10.1: Estructura del ADN

Nucleótidos y estructura básica del ADN

Los bloques de construcción del ADN son los nucleótidos. Los componentes importantes del nucleótido son una base nitrogenada (portadora de nitrógeno), un azúcar de cinco carbonos (pentosa) y un grupo fosfato. El nucleótido se nombra dependiendo de la base nitrogenada. La base nitrogenada puede ser una purina, como adenina (A) y guanina (G), o una pirimidina, como citosina (C) y timina (T). 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. El azúcar es desoxirribosa en el ADN y ribosa en el ARN. Los átomos de carbono del azúcar de cinco carbonos están numerados 1′, 2′, 3′, 4′ y 5′ (1′ se lee como “uno primo”). El fosfato, que hace que el ADN y el ARN sean ácidos, se conecta al carbono 5' del azúcar mediante la formación de un enlace éster entre el ácido fosfórico y el grupo 5′-OH (un éster es un ácido + un alcohol). En los nucleótidos de ADN, el carbono 3' del azúcar desoxirribosa está unido a un grupo hidroxilo (OH) (figuras 10.1 y 10.2).

Figura 10.1: Estructura básica de nucleótidos incluyendo los grupos azúcar (ribosa o desoxirribosa), base (pirimidina o purina) y fosfato.

Figura 10.2: Estructura de bases de pirimidina y purina.

Los nucleótidos se combinan entre sí para producir enlaces fosfodiéster. El residuo fosfato unido al carbono 5' del azúcar de un nucleótido forma un segundo enlace éster con el grupo hidroxilo del carbono 3' del azúcar del siguiente nucleótido, formando así un enlace fosfodiéster 5′-3'. En un polinucleótido, un extremo de la cadena tiene un fosfato 5' libre, y el otro extremo tiene un 3′-OH libre. Estos se llaman los extremos 5′ y 3′ de la cadena.

El emparejamiento de bases tiene lugar entre una purina y una pirimidina en cadenas opuestas, de manera que la adenina y la timina son pares de bases complementarios, y la citosina y la guanina también son pares de bases complementarios. Los pares de bases se estabilizan mediante enlaces de hidrógeno: la adenina y la timina forman dos enlaces de hidrógeno, y la citosina y la guanina forman tres enlaces de hidrógeno. Las dos hebras son de naturaleza antiparalela; es decir, el extremo 3' de una hebra se enfrenta al extremo 5' de la otra hebra. El azúcar y el fosfato de los nucleótidos forman la columna vertebral de la estructura, mientras que las bases nitrogenadas se apilan en su interior, como los peldaños de una escalera. La torsión de las dos hebras una alrededor de la otra da como resultado la formación de surcos mayores y menores uniformemente espaciados.

El ADN tiene una estructura de doble hélice y enlaces fosfodiéster; las líneas punteadas entre timina y adenina y guanina y citosina representan enlaces de hidrógeno. Los 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 (figura 10.3).

Figura 10.3: Estructura general y patrón de enlaces de hidrógeno del ADN.

Empaque y organización de ADN

Los cromosomas eucariotas consisten en una molécula de ADN lineal complejada con proteína (histonas); este complejo se llama cromatina. Las histonas son proteínas conservadas evolutivamente que son ricas en aminoácidos básicos y forman un octámero compuesto por dos moléculas de cada una de cuatro histonas diferentes.

El ADN (recuerde, está cargado negativamente debido a los grupos fosfato) se envuelve firmemente alrededor del núcleo de la histona. Esta interacción se facilita a través de interacciones electrostáticas. Los grupos fosfato cargados negativamente en la cadena principal del ADN son atraídos por una lisina cargada positivamente en la superficie expuesta de las histonas. Este nucleosoma se vincula al siguiente con la ayuda de un ADN enlazador. Esto también se conoce como la estructura de “cuentas en una cuerda”. Con la ayuda de una quinta histona, una cadena de nucleosomas se compacta aún más en una fibra de 30 nm, que es el diámetro de la estructura. Los cromosomas metafásicos se condensan aún más por asociación con proteínas de andamiaje. En la etapa de metafase, los cromosomas están en su forma más compacta, aproximadamente 700 nm de ancho (figura 10.4).

Figura 10.4: Estructura organizativa del ADN que ilustra la condensación y superenrollamiento en cromosomas.

En la interfase, los cromosomas eucariotas tienen dos regiones distintas que se pueden distinguir por tinción. La región estrechamente empaquetada se conoce como heterocromatina, y la región menos densa se conoce como eucromatina.

La heterocromatina suele contener genes que no se expresan y se encuentra en las regiones del centrómero y los telómeros.

La eucromatina suele contener genes que se transcriben, con ADN empaquetado alrededor de nucleosomas pero no compactado más.

Las colas de histonas se pueden modificar a través de metilación y acetilación, lo que alterará la interacción histona:ADN. La metilación de histonas puede tener impactos variables en un locus génico dado que conduce a un cambio en la transcripción. La acetilación de histonas relaja las interacciones de las histonas y el ADN al eliminar la carga positiva en los residuos de lisina permitiendo que el ADN sea accesible transcripcionalmente (eucromatina). La metilación del ADN, específicamente a islas CpG, reprime globalmente la transcripción. Estas modificaciones en las histonas y el ADN pueden resultar en influencias epigenéticas que tienen un impacto en muchos procesos biológicos.

A lo largo del genoma de tres mil millones de pares de bases, los genes se organizan en grupos con solo una fracción del ADN que codifica los productos traducidos. El ADN restante se consideró históricamente “basura”, sin embargo, más recientemente hay una nueva apreciación por los roles de las regiones de ADN no codificantes. Solo la mitad del genoma es una secuencia de ADN única, y solo 1.5 por ciento codifica ARNm (~20,000 genes que codifican proteínas). La secuencia restante se puede clasificar como:

• Moderadamente repetitivo: ADN que contiene ARN ribosómico (ARNr), repeticiones en tándem y no tándem, y elementos nucleares intercalados cortos y largos (SINE y LINE).
• Elementos transponibles: Se trata de elementos móviles, transposones o retrotransposones, que pueden resultar en mutaciones causantes de enfermedades si se insertan en loci genómicos importantes.
• Secuencia altamente repetitiva: Los satélites y los mini satélites son regiones de alta repetición de secuencia (repeticiones de trinucleótidos) y son difíciles de replicar. Esto puede conducir a expansiones de estas áreas, así como mutaciones que resultan en cambios de marco o pérdida de inicios de traducción.

Referencias y recursos

Texto

Clark, M. A. Biología, 2a ed. Houston, TX: OpenStax College, Rice University, 2018, Capítulo 14: Estructura y función del ADN.

Karp, G., y J. G. Patton. Biología Celular y Molecular: Conceptos y Experimentos, 7a ed. Hoboken, NJ: John Wiley, 2013, Capítulo 10: La naturaleza del gen y el genoma, Capítulo 12: El núcleo celular y el control de la expresión génica, Capítulo 13: Replicación del ADN.

Le, T. y V. Bhushan. Primeros Auxilios para el USMLE Paso 1, 29a ed. Nueva York: McGraw Hill Education, 2018, 34, 38—40.

Nussbaum, R. L., R. R. McInnes, H. F. Willard, A. Hamosh, y M. W. Thompson. Thompson & Thompson Genetics in Medicine, 8a ed. Filadelfia: Saunders/Elsevier, 2016, Capítulo 2: La introducción al genoma humano.

Cifras

Gris, Kindred, Figura 10.1 Estructura básica de los nucleósidos incluyendo los grupos azúcar (ribosa o desoxirribosa), base (pirimidina o purina) y fosfato. 2021. Estructura química de Henry Jakubowski. https://archive.org/details/10.1_20210926. CC BY 4.0.

Gris, Kindred, Figura 10.2 Estructura de bases de pirimidina y purina. 2021. Estructura química de Henry Jakubowski. https://archive.org/details/10.2_20210926. CC BY 4.0.

Gris, Kindred, Figura 10.3 Estructura general y patrón de enlaces de hidrógeno del ADN. 2021. Estructura química de Henry Jakubowski. https://archive.org/details/10.3_20210926. CC BY-SA 4.0. Se agregaron surcos de doble hélice de ADN por Biochemlife. CC BY-SA 4.0. De Wikimedia Commons.

Gris, Kindred, Figura 10.4 Estructura organizacional del ADN que ilustra la condensación y superenrollamiento en cromosomas. 2021. https://archive.org/details/10.4_20210926. CC BY-SA 4.0. Se agregaron surcos de doble hélice de ADN por Biochemlife. CC BY-SA 4.0. De Wikimedia Commons. Y Figura 14.11. CC BY 4.0. De OpenStax.