Objetivos de aprendizaje

Al final de esta sección, serás capaz de:

• Describir la estructura del ADN
• Describir cómo se organiza el ADN eucariota y procariota en la célula

En la década de 1950, Francis Crick y James Watson trabajaron juntos en la Universidad de Cambridge, Inglaterra, para determinar la estructura del ADN. Otros científicos, como Linus Pauling y Maurice Wilkins, también estaban explorando activamente este campo. Pauling había descubierto la estructura secundaria de las proteínas mediante la cristalografía de rayos X. La cristalografía de rayos X es un método para investigar la estructura molecular mediante la observación de los patrones formados por los rayos X disparados a través de un cristal de la sustancia. Los patrones proporcionan información importante sobre la estructura de la molécula en cuestión. En el laboratorio de Wilkins, la investigadora Rosalind Franklin utilizaba la cristalografía de rayos X para comprender la estructura del ADN. Watson y Crick fueron capaces de reconstruir el rompecabezas de la molécula de ADN utilizando los datos de Franklin (Figura 9.2). Watson y Crick también disponían de información clave de otros investigadores, como las reglas de Chargaff. Chargaff había demostrado que de los cuatro tipos de monómeros (nucleótidos) presentes en una molécula de ADN, dos tipos estaban siempre presentes en cantidades iguales y los dos tipos restantes también estaban siempre presentes en cantidades iguales. Esto significaba que siempre estaban emparejados de alguna manera. En 1962, James Watson, Francis Crick y Maurice Wilkins recibieron el Premio Nobel de Medicina por su trabajo en la determinación de la estructura del ADN.

Ahora consideremos la estructura de los dos tipos de ácidos nucleicos, el ácido desoxirribonucleico (ADN) y el ácido ribonucleico (ARN). Los bloques de construcción del ADN son los nucleótidos, que están formados por tres partes: una desoxirribosa (azúcar de 5 carbonos), un grupo fosfato y una base nitrogenada (Figura 9.3). Hay cuatro tipos de bases nitrogenadas en el ADN. La adenina (A) y la guanina (G) son purinas de doble anillo, y la citosina (C) y la timina (T) son pirimidinas más pequeñas de un solo anillo. El nucleótido se denomina según la base nitrogenada que contiene.

El grupo fosfato de un nucleótido se une covalentemente con la molécula de azúcar del siguiente nucleótido, y así sucesivamente, formando un largo polímero de monómeros de nucleótidos. Los grupos de azúcar y fosfato se alinean en una «columna vertebral» para cada cadena de ADN, y las bases de los nucleótidos sobresalen de esta columna vertebral. Los átomos de carbono del azúcar de cinco carbonos se numeran en el sentido de las agujas del reloj a partir del oxígeno como 1′, 2′, 3′, 4′ y 5′ (1′ se lee como «un primo»). El grupo fosfato está unido al carbono 5′ de un nucleótido y al carbono 3′ del siguiente. En su estado natural, cada molécula de ADN se compone en realidad de dos hebras simples que se mantienen unidas a lo largo de su longitud con enlaces de hidrógeno entre las bases.

Watson y Crick propusieron que el ADN se compone de dos hebras que se retuercen una alrededor de la otra para formar una hélice derecha, llamada doble hélice. El emparejamiento de bases tiene lugar entre una purina y una pirimidina: es decir, la A se empareja con la T, y la G se empareja con la C. En otras palabras, la adenina y la timina son pares de bases complementarias, y la citosina y la guanina también lo son. Esta es la base de la regla de Chargaff; debido a su complementariedad, hay tanta adenina como timina en una molécula de ADN y tanta guanina como citosina. La adenina y la timina están unidas por dos enlaces de hidrógeno, y la citosina y la guanina están unidas por tres enlaces de hidrógeno. Las dos hebras son antiparalelas por naturaleza; es decir, una hebra tendrá el carbono 3′ del azúcar en posición «hacia arriba», mientras que la otra hebra tendrá el carbono 5′ en posición hacia arriba. El diámetro de la doble hélice del ADN es uniforme en toda su extensión porque una purina (dos anillos) siempre se empareja con una pirimidina (un anillo) y sus longitudes combinadas son siempre iguales. (Figura 9.4).

Hay un segundo ácido nucleico en todas las células llamado ácido ribonucleico, o ARN. Al igual que el ADN, el ARN es un polímero de nucleótidos. Cada uno de los nucleótidos del ARN está formado por una base nitrogenada, un azúcar de cinco carbonos y un grupo fosfato. En el caso del ARN, el azúcar de cinco carbonos es la ribosa, no la desoxirribosa. La ribosa tiene un grupo hidroxilo en el carbono 2′, a diferencia de la desoxirribosa, que sólo tiene un átomo de hidrógeno (Figura 9.5).

Los nucleótidos del ARN contienen las bases nitrogenadas adenina, citosina y guanina. Sin embargo, no contienen timina, que se sustituye por uracilo, simbolizado por una «U». El ARN existe como una molécula de una sola hebra en lugar de una hélice de doble hebra. Los biólogos moleculares han dado nombre a varios tipos de ARN según su función. Entre ellos se encuentran el ARN mensajero (ARNm), el ARN de transferencia (ARNt) y el ARN ribosómico (ARNr), moléculas que intervienen en la producción de proteínas a partir del código del ADN.

Cómo se organiza el ADN en la célula

El ADN es una molécula de trabajo; debe replicarse cuando una célula está preparada para dividirse, y debe «leerse» para producir las moléculas, como las proteínas, para llevar a cabo las funciones de la célula. Por esta razón, el ADN está protegido y empaquetado de formas muy específicas. Además, las moléculas de ADN pueden ser muy largas. Estiradas de extremo a extremo, las moléculas de ADN de una sola célula humana tendrían una longitud de unos 2 metros. Por tanto, el ADN de una célula debe estar empaquetado de forma muy ordenada para encajar y funcionar dentro de una estructura (la célula) que no es visible a simple vista. Los cromosomas de los procariotas son mucho más simples que los de los eucariotas en muchas de sus características (Figura 9.6). La mayoría de los procariotas contienen un único cromosoma circular que se encuentra en una zona del citoplasma denominada nucleoide.

El tamaño del genoma de uno de los procariotas más estudiados, Escherichia coli, es de 4,6 millones de pares de bases, que se extenderían una distancia de unos 1,6 mm si se estiraran. Entonces, ¿cómo cabe esto dentro de una pequeña célula bacteriana? El ADN se retuerce más allá de la doble hélice en lo que se conoce como superenrollamiento. Se sabe que algunas proteínas participan en el superenrollamiento; otras proteínas y enzimas ayudan a mantener la estructura superenrollada.

Los eucariotas, cuyos cromosomas están formados cada uno por una molécula de ADN lineal, emplean un tipo diferente de estrategia de empaquetamiento para encajar su ADN dentro del núcleo. En el nivel más básico, el ADN se envuelve alrededor de unas proteínas conocidas como histonas para formar unas estructuras llamadas nucleosomas. El ADN se envuelve firmemente alrededor del núcleo de las histonas. Este nucleosoma está unido al siguiente por una hebra corta de ADN que está libre de histonas. Esto también se conoce como la estructura de «cuentas en una cuerda»; los nucleosomas son las «cuentas» y los tramos cortos de ADN entre ellos son la «cuerda». Los nucleosomas, con el ADN enrollado a su alrededor, se apilan de forma compacta unos sobre otros para formar una fibra de 30 nm de ancho. Esta fibra se enrolla aún más en una estructura más gruesa y compacta. En la fase de metafase de la mitosis, cuando los cromosomas se alinean en el centro de la célula, los cromosomas están más compactados. Tienen una anchura de aproximadamente 700 nm y se encuentran asociados a proteínas de andamiaje.

En la interfase, la fase del ciclo celular entre mitosis en la que los cromosomas se descondensan, los cromosomas eucariotas tienen dos regiones distintas que pueden distinguirse mediante tinción. Hay una región fuertemente empaquetada que se tiñe de forma oscura, y una región menos densa. Las regiones de tinción oscura suelen contener genes que no están activos, y se encuentran en las regiones del centrómero y los telómeros. Las regiones de tinción clara suelen contener genes que están activos, con el ADN empaquetado alrededor de los nucleosomas, pero sin compactarse más.

Resumen de la sección

El modelo de la estructura de doble hélice del ADN fue propuesto por Watson y Crick. La molécula de ADN es un polímero de nucleótidos. Cada nucleótido está compuesto por una base nitrogenada, un azúcar de cinco carbonos (desoxirribosa) y un grupo fosfato. Hay cuatro bases nitrogenadas en el ADN, dos purinas (adenina y guanina) y dos pirimidinas (citosina y timina). Una molécula de ADN está compuesta por dos cadenas. Cada hebra está compuesta por nucleótidos unidos covalentemente entre el grupo fosfato de una y el azúcar desoxirribosa de la siguiente. A partir de esta columna vertebral se extienden las bases. Las bases de una cadena se unen a las bases de la segunda cadena mediante enlaces de hidrógeno. La adenina siempre se une a la timina y la citosina a la guanina. La unión hace que las dos cadenas giren una alrededor de la otra en una forma llamada doble hélice. El ácido ribonucleico (ARN) es un segundo ácido nucleico que se encuentra en las células. El ARN es un polímero monocatenario de nucleótidos. También se diferencia del ADN en que contiene el azúcar ribosa, en lugar de desoxirribosa, y el nucleótido uracilo en lugar de timina. Varias moléculas de ARN funcionan en el proceso de formación de proteínas a partir del código genético del ADN.

Los procariotas contienen un único cromosoma circular de doble cadena. Los eucariotas contienen moléculas de ADN lineal de doble cadena empaquetadas en cromosomas. La hélice de ADN se enrolla alrededor de proteínas para formar nucleosomas. Las espirales de proteínas se enrollan aún más y, durante la mitosis y la meiosis, los cromosomas se enrollan aún más para facilitar su movimiento. Los cromosomas tienen dos regiones distintas que pueden distinguirse mediante tinción, que reflejan diferentes grados de empaquetamiento y que se determinan en función de si el ADN de una región se está expresando (eucromatina) o no (heterocromatina).