9.1: La estructura del ADN
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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, los cuales se componen de tres partes: una desoxirribosa (azúcar de 5 carbonos), un grupo fosfato y una base nitrogenada (Figura\(\PageIndex{2}\)). 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 de un solo anillo más pequeñas. El nucleótido se nombra de acuerdo a 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 polímero largo de monómeros nucleotídicos. Los grupos azúcar—fosfato se alinean en una “cadena principal” para cada cadena sencilla de ADN, y las bases nucleotídicas se desprenden de esta cadena principal. Los átomos de carbono del azúcar de cinco carbonos se numeran en sentido horario desde el oxígeno como 1', 2', 3', 4' y 5' (1' se lee como “uno primo”). El grupo fosfato está unido al carbono 5' de un nucleótido y al carbono 3' del siguiente nucleótido. En su estado natural, cada molécula de ADN está compuesta en realidad por dos cadenas simples unidas a lo largo de su longitud con enlaces de hidrógeno entre las bases.
Watson y Crick propusieron que el ADN está compuesto por dos hebras que se tuercen una alrededor de la otra para formar una hélice diestra, llamada doble hélice. El apareamiento de bases tiene lugar entre una purina y una pirimidina: es decir, pares A con T, y pares G con C. En otras palabras, adenina y timina son pares de bases complementarios, y citosina y guanina también son pares de bases complementarios. Esta es la base de la regla de Chargaff; por su complementariedad, hay tanta adenina como timina en una molécula de ADN y tanta guanina como citosina. La adenina y la timina están conectadas por dos enlaces de hidrógeno, y la citosina y la guanina están conectadas por tres enlaces de hidrógeno. Las dos hebras son de naturaleza antiparalela; es decir, una hebra tendrá el carbono 3' del azúcar en la posición “hacia arriba”, mientras que la otra hebra tendrá el carbono 5' en la posición ascendente. El diámetro de la doble hélice de ADN es uniforme en todo debido a que una purina (dos anillos) siempre se empareja con una pirimidina (un anillo) y sus longitudes combinadas son siempre iguales (Figura\(\PageIndex{3}\)).
La estructura del ARN
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 en el ARN está compuesto 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 solo tiene un átomo de hidrógeno (Figura\(\PageIndex{4}\)).
Los nucleótidos de ARN contienen las bases nitrogenadas adenina, citosina y guanina. Sin embargo, no contienen timina, que en cambio es reemplazada por uracilo, simbolizada por una “U”. El ARN existe como una molécula monocatenaria en lugar de una hélice bicatenaria. Los biólogos moleculares han nombrado varios tipos de ARN en función de su función. Estos incluyen ARN mensajero (ARNm), ARN de transferencia (ARNt) y ARN ribosómico (ARNr), moléculas que están involucradas en la producción de proteínas a partir del código de ADN.
Cómo se arregla el ADN en la célula
El ADN es una molécula de trabajo; debe replicarse cuando una célula está lista para dividirse, y debe ser “leída” 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 en una sola célula humana llegarían a una longitud de aproximadamente 2 metros. Así, el ADN para una célula debe ser empaquetado de una manera 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\(\PageIndex{5}\)). La mayoría de los procariotas contienen un solo cromosoma circular que se encuentra en un área del citoplasma llamada nucleoide.
El tamaño del genoma en uno de los procariotas más estudiados, Escherichia coli, es de 4.6 millones de pares de bases, que se extenderían una distancia de aproximadamente 1.6 mm si se estiran. Entonces, ¿cómo encaja esto dentro de una pequeña célula bacteriana? El ADN está retorcido más allá de la doble hélice en lo que se conoce como superenrollamiento. Se sabe que algunas proteínas están involucradas en el superenrollamiento; otras proteínas y enzimas ayudan a mantener la estructura superenrollada.
Los eucariotas, cuyos cromosomas consisten cada uno en una molécula de ADN lineal, emplean un tipo diferente de estrategia de empaquetamiento para ajustar su ADN dentro del núcleo (Figura\(\PageIndex{6}\)). En el nivel más básico, el ADN se envuelve alrededor de proteínas conocidas como histonas para formar estructuras llamadas nucleosomas. El ADN se envuelve firmemente alrededor del núcleo de la histona. Este nucleosoma está ligado al siguiente por una cadena 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 las longitudes cortas de ADN entre ellas son la “cadena”. Los nucleosomas, con su ADN enrollado alrededor de ellos, se apilan de manera compacta entre sí para formar una fibra de 30 nm de ancho. Esta fibra se enrolla aún más en una estructura más gruesa y compacta. En la etapa metafásica de la mitosis, cuando los cromosomas se alinean en el centro de la célula, los cromosomas están en su mayoría compactados. Tienen aproximadamente 700 nm de ancho y se encuentran en asociación con proteínas andamios.
En interfase, la fase del ciclo celular entre mitosis en la que se descondensan los cromosomas, los cromosomas eucariotas tienen dos regiones distintas que se pueden distinguir por tinción. Hay una región fuertemente empaquetada que tiñe de manera oscura, y una región menos densa. Las regiones de tinción oscura suelen contener genes que no son activos, y se encuentran en las regiones del centrómero y los telómeros. Las regiones ligeramente teñidas generalmente contienen genes que son activos, con ADN empaquetado alrededor de nucleosomas pero no compactado más.
CONCEPT EN ACCIÓN
Mira esta animación del empaque de ADN.
Resumen
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 cadena está compuesta por nucleótidos unidos covalentemente entre el grupo fosfato de uno y el azúcar desoxirribosa de la siguiente. De esta columna vertebral se extienden las bases. Las bases de una hebra se unen a las bases de la segunda cadena con enlaces de hidrógeno. La adenina siempre se une a la timina, y la citosina siempre se une a la guanina. La unión hace que los dos hilos se enrollen uno alrededor del otro 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. Diversas moléculas de ARN funcionan en el proceso de formación de proteínas a partir del código genético en el ADN.
Los procariotas contienen un solo cromosoma circular bicatenario. Los eucariotas contienen moléculas de ADN lineal bicatenario empaquetadas en cromosomas. La hélice de ADN se envuelve alrededor de proteínas para formar nucleosomas. Las bobinas de proteína se enrollan aún más, y durante la mitosis y meiosis, los cromosomas se enrollan aún más para facilitar su movimiento. Los cromosomas tienen dos regiones distintas que se pueden distinguir por tinción, reflejando diferentes grados de empaquetamiento y determinadas por si el ADN en una región se está expresando (eucromatina) o no (heterocromatina).
Glosario
- desoxirribosa
- una molécula de azúcar de cinco carbonos con un átomo de hidrógeno en lugar de un grupo hidroxilo en la posición 2'; el componente de azúcar de los nucleótidos de ADN
- doble hélice
- la forma molecular del ADN en la que dos cadenas de nucleótidos se enrollan una alrededor de la otra en forma de espiral
- base nitrogenada
- una molécula que contiene nitrógeno que actúa como base; a menudo se refiere a uno de los componentes de purina o pirimidina de los ácidos nucleicos
- grupo fosfato
- un grupo molecular que consiste en un átomo central de fósforo unido a cuatro átomos de oxígeno