7.5: Descubrir la estructura del ADN

Una pista crítica para comprender la estructura de los ácidos nucleicos provino del trabajo de Erwin Chargaff (1905—2002). Al analizar ADN de diversas fuentes, encontró que las cantidades relativas de nucleótidos G, C, T y A variaban entre organismos pero eran iguales (o muy similares) para organismos del mismo tipo o especie. Por otro lado, las proporciones de A a T y de G a C siempre fueron iguales a 1, sin importar de dónde provenía el ADN. Conociendo estas reglas, James Watson (b 1928) y Francis Crick (1916-2004) construyeron un modelo de ADN que se ajustaba a lo que se sabía sobre la estructura de nucleótidos y datos estructurales de Rosalind Franklin (1920-1958) ²⁰⁶. Franklin obtuvo estos datos al extraer moléculas de ADN en hebras orientadas, fibras de muchas moléculas alineadas paralelas entre sí. Al pasar un haz de rayos X a través de estas fibras pudo obtener un patrón de difracción. Este patrón se basa en la estructura de las moléculas de ADN y define parámetros clave que constriñen cualquier modelo de la estructura de la molécula. Pero hacer un modelo de la molécula que produciría los datos de rayos X observados permitió a Watson y Crick sacar conclusiones sobre la estructura de una molécula de ADN.

Para entender este proceso, consideremos la naturaleza química de un nucleótido y un polímero nucleotídico como el ADN. Primero las bases nucleotídicas en el ADN (A, G, C y T) tienen varias propiedades similares. Cada nucleótido tiene tres regiones hidrófilas: el grupo fosfato cargado negativamente, un azúcar que tiene varios grupos O-H y un borde hidrófilo de la base (donde se encuentran los grupos N-H y N). Mientras que el fosfato y el azúcar son restos tridimensionales, las bases son planas, los átomos en los anillos están todos en un plano. Las superficies superior e inferior de los anillos son hidrofóbicas (no polares) mientras que los bordes tienen grupos que pueden interactuar a través de enlaces de hidrógeno. Esto significa que los factores anfipáticos que favorecen el ensamblaje de lípidos en membranas bicapa también están en juego en la estructura del ácido nucleico. Para reducir sus interacciones con el agua, en su modelo Watson y Crick tenían las bases apiladas una encima de la otra, superficie hidrofóbica junto a la superficie hidrófoba. Esto dejó el borde hidrófilo de cada base, con grupos -C=O y -N-H que pueden actuar como aceptores y donantes de enlaces H, para ser tratados. ¿Cómo iban a organizarse estos grupos hidrofílicos? Su perspicacia, condujo a una explicación directa de por qué las reglas de Chargaff eran universales; reconocieron que pares de bases nucleotídicas, en las dos cadenas de ADN, podían organizarse en una orientación antiparalela y complementaria. Entonces, ¿qué significa eso? Cada cadena de polímero de ADN tiene una direccionalidad hacia ella, va desde el grupo fosfato 5' en un extremo hasta el grupo hidroxilo 3' en el otro, cada monómero de nucleótido está conectado al siguiente a través de un enlace fosfodiéster que implica su grupo fosfato 5' unido al hidroxilo 3' de la cadena existente. Cuando las dos hebras se dispusieron en orientaciones opuestas, es decir, antiparalelas entre sí: una de 5'→3' y la otra 3'→5', las bases unidas a la cadena principal de azúcar-fosfato interactúan entre sí de una manera altamente específica. Una A puede formar dos interacciones de enlaces de hidrógeno con una T en la cadena opuesta (antiparalela), mientras que una G forma tres interacciones de enlaces de hidrógeno con una C. Una característica clave de esta disposición es que las longitudes de los pares de bases A: :T y G: ::C son casi idénticas. Las superficies hidrofóbicas de las bases se apilan una encima de la otra, mientras que los grupos hidrofílicos de azúcar y fosfato están en contacto con la solución acuosa circundante. La posible repulsión entre grupos fosfato cargados negativamente se neutraliza (o blinda) por la presencia de iones cargados positivamente presentes en la solución a partir de la cual se realizaron las mediciones de rayos X.

En su modelo final, Watson y Crick representaron lo que ahora se conoce como ADN en forma B. Esta es la forma habitual de ADN en una célula. Sin embargo, bajo diferentes condiciones salinas, el ADN puede formar otras dos formas helicoidales dobles, conocidas como A y Z. Mientras que las formas A y B del ADN son hélices “diestras”, la forma Z del ADN es una hélice zurda. No nos vamos a preocupar por estas otras formas de ADN, dejando eso cursos más avanzados.

Tan pronto como se propuso el modelo Watson-Crick de estructura de ADN su poder explicativo era obvio. Debido a que los pares de bases A: :T y G: ::C son de la misma longitud, la secuencia de bases a lo largo de la longitud de una molécula de ADN (escrita, por convención en la dirección 5' a 3') tiene poco efecto sobre la estructura tridimensional general de la molécula. Eso implica que esencialmente cualquier secuencia posible se puede encontrar, al menos teóricamente, en una molécula de ADN. Si la información estuviera codificada en la secuencia de nucleótidos a lo largo de una cadena de ADN, cualquier información podría colocarse allí y esa información sería tan estable como la propia molécula de ADN. Esto es similar al almacenamiento de información en diversos dispositivos modernos de memoria informática, es decir, se puede almacenar cualquier tipo de información, ya que el almacenamiento no implica ningún cambio dramático en la estructura básica del material de almacenamiento. La estructura de una unidad de memoria flash no se ve alterada por si en contiene fotos de tus amigos, una canción, un video o un libro de texto. Al mismo tiempo, la naturaleza bicatenaria de la estructura de la molécula de ADN y la naturaleza complementaria del emparejamiento de bases (A a T y G a C) sugirieron un modelo simple para la replicación de ADN (e información), es decir, separar las dos cadenas de la molécula y construir nuevas cadenas (antiparalelas) usando las dos hebras originales como plantillas. Este modelo de replicación del ADN se ve facilitado por el hecho de que las dos cadenas de la molécula de ADN parental se mantienen unidas por interacciones débiles de enlaces de hidrógeno, por lo que no se requiere ninguna reacción química para separarlas, no es necesario romper enlaces covalentes. De hecho, a temperaturas fisiológicas las moléculas de ADN a menudo se abren en tramos cortos y luego se cierran, un proceso conocido como respiración de ADN ²⁰⁷. Esto hace que la replicación de la información almacenada en la molécula sea conceptualmente sencilla (aunque el proceso bioquímico real sea complejo). Las cadenas existentes determinan la secuencia de nucleótidos en las cadenas recién sintetizadas. La hebra recién sintetizada puede, a su vez, dirigir la síntesis de una segunda cadena, idéntica a la cadena original. Finalmente, la naturaleza bicatenaria de la molécula de ADN significa que cualquier información dentro de la molécula es, de hecho, almacenada de manera redundante. Si una cadena está dañada, es decir, su secuencia de ADN se pierde o se altera, la segunda hebra no dañada puede usarse para reparar ese daño. Una serie de mutaciones en el ADN se reparan usando este tipo de mecanismo (ver más abajo).

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