14.2A: La estructura y secuencia del ADN

El ADN es una doble hélice de dos cadenas complementarias antiparalelas que tienen un esqueleto fosfato-azúcar con bases nitrogenadas apiladas en su interior.

Objetivos de aprendizaje

• Describir la estructura del ADN y resumir la importancia de la secuenciación del ADN

Puntos Clave

• Las dos cadenas de ADN son de naturaleza antiparalela; es decir, el extremo 3' de una hebra se enfrenta al extremo 5' de la otra cadena.
• Los nucleótidos que comprenden ADN contienen una base nitrogenada, un azúcar desoxirribosa y un grupo fosfato que se une covalentemente con otros nucleótidos para formar enlaces fosfodiéster.
• Las bases nucleotídicas pueden clasificarse como purinas (que contienen una estructura de doble anillo) o pirimidinas (que contienen una estructura de un solo anillo).
• La adenina (purina) y la timina (pirimidina) son pares de bases complementarias al igual que la guanina (purina) y la citosina (pirimidina).
• La secuenciación del ADN es el proceso de determinar el orden preciso de los nucleótidos dentro de una molécula de ADN.

Términos Clave

• desoxirribosa: un derivado de la pentosa azúcar ribosa en la que el 2′ hidroxilo (-OH) se reduce a hidrógeno (H); un constituyente de los nucleótidos que comprenden ácido desoxirribonucleico, o ADN
• enlace de hidrógeno: Un enlace débil en el que un átomo de hidrógeno ya unido covalentemente a un átomo de oxígeno o nitrógeno en una molécula es atraído a un átomo electronegativo (generalmente nitrógeno u oxígeno) en la misma o diferente molécula.
• nucleótido: el monómero que comprende moléculas de ADN o ARN; consiste en una base heterocíclica nitrogenada que puede ser una purina o pirimidina, un azúcar pentosa de cinco carbonos y un grupo fosfato

Los bloques de construcción monoméricos del ADN son desoxirribomononucleótidos (generalmente denominados solo nucleótidos), y el ADN se forma a partir de cadenas lineales, o polímeros, de estos nucleótidos. Los componentes del nucleótido utilizado en la síntesis de ADN son una base nitrogenada, una desoxirribosa y un grupo fosfato. El nucleótido se nombra dependiendo de qué base nitrogenada esté presente. La base nitrogenada puede ser una purina como la adenina (A) y guanina (G), caracterizada por estructuras de doble anillo, o una pirimidina como la citosina (C) y la timina (T), caracterizada por estructuras de un solo anillo. En los polinucleótidos (los polímeros lineales de los nucleótidos) los nucleótidos están conectados entre sí por enlaces covalentes conocidos como enlaces fosfodiéster o enlaces fosfodiéster.

Figura\(\PageIndex{1}\): Estructura nucleotídica: Cada nucleótido está compuesto por un azúcar, un grupo fosfato y una base nitrogenada. El azúcar es desoxirribosa en el ADN y ribosa en el ARN. En su forma mononucleotídica, los nucleótidos pueden tener uno, dos o tres fosfatos unidos a ellos. Cuando se unen entre sí en cadenas polinucleotídicas, los nucleótidos siempre tienen un solo fosfato. Una molécula con solo una base nitrogenada y un azúcar se conoce como nucleósido. Una vez que al menos un fosfato está unido covalentemente, se le conoce como nucleótido.

James Watson y Francis Crick, con alguna ayuda de Rosalind Franklin y Maurice Wilkins, se les atribuye haber averiguado la estructura del ADN. Watson y Crick propusieron que el ADN está compuesto por dos cadenas polinucleotídicas que están retorcidas una alrededor de la otra para formar una hélice diestra.

Las dos cadenas polinucleotídicas son de naturaleza antiparalela. Es decir, corren en direcciones opuestas.

Los azúcares y fosfatos de los nucleótidos forman el esqueleto de la estructura, mientras que los pares de bases nitrogenadas apuntan hacia el interior de la molécula.

La torsión de las dos hebras una alrededor de la otra da como resultado la formación de surcos mayores y menores uniformemente espaciados bordeados por las cadenas principales de azúcar-fosfato de las dos hebras.

Figura\(\PageIndex{1}\): Tres representaciones de la estructura helicoidal doble del ADN.: A es un modelo de carga espacial de ADN, donde cada átomo se representa como una esfera. Las dos cadenas polinucleotídicas antiparalelas están coloreadas de manera diferente para ilustrar cómo se enrollan una alrededor de la otra. B es un modelo de dibujos animados de ADN, donde las cadenas principales de azúcar-fosfato se representan como hebras violetas y las bases nitrogenadas se representan como anillos codificados por colores. C es otro modelo de carga espacial, con los átomos de azúcar-fosfato coloreados violeta y todos los átomos base nitrogenados coloreados de verde. Los surcos mayores y menores, que se envuelven alrededor de toda la molécula, son evidentes como los espacios entre las cadenas principales de azúcar-fosfato.

El diámetro de la doble hélice de ADN es de 2 nm y es uniforme en todas partes. Solo el emparejamiento entre una purina y una pirimidina puede explicar el diámetro uniforme. Es decir, en cada punto a lo largo de la molécula de ADN, las dos cadenas principales de fosfato de azúcar están siempre separadas por tres anillos, dos de una purina y uno de una pirimidina.

Las dos hebras se mantienen unidas por emparejamiento de bases entre bases nitrogenadas de una hebra y bases nitrogenadas de la otra hebra. El emparejamiento de bases se realiza entre una purina y una pirimidina estabilizadas por enlaces de hidrógeno: A se empareja con T a través de dos enlaces de hidrógeno y G con C a través de tres enlaces de hidrógeno.

Los pares de bases interiores giran uno con respecto al otro, pero también se apilan uno encima del otro cuando la molécula se ve mirando hacia arriba o hacia abajo de su eje largo.

Cada par de bases está separado del par de bases anterior por una altura de 0.34 nm y cada giro de 360 ^o de la hélice viaja 3.4 nm a lo largo del eje largo de la molécula. Por lo tanto, diez pares de bases están presentes por giro de la hélice.

Figura\(\PageIndex{1}\): Estructura del ADN: El ADN tiene (a) una estructura de doble hélice y (b) enlaces fosfodiéster. Los (c) surcos mayores y menores son sitios de unión para proteínas de unión al ADN durante procesos como la transcripción (la copia de ARN a partir del ADN) y la replicación.

La secuenciación del ADN es el proceso de determinar el orden preciso de los nucleótidos dentro de una molécula de ADN. Los métodos rápidos de secuenciación de ADN han acelerado enormemente la investigación y el descubrimiento biológico y médico. El conocimiento de las secuencias de ADN se ha vuelto indispensable para la investigación biológica básica, y en numerosos campos aplicados como el diagnóstico, la biotecnología, la biología forense y la sistemática biológica. La rápida velocidad de secuenciación alcanzada con la tecnología moderna ha sido fundamental para obtener secuencias completas de ADN, o genomas, de numerosos tipos y especies de vida, incluyendo el genoma humano y los de otras especies animales, vegetales y microbianas.