Estructura y Composición del ADN: Desde Nucleótidos hasta Cromosomas

Componentes Fundamentales de los Ácidos Nucleicos

Nucleótido

Un nucleótido se compone de: ácido fosfórico, una pentosa y una base nitrogenada (purinas: Adenina (A), Guanina (G); pirimidinas).

Enlace Éster Fosfórico

Se forma entre el grupo -OH del carbono 5' de la pentosa y el ácido fosfórico, liberando una molécula de H₂O. Este enlace confiere un carácter ácido al nucleótido.

Enlace Fosfodiéster

En las cadenas de ADN/ARN, el enlace fosfodiéster se establece entre el radical fosfato del carbono 5' de un nucleótido y el grupo -OH del carbono 3' del nucleótido siguiente, liberando una molécula de H₂O.

Nucleósido

Un nucleósido está formado por una pentosa y una base nitrogenada.

Enlace N-glucosídico

Se forma entre el carbono 1' de la pentosa y el nitrógeno 1 (N1) de una base nitrogenada pirimidínica o el nitrógeno 9 (N9) de una base nitrogenada púrica.

Ácido Desoxirribonucleico (ADN)

El ADN se caracteriza por sus enlaces fosfodiéster.

Su función principal es almacenar la información genética y asegurar su transmisión a las células hijas durante la división celular.

Localización del ADN

• En eucariotas:
  • ADN nuclear: Se encuentra unido a proteínas básicas (histonas) y otras no histónicas, formando la cromatina.
  • ADN mitocondrial y de cloroplastos: Es similar al ADN procariota y se hereda de la madre.
• En procariotas: Se asocia a proteínas similares a histonas.
• También se encuentra en algunos virus.

Estructura del ADN

Estructura Primaria

La estructura primaria del ADN se refiere a la secuencia lineal de nucleótidos en una cadena o hebra. Las innumerables combinaciones posibles de estas secuencias constituyen la información genética.

Estructura Secundaria: La Doble Hélice

La estructura secundaria del ADN, conocida como doble hélice, se dedujo a partir de datos experimentales. Se observó que la densidad y viscosidad del ADN eran superiores a las esperadas, lo que sugería que las cadenas de ADN se unían entre sí.

Características de la Doble Hélice

• Unión por Puentes de Hidrógeno: Las cadenas de ADN se unen mediante puentes de hidrógeno entre sus bases nitrogenadas.
• Reglas de Chargaff: En todos los ADN, la cantidad de Adenina (A) es igual a la de Timina (T) (A=T), y la cantidad de Citosina (C) es igual a la de Guanina (G) (C=G).
• Complementariedad de Bases: Existe una complementariedad específica entre las bases nitrogenadas:
  • Dos puentes de hidrógeno entre Adenina (A) y Timina (T).
  • Tres puentes de hidrógeno entre Citosina (C) y Guanina (G).
• Observaciones por Difracción de Rayos X: Rosalind Franklin y Maurice Wilkins, mediante difracción de rayos X, observaron que el ADN poseía una estructura fibrilar con repeticiones características:
  • Diámetro de 2 nanómetros (nm).
  • Cada pareja de nucleótidos está separada de la siguiente por 0.34 nm.
  • Cada vuelta completa de la hélice mide 3.4 nm y contiene 10 pares de nucleótidos.

Modelo de la Doble Hélice de Watson y Crick

El modelo propuesto por Watson y Crick describe el ADN como una doble hélice de 2 nm de diámetro, formada por dos cadenas de polinucleótidos enrolladas alrededor de un eje imaginario, constituyendo una hélice dextrógira.

• Disposición de Componentes: Los grupos hidrófobos de las bases nitrogenadas se disponen hacia el interior de la hélice, mientras que las pentosas y los grupos fosfato se orientan hacia el exterior.
• Cadenas Antiparalelas y Complementarias: Las dos cadenas de ADN son antiparalelas y complementarias (A=T y C=G).
• Enrollamiento Plectonémico: El enrollamiento es plectonémico, lo que significa que para separar las dos hebras es necesario desenrollarlas.
• Estabilidad y Desnaturalización/Renaturalización: La doble hélice es una estructura muy estable. Sin embargo, si el ADN se calienta a aproximadamente 100 °C, la doble hélice se separa en sus dos hebras, un proceso conocido como desnaturalización. Si el ADN desnaturalizado se enfría lentamente, las dos hebras pueden volver a unirse, proceso denominado renaturalización.

Temperatura de Fusión del ADN

La temperatura de fusión del ADN (Tm) es la temperatura necesaria para desnaturalizar la doble hélice, es decir, para separar sus dos hebras. Cuanto mayor sea el porcentaje de pares C-G en el ADN, mayor será su temperatura de fusión, debido a que los pares C-G están unidos por tres puentes de hidrógeno, a diferencia de los pares A-T que tienen solo dos, lo que confiere mayor estabilidad.

Estructura Terciaria del ADN

En moléculas de ADN circular (como el bacteriano), la fibra de 2 nm se retuerce sobre sí misma, formando una superhélice.

Empaquetamiento del ADN en Eucariotas

Primer Nivel de Empaquetamiento: Collar de Perlas (Fibra de Cromatina de 10 nm)

Este nivel está formado por nucleosomas unidos por ADN espaciador (o linker). Consiste en la fibra de ADN de 2 nm asociada a histonas.

• Nucleosoma: Un nucleosoma está compuesto por un octámero de histonas y una fibra de ADN de aproximadamente 200 pares de bases.
• Cuando el nucleosoma se asocia a una molécula de histona H1, la estructura se acorta y se compacta.
• El "collar de perlas" se encuentra en el núcleo durante la interfase.

Segundo Nivel de Empaquetamiento: Solenoide (Fibra de Cromatina de 30 nm)

Se forma por el enrollamiento sobre sí misma de la fibra de cromatina de 10 nm ya condensada (con histona H1).

• En cada vuelta del solenoide se agrupan aproximadamente 6 nucleosomas y 6 moléculas de H1.
• Este nivel de empaquetamiento acorta la fibra "collar de perlas" unas 5 veces.

Tercer Nivel de Empaquetamiento: Bucles y Andamio Proteico

En este nivel, el ADN forma bucles que se unen a un armazón proteico. La fibra se acorta aún más y se hace más gruesa (aproximadamente 60 nm).

Niveles Superiores de Empaquetamiento: Formación del Cromosoma

Durante la fase de división celular, el ADN se pliega y compacta aún más hasta formar la estructura visible de un cromosoma.

Tipos de ADN

ADN Monocatenario

Presente en algunos virus. Puede ser lineal o circular.

ADN Bicatenario

Es el tipo de ADN más común, presente en la mayoría de los organismos.

• Lineal: Se encuentra en eucariotas y algunos virus.
• Circular: Característico de bacterias, mitocondrias, cloroplastos y algunos virus.