19.3: Ácido desoxirribonucleico (ADN)

Objetivos de aprendizaje

1. Anotar las tres partes básicas de un desoxirribonucleótido.
2. Anotar qué bases nitrogenadas son purinas y cuáles son pirimidinas.
3. Definir emparejamiento de bases complementarias.
4. Exponga por qué el ADN solo se puede sintetizar en una dirección de 5' a 3'.
5. Comparar el nucleoide procariota con el núcleo eucariota en términos de lo siguiente:
   1. número de cromosomas
   2. cromosomas lineales o circulares
   3. presencia o ausencia de una membrana nuclear
   4. presencia o ausencia de nucleosomas
   5. presencia o ausencia de mitosis
   6. presencia o ausencia de meiosis

El ADN es una molécula larga, bicatenaria y helicoidal compuesta por bloques de construcción llamados desoxirribonucleótidos. Cada desoxirribonucleótido está compuesto por tres partes: una molécula del azúcar desoxirribosa de 5 carbonos, una base nitrogenada y un grupo fosfato (Figura\(\PageIndex{1}\)).

Figura\(\PageIndex{1}\): Un desoxirribonucleótido. Obsérvese el grupo fosfato unido al carbono 5' de la desoxirribosa y la base nitrogenada, en este caso timina, unida al carbono 1'.

• Desoxirribosa. La desoxirribosa es un azúcar anillado de 5 carbonos (Figura\(\PageIndex{2}\)). Los 5 carbonos se numeran secuencialmente en sentido horario alrededor del azúcar. Los primeros 4 carbonos forman realmente el anillo del azúcar con el carbono 5' que sale del carbono 4' en el anillo. La base nitrogenada del nucleótido está unida al carbono 1' del azúcar y el grupo fosfato se une al carbono 5'. Durante la síntesis de ADN, el grupo fosfato de un nuevo desoxirribonucleótido se une covalentemente por la enzima ADN polimerasa al carbono 3' de un nucleótido que ya está en la cadena.

Figura\(\PageIndex{2}\): La desoxirribosa de azúcar de 5 carbonos. Durante la producción de nucleótidos, la base nitrogenada se unirá al carbono 1' y el grupo fosfato se unirá al carbono 5'. Los primeros 4 carbonos mostrados forman el anillo real del azúcar. El carbono 5' sale del anillo.

• Una base nitrogenada. En el ADN se encuentran cuatro bases nitrogenadas: adenina, guanina, citosina o timina. La adenina y la guanina se conocen como bases purinas mientras que la citosina y la timina se conocen como bases de pirimidina (Figura\(\PageIndex{3}\)).

Figura\(\PageIndex{3}\): Las cuatro bases nitrogenadas en el ADN: adenina, guanina, citosina y timina. El fosfato de un desoxirribonucleótido que se une al carbono 3' de la desoxirribosa de otro forma la cadena principal de azúcar-fosfato del ADN (los lados de la “escalera”). Los enlaces de hidrógeno entre las bases nucleotídicas complementarias (adenina-timina; guanina-citosina) forman los peldaños. Obsérvese la naturaleza antiparalela del ADN. Una cadena termina en un fosfato 5' y la otra termina en un hidroxilo 3'.

• Un grupo fosfato (Figura\(\PageIndex{4}\)).

Figura\(\PageIndex{4}\): Un grupo fosfato

Para sintetizar las dos cadenas de desoxirribonucleótidos durante la replicación del ADN, las enzimas ADN polimerasa involucradas solo son capaces de unir el grupo fosfato en el carbono 5' de un nuevo nucleótido al grupo hidroxilo (OH) del carbono 3' de un nucleótido (Figura\(\PageIndex{2}\)) ya en la cadena. El enlace covalente que une los nucleótidos se denomina enlace fosfodiéster. Cada cadena de ADN tiene lo que se llama un extremo 5' y un extremo 3'. Esto significa que un extremo de cada cadena de ADN, llamado el extremo 5', siempre tendrá un grupo fosfato unido al carbono 5' de su desoxirribonucleótido terminal (Figura\(\PageIndex{5}\)). El otro extremo de esa cadena, llamado extremo 3', siempre tendrá un hidroxilo (OH) en el carbono 3' de su desoxiribonulceótido terminal.

Figura\(\PageIndex{5}\): Estructura química del ADN. El fosfato de un desoxirribonucleótido que se une al carbono 3' de la desoxirribosa de otro forma la cadena principal de azúcar-fosfato del ADN (los lados de la “escalera”). Los enlaces de hidrógeno entre las bases nucleotídicas complementarias (adenina-timina; guanina-citosina) forman los peldaños. Obsérvese la naturaleza antiparalela del ADN. Una cadena termina en un fosfato 5' y la otra termina en un hidroxilo 3'.

Como se verá en la siguiente sección, cada hebra parental, durante la replicación del ADN, actúa como molde para la síntesis de la otra hebra por medio de apareamiento de bases complementarias. El apareamiento de bases complementario se refiere a nucleótidos de ADN con la base adenina formando únicamente enlaces de hidrógeno con nucleótidos que tienen la base timina (A-T). Asimismo, los nucleótidos con la base guanina pueden enlazar hidrógeno solo con nucleótidos que tienen la base citosina (G-C). (En el caso de los nucleótidos de ARN, como se verá más adelante, los nucleótidos adenina forman enlaces de hidrógeno con nucleótidos que tienen la base uracilo ya que la timina no se encuentra en el ARN). Como resultado de esta unión, el ADN asume su forma helicoidal. Por lo tanto, se dice que las dos cadenas de ADN son complementarias. Dondequiera que una cadena tenga un nucleótido que contenga adenina, la cadena opuesta siempre tendrá un nucleótido de timina; dondequiera que haya un nucleótido que contenga guanina, la hebra opuesta siempre tendrá un nucleótido de citosina (Figura\(\PageIndex{1}\)).

Si bien las dos cadenas de ADN son complementarias, están orientadas en direcciones opuestas entre sí. Se dice que una cadena corre 5' a 3'; la cadena de ADN opuesta corre antiparalela, o 3' a 5' (Figura\(\PageIndex{1}\)).

Ahora compararemos brevemente el genoma de las células procariotas con el de las células eucariotas.

El genoma procariota (bacteriano)

El área dentro de una bacteria donde se puede ver el cromosoma con un microscopio electrónico se llama nucleoide. El cromosoma de la mayoría de los procariotas es típicamente una molécula larga, única de ADN bicatenario, helicoidal y superenrollado que forma un círculo físico y genético. El cromosoma tiene generalmente alrededor de 1000 µm de largo y frecuentemente contiene alrededor de 4000 genes (Figura\(\PageIndex{8}\)). Escherichia coli, que tiene 2-3 µm de longitud, tiene un cromosoma de aproximadamente 1400 µm de largo. Para permitir que una macromolécula de este tamaño encaje dentro de la bacteria, las proteínas similares a histonas se unen al ADN, segregando la molécula de ADN en alrededor de 50 dominios cromosómicos y haciéndola más compacta. Una enzima ADN topoisomerasa llamada ADN girasa luego superenrolla el cromosoma en un haz apretado formando una masa compactada superenrollada de ADN de aproximadamente 0.2 µm de diámetro.

Figura\(\PageIndex{6}\): Micrografía electrónica de ADN nucleoide

Las enzimas bacterianas llamadas ADN topoisomerasas son esenciales en el desenrollado, replicación y rebobinado del ADN bacteriano circular superenrollado (Figura\(\PageIndex{7}\)). También son esenciales en la transcripción del ADN en ARN, en la reparación del ADN y en la recombinación genética en bacterias.

Figura\(\PageIndex{7}\): ADN procariota circular superenrollado. Para permitir que la molécula de ADN grande se ajuste dentro de la bacteria, una enzima ADN topoisomerasa llamada ADN girasa superenrolla el cromosoma en un haz apretado formando una masa compactada y superenrollada de ADN de aproximadamente 0.2 µm de diámetro.

El nucleoide procariota no tiene membrana nuclear alrededor del ADN y el cuerpo nuclear no se divide por mitosis. La membrana citoplasmática juega un papel en la separación del ADN durante la replicación bacteriana. Dado que las bacterias son haploides (tienen solo un cromosoma), tampoco hay meiosis.

El genoma eucariota

Las células procariotas y eucariotas difieren un gran detalle tanto en la cantidad como en la organización de sus moléculas de ADN. Las células eucariotas contienen mucho más ADN que las bacterias, y este ADN se organiza como múltiples cromosomas ubicados dentro de un núcleo.

El núcleo en las células eucariotas está rodeado por una membrana nuclear (Figura\(\PageIndex{7}\)) y contiene cromosomas lineales compuestos por ADN cargado negativamente asociado con proteínas básicas cargadas positivamente llamadas histonas para formar estructuras conocidas como nucleosomas. Los nucleosomas forman parte de lo que se llama cromatina, el ADN y las proteínas que componen los cromosomas. El núcleo divide mi mitosis y las células sexuales haploides se producen a partir de células diploides por meiosis.

Figura\(\PageIndex{8}\): Micrografía Electrónica de Transmisión de Candida albicans, Una Célula Eucariota. PM = membrana plasmática; M = mitocondrias; N = núcleo; V = vacuola; CW = pared celular. (Centros para el Control y la Prevención de Enfermedades).

El ADN en las células eucariotas se empaqueta de manera altamente organizada. Consiste en una unidad básica llamada nucleosoma, una estructura en forma de cuentas de 11 nm de diámetro que consta de 146 pares de bases de ADN envueltos alrededor de ocho moléculas de histonas. Los nucleosomas están unidos entre sí por un segmento de ADN de aproximadamente 60 pares de bases de largo llamado ADN enlazador (Figura\(\PageIndex{9}\)). Otra histona asociada con el ADN enlazador luego empaqueta nucleótidos adyacentes juntos para formar un hilo de nucleosoma de 30 nm de diámetro. Finalmente, estos hilos de nucleosomas empaquetados forman grandes bucles enrollados que se mantienen unidos por proteínas de andamiaje no histonas. Estos bucles enrollados en las proteínas del andamiaje interactúan para formar la cromatina condensada observada en los cromosomas durante la mitosis (Figura\(\PageIndex{10}\)).

Figura\(\PageIndex{9}\): Nucleosomas. El ADN en las células eucariotas se empaqueta de manera altamente organizada. Consiste en una unidad básica llamada nucleosoma, una estructura en forma de cuentas con 146 pares de bases de ADN envueltos alrededor de ocho moléculas de histonas. Los nucleosomas están unidos entre sí por un segmento de ADN de aproximadamente 60 pares de bases de ADN de longitud.

En los últimos años se ha encontrado que la naturaleza estructural de la desoxirribonucleoproteína contribuye a que el ADN se transcriba o no en ARN. Por ejemplo, los cambios químicos en la cromatina pueden permitir que porciones de la misma se condensen o se relajen. Cuando se condensa una región, los genes no pueden transcribirse. Además, el químico puede unirse o eliminarse de las proteínas histonas alrededor de las cuales se envuelve el ADN. La unión o eliminación de estos grupos químicos a la histona determina si la expresión génica cercana es amplificada o reprimida.

Figura\(\PageIndex{10}\): Cromosoma eucariota replicante

El epigenoma se refiere a una variedad de compuestos químicos que modifican el genoma típicamente agregando un grupo metilo (CH ₃) a la base nucleotídica adenina en ubicaciones específicas a lo largo de la molécula de ADN. Esta metilación puede, a su vez, reprimir o activar la transcripción de genes específicos. Al activar o desactivar los genes, el epigenoma permite que el genoma interactúe y responda al entorno de la célula. El epigenoma se puede heredar igual que el genoma.

Resumen

1. El ácido desoxirribonucleico (ADN) es una molécula larga, bicatenaria y helicoidal compuesta por bloques de construcción llamados desoxirribonucleótidos.
2. Un desoxirribonucleótido se compone de 3 partes: una molécula del azúcar desoxirribosa de 5 carbonos, una base nitrogenada y un grupo fosfato.
3. En el ADN se encuentran cuatro bases nitrogenadas: adenina, guanina, citosina o timina. La adenina y la guanina se conocen como bases de purina, mientras que la citosina y la timina se conocen como bases de pirimidina.
4. La desoxirribosa es un azúcar anillado de 5 carbonos. Los 5 carbonos se numeran secuencialmente en sentido horario alrededor del azúcar. Los primeros 4 carbonos forman realmente el anillo del azúcar con el carbono 5' que sale del carbono 4' en el anillo. La base nitrogenada del nucleótido está unida al carbono 1' del azúcar y el grupo fosfato se une al carbono 5'.
5. Durante la síntesis de ADN, la enzima ADN polimerasa solo puede unir el grupo fosfato de un nuevo desoxirribonucleótido al carbono 3' de un nucleótido que ya está en la cadena.
6. Durante la replicación del ADN, cada cadena parental actúa como molde para la síntesis de la otra cadena por medio de apareamiento de bases complementarias.
7. El apareamiento de bases complementario se refiere a nucleótidos de ADN con la base adenina formando únicamente enlaces de hidrógeno con nucleótidos que tienen la base timina (A-T). Asimismo, los nucleótidos con la base guanina pueden enlazar hidrógeno solo con nucleótidos que tienen la base citosina (G-C).
8. Si bien las dos cadenas de ADN son complementarias, están orientadas en direcciones opuestas entre sí. Se dice que una cadena corre 5' a 3'; la cadena de ADN opuesta corre antiparalela, o 3' a 5'.
9. En las células procariotas no hay membrana nuclear que rodee el ADN. Las células procariotas carecen de mitosis y meiosis.
10. Para permitir que una macromolécula de este tamaño encaje dentro de la bacteria, las proteínas similares a histonas se unen al ADN, segregando la molécula de ADN en alrededor de 50 dominios cromosómicos y haciéndola más compacta. Luego, una enzima llamada ADN girasa superenrolla cada dominio alrededor de sí mismo formando una masa de ADN compactada y superenrollada. Una topoisomerasa llamada ADN girasa cataliza el superenrollamiento negativo del ADN circular que se encuentra en las bacterias. La topoisomerasa IV, por otro lado, está involucrada en la relajación del ADN circular superenrollado, permitiendo la separación de los cromosomas hijos interconectados al final de la replicación del ADN bacteriano.
11. El ADN en las células eucariotas se empaqueta en unidades básicas llamadas nucleosomas, una estructura en forma de cuentas que consiste en ADN envuelto alrededor de ocho moléculas de histonas. El ADN se organiza como múltiples cromosomas ubicados dentro de un núcleo rodeado por una membrana nuclear. El núcleo se divide por mitosis y los gametos son producidos por meiosis en eucariotas que se reproducen sexualmente.
12. La naturaleza estructural de la desoxirribonucleoprteína contribuye a que el ADN se transcriba o no en ARN. Por ejemplo, los cambios químicos en la cromatina pueden permitir que porciones de la misma se condensen o se relajen. Cuando se condensa una región, los genes no pueden transcribirse. Además, el químico puede unirse o eliminarse de las proteínas histonas alrededor de las cuales se envuelve el ADN. La unión o eliminación de estos grupos químicos a la histona determina si la expresión génica cercana es amplificada o reprimida.