12.1: Estructura del ADN

En la década de 1950, Francis Crick y James Watson trabajaron juntos para determinar la estructura del ADN en la Universidad de Cambridge, Inglaterra. Otros científicos como Linus Pauling y Maurice Wilkins también estaban explorando activamente este campo. Pauling había descubierto la estructura secundaria de las proteínas mediante cristalografía de rayos X. En el laboratorio de Wilkins, la investigadora Rosalind Franklin estaba usando métodos de difracción de rayos X para comprender la estructura del ADN. Watson y Crick fueron capaces de armar el rompecabezas de la molécula de ADN a partir de los datos de Franklin porque Crick también había estudiado la difracción de rayos X (Figura\(\PageIndex{1}\)).

Figura\(\PageIndex{1}\): El trabajo de científicos pioneros (a) James Watson, Francis Crick y Maclyn McCarty condujo a nuestra comprensión actual del ADN. La científica Rosalind Franklin descubrió (b) el patrón de difracción de rayos X del ADN, lo que ayudó a dilucidar su estructura de doble hélice. (crédito a: modificación de obra de Marjorie McCarty, Biblioteca Pública de Ciencia)

Desafortunadamente, Watson y Crick obtuvieron acceso a los datos de Franklin sin su conocimiento o aprobación. En 1962, James Watson, Francis Crick y Maurice Wilkins recibieron el Premio Nobel de Medicina. Desafortunadamente, para entonces Franklin había muerto (de cáncer de ovario, probablemente causado por la exposición a rayos X), y los premios Nobel no se otorgan póstumamente (después de la muerte). Esta es en realidad una historia realmente interesante de “sexismo en las ciencias” — hay una película llamada “El secreto de la foto 51” que puedes encontrar en YouTube si te interesa.

Basándose en la fotografía de difracción de rayos X de Rosalind Franklin, y el trabajo de otros científicos, Watson y Crick propusieron que el ADN se compone de dos cadenas de nucleótidos que se tuercen una alrededor de la otra para formar una hélice diestra. Los nucleótidos se unen en una cadena mediante enlaces covalentes conocidos como enlaces fosfodiéster. Los científicos ya sabían que los nucleótidos contienen los mismos tres componentes importantes: una base nitrogenada, una desoxirribosa (azúcar de 5 carbonos) y un grupo fosfato (Figura\(\PageIndex{2}\)). El nucleótido se nombra dependiendo de la base nitrogenada: adenina (A), timina (T), citosina (C) y guanina (G). La adenina y la guanina son purinas, mientras que la citosina y la timina son pirimidinas. Las purinas tienen una estructura de doble anillo con un anillo de seis miembros fusionado a un anillo de cinco miembros. Las pirimidinas son de menor tamaño; tienen una sola estructura de anillo de seis miembros. Una buena manera de recordar esto es que la citosina, la timina y la pirimidina contienen la letra “y”.

El modelo de Watson y Crick propuso que las dos cadenas de nucleótidos interactúan a través del emparejamiento de bases entre los nucleótidos: Los pares A con los pares T y G con C. La adenina y la timina son pares de bases complementarias, y la citosina y la guanina también son pares de bases complementarias. Los pares de bases se estabilizan mediante enlaces de hidrógeno (un tipo de enlace débil que se forma entre átomos parcialmente positivos y parcialmente negativos). La adenina y la timina forman dos enlaces de hidrógeno y la citosina y la guanina forman tres enlaces de hidrógeno. Dado que una purina tiene “2 anillos” de ancho y una pirimidina es “1 anillo” transversal (Figura\(\PageIndex{2}\)), el diámetro de la doble hélice de ADN permanece constante en “3 anillos” (Figura\(\PageIndex{3}\)).

Figura\(\PageIndex{2}\): 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.

Los átomos de carbono del azúcar de cinco carbonos se numeran en orden a partir del carbono conectado a la base nitrogenada: 1′, 2′, 3′, 4′ y 5′ (1′ se lee como “uno primo”). No nos importan particularmente las posiciones de 1′, 2′ o 4′; nunca volverás a escucharlas mencionar. En la posición 3', siempre hay un grupo hidroxilo (OH) que forma parte del azúcar. El carbono 5' está unido a un grupo fosfato. Cuando los nucleótidos se unen en una cadena, el fosfato 5' de un nucleótido se une al grupo hidroxilo 3' del siguiente nucleótido, formando así un enlace fosfodiéster 5′-3'. Lo que esto significa es que cuando los nucleótidos se unen en una cadena, siempre habrá un grupo OH 3' libre (del azúcar) en un extremo de la cadena y un fosfato 5' libre en el otro extremo (Figura\(\PageIndex{3}\)).

Figura\(\PageIndex{3}\): Estructura del ADN. Observe que la adenina (una purina) y la timina (una pirimidina) están conectadas entre sí con 2 enlaces de hidrógeno, mientras que la guanina (una purina) y la citosina (una pirimidina) están conectadas por tres enlaces de hidrógeno. Hay un extremo 5' y 3' en ambas cadenas de nucleótidos, las cuales son antiparalelas entre sí. Crédito de la foto Madeline Price Ball; Wikimedia.

Las dos hebras son de naturaleza antiparalela; es decir, el extremo 3' de una hebra apunta en una dirección, mientras que el extremo 5' de la otra hebra apunta en esa dirección (Figura\(\PageIndex{3}\)). El azúcar y el fosfato de los nucleótidos forman el esqueleto de la estructura, mientras que las bases nitrogenadas se apilan en su interior. Cada par de bases está separado del otro par de bases por una distancia de 0.34 nm (nanómetro: 1 x ^10-9 metros), y cada giro de la hélice mide 3.4 nm. Por lo tanto, diez pares de bases están presentes por giro de la hélice. El diámetro de la doble hélice de ADN es de 2 nm, y es uniforme en todo. Solo el emparejamiento entre una purina y una pirimidina puede explicar el diámetro uniforme (3 “anillos” de ancho). La torsión de las dos hebras una alrededor de la otra da como resultado la formación de surcos mayores y menores uniformemente espaciados (Figura\(\PageIndex{4}\)). Los surcos mayores y menores son muy importantes para la unión de proteínas al ADN, pero no vamos a estar discutiendo esto más específicamente.

Figura\(\PageIndex{4}\): 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.

Referencias

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OpenStax, Biología. OpenStax CNX. diciembre 21, 2017 http://cnx.org/contents/s8Hh0oOc@9.10:QhGQhr4x@6/Biological-Molecules