÉLICE:

El modelo de la Doble Hélice propuesto por Watson y Crick está basado en estudios del ADN en disolución (hidratado). La denominada forma B ó ADN-B tiene un mayor interés biológico ya que es la que presenta el ADN en interacción con las proteínas nucleares. Además de la forma B, existen otras estructuras posibles que puede presentar el ADN. Algunas de estas alternativas son las siguientes:

• ADN-B: ADN en disolución, 92% de humedad relativa, se encuentra en soluciones con baja fuerza iónica se corresponde con el modelo de la Doble Hélice.
• ADN-A: ADN con 75% de humedad, requiere Na, K o Cs como contraiones, presenta 11 pares de bases por giro completo y 23 Å de diámetro. Es interesante por presentar una estructura parecida a la de los híbridos ADN-ARN y a las regiones de autoapareamiento ARN-ARN.
• ADN-C: ADN con 66% de humedad, se obtiene en presencia de iones Li, muestra 9+1/3 pares de bases por giro completo y 19 Å de diámetro.
• ADN-Z: doble hélice sinistrorsa (enrollamiento a izquierdas), 12 pares de bases por giro completo, 18 Å de diámetro, se observa en segmentos de ADN con secuencia alternante de bases púricas y pirimidínicas (GCGCGC), debido a la conformación alternante de los residuos azúcar-fosfato sigue un curso en zig-zag. Requiere una concentración de cationes superior a la del ADN-B, y teniendo en cuenta que las proteínas que interaccionan con el ADN tienen gran cantidad de residuos básicos sería posible que algunas convirtieran segmentos de ADN-B en ADN-Z. Las posiciones N7 y C8 de la Guanina son más accesibles.

ADN-A	ADN-B	ADN-Z	ADN-A	ADN-Z	ADN-B

• ADN con enrollamiento paranémico: Las dos hélices se pueden separar por traslación, cada hélice tiene segmentos alternantes dextrorsos y sinistrorsos de unas cinco bases. Uno de los principales problemas del modelo de la doble hélice (ADN-B) es el enrollamiento plectonémico, para separar las dos hélices es necesario girarlas como un sacacorchos, siendo necesario un gran aporte energético.
• ADN triple hélice o ADN-H: "In vitro" es posible obtener tramos de triple hélice intercalando oligonucleótidos cortos constituidos solamente por pirimidinas (timinas y citosinas) en el surco mayor de una doble hélice. Este oligonucleótido se une a pares de bases A-T y G-C mediante enlaces de hidrógeno tipo Hoogsteen que se establecen entre la T o la C del oligonucleótido y los pares A-T y G-C de la doble hélice. No se sabe la función biológica del ADN-H aunque se ha detectado en cromosomas eucarióticos.

Triple hélice: pirimidinas	Triple hélice: purinas	Triple Hélice

• ADN cuadruplexo: "In vitro" se han obtenido cuartetos de Guanina (ADN cuadruplexo) unidas mediante enlaces tipo Hoogsteen, empleando polinucleótidos que solamente contienen Guanina (G). Los extremos de los cromosomas eucarióticos (telómeros) tienen una estructura especial con un extremo 3' OH de cadena sencilla (monocatenario) en el que se repite muchas veces en tandem una secuencia rica en Guaninas. Se piensa que el ADN cuadruplexo telomérico serviría para proteger los extremos cromosómicos de la degradación enzimática. Ejemplo de secuencia telomérica rica en guaninas (G): 5´P TTGGGTTGGGGTTGGGG...............TTGGGG 3'OH

Cuartetos de Guanina

Además, de las alternativas anteriormente citadas es necesario tener en cuenta que no todos los organismos vivos tienen como material hereditario ADN de doble hélice, algunos virus tienen ADN de hélice sencilla, ARN de una y de doble hélice.

• Palíndromos: plegamiento o apareamiento de una hélice consigo misma. El palíndromo también es una figura gramatical que se lee igual en los dos sentidos, por ejemplo: DABALE ARROZ A LA ZORRA EL ABAD. Existe ADN palindrómico de hélice sencilla y de hélice doble. En el palíndromo de doble cadena la secuencia de bases se lee igual en dirección 5’ P→ 3’OH en ambas cadenas.

Secuencias palindrómicas	Palíndromos en ADN de una y doble hélice

• Existen algunos virus cuyos ácidos nucleicos son de una sola hélice: el ADN de los fagos ØX174 y M13 es circular de hélice sencilla, sin embargo, se ha comprobado que una pequeña parte resiste la acción de enzimas que digieren específicamente ADN de hélice sencilla. Por tanto, estas regiones resistentes de ADN presentan complementaridad interna o autoapareamiento, formando ADN duplex o doble hélice, teniendo secuencias palíndrómicas. Una situación semejante se ha observado en el ARN de hélice sencilla del bacteriofago MS2 (3569 ribonucleotidos y tres genes). En este caso, el gen de la proteína de la cubierta del virus presenta segmentos que tienen complementaridad interna (autoapareamiento) que se pliegan sobre si mismos formando horquillas (regiones de ARN de doble hélice).

ARN Fago MS2: proteína de la cápside

• El ARN transferente (ARN-t) que transporta los aminoácidos y el ARN ribosómico (ARN-r) que intervienen en el proceso de traducción, son ácidos ribonucleicos de una sola hélice y también presentan autoapareamiento.

Esquema ARN-transferente	Esquema ARN-ribosómico de Tetrahymena