Ácidos nucleicos II: El ADN, estructura y función

Desde hace bastante tiempo se sabe que el ácido desoxirribonucleico (ADN) presente en todas las células es la molécula responsable del almacenamiento y utilización, por parte de la célula, de la información que ésta necesita utilizar para llevar a cabo todos los procesos químicos que, conjunta y coordinadamente, constituyen la vida. Esto ha hecho que, desde principios del siglo XX, haya existido una considerable preocupación por el conocimiento detallado de las características de esta molécula: su composición, su estructura y, especialmente, el modo en que dicha estructura contribuye al desarrollo de su función biológica.

Sabemos ahora que, desde el punto de vista de su naturaleza química el ADN es un heteropolímero lineal no ramificado de desoxirribonucleótidos. Es un heteropolímero porque está formado por diferentes tipos de desoxirribonucleótidos, concretamente cuatro; es lineal y no ramificado porque forma una única cadena abierta y sin cadenas laterales, a diferencia de la estructura de los polisacáridos que sí las presentan.

Estructura primaria del ADN

Como en todos los heteropolímeros, la estructura primaria se define como la secuencia ordenada de los monómeros que la forman. En el caso del ADN se considera, por convenio, que el primer nucleótido de la cadena es el que tiene libre el grupo fosfato. Como ese fosfato está unido al carbono 5' de la desoxirribosa se denomina extremo 5'. Por lo tanto, el último desoxirribonucleótido de la cadena es el que tiene libre el grupo hidroxilo del carbono 3' de la desoxirribosa, que recibe el nombre de extremo 3'. Así pues, la estructura primaria del ADN es la secuencia de desoxirribonucleótidos que forman la molécula, ordenados en sentido 5'→3'.

La unión de los desoxirribonucleótidos se produce entre los fosfatos y los monosacáridos, produciendo una estructura P-D-P-D-P-D..., de la que "cuelgan" las bases. Como los grupos fosfato y las desoxirribosas son idénticas entre todos los monómeros, basta con identificar las bases nitrogenadas para conocer la estructura primaria de la molécula.

Por último, el ADN está formado por cuatro desoxirribonucleótidos diferentes, cuyas bases nitrogenadas son, respectivamente Adenina (A), Citosina (C), Guanina (G) y Timina (T).

La estructura primaria no basta para explicar la función biológica del ADN. Además, desde el siglo XIX se conoce una particularidad en la composición de las moléculas de ADN que trajo de cabeza a los investigadores, hasta el punto de hacer pensar que el ADN no podía ser la molécula responsable de la herencia biológica: las reglas de Chargaff.

Chargaff descubrió que, al analizar el conjunto del material genético de un organismo, se cumplen siempre unas ciertas regularidades en la composición:

• El porcentaje total de Adenina presente en el ADN es siempre igual al porcentaje de Timina.
• El porcentaje de Citosina es siempre el mismo que el de Guanina.
• El porcentaje de purinas (Adenina+Guanina) es siempre el mismo que el porcentaje de pirimidinas (Citosina+Timina).

Por el contrario, el porcentaje de Guanina+Citosina varía de unas especies de organismos a otros, siendo característica de cada una de ellas.

La importancia de las reglas de Chargaff es que establece restricciones a las posibles secuencias de nucleótidos que pueda presentar la molécula. Dado que la información genética debe residir en la secuencia de nucleótidos (igual que la información del lenguaje reside en la secuencia de letras que forman cada palabra), esta restricción supone un problema considerable, porque limitaría la información que una célula puede poseer. A pesar de ello, estaba claro que el ADN era el responsable de la información genética, tal y como lo habían demostrado los experimentos de Griffith, Avery, MacLeod y McCarthy o, finalmente de Hershey y Chase.

Por otra parte, se descubrió también que el ADN tiene una estructura geométrica regular, como demostraron las imágenes de difracción de rayos X que pudieron hacerse de cristales de este compuesto. Esto hizo que se considerara la descripción de la estructura secundaria del ADN (es decir, de su modelo geométrico) como una cuestión fundamental para entender su papel biológico.

Estructura secundaria del ADN

Antes de poder describir la estructura secundaria del ADN se sabía que ésta debía cumplir varios requisitos:

• Debe ser una estructura geométrica regular, tal y como se deduce de las imágenes de difracción de rayos X.
• Debe permitir el almacenamiento de la información genética, aparentemente sin restricciones.
• Debe explicar las reglas de Chargaff.
• Debe explicar la transmisión de la información genética, o al menos permitirla.

El descubrimiento de la estructura del ADN se debió a la unión de una serie de datos encontrados separadamente por diferentes investigadores: por una parte se descubrió que la estructura geométrica correspondía a una hélice formada por dos cadenas. Por otra, Watson y Crick descubrieron que las bases nitrogenadas podían establecer entre sí enlaces por puentes de hidrógeno: la adenina establece dos enlaces con la timina, mientras que la citosina forma tres puentes de hidrógeno con la guanina.

Watson y Crick lograron dar una interpretación conjunta a los datos. Propusieron que el ADN es, en realidad, una molécula doble formada por dos cadenas de nucleótidos cuya estructura primaria está relacionada. Las dos cadenas se disponen en paralelo, enrollándose una respecto a la otra para formar la doble hélice descrita por las imágenes de difracción de rayos X.

En cuanto a la relación que existe entre la estructura primaria de las dos cadenas, una de ella no tiene ningún tipo de restricción en su secuencia, pero la otra está totalmente determinada por la primera: los nucleótidos de la segunda cadena cumplen el principio de complementariedad de bases establecido por Watson y Crick, de acuerdo con las reglas de Chargaff:

• Cuando en la primera cadena aparece una Adenina, la segunda presenta frente a ella una Timina, y viceversa.
• Cuando en la primera cadena aparece una Citosina, la base que aparece frente a ella en la segunda es una Guanina, y viceversa.

Las dos cadenas se mantienen unidas entre sí gracias a los enlaces por puentes de hidrógeno que se establecen entre los pares de bases, de acuerdo con lo descubierto por Watson y Crick. Por último, ambas cadenas "corren" en sentidos antiparalelos: mientras una avanza en dirección 5'→3', su complementaria lo hace en sentido 3'→5'.

El modelo de Watson y Crick cumple con todos los requisitos que se exigen a la estructura del ADN:

• Es una estructura geométrica regular, que cumple las especificaciones de forma y tamaño de las imágenes de difracción.
• Permite el almacenamiento de la información genética sin ningún tipo de restricción, ya que la secuencia de una de las dos cadenas es totalmente libre.Cumple (y explica) las reglas de Chargaff: la proporción de Adenina es igual a la de Timina porque, por cada molécula de adenina que hay en una de las cadenas, hay una de timina en la otra; lo mismo ocurre con la proporción de citosina y guanina. La regla relativa a la proporción de purinas y pirimidinas está también explicada, porque cada purina es complementaria de una pirimidina que se encuentra en la otra cadena.
• Permite explicar la transmisión de la información genética, porque cada una de las cadenas que forma la doble hélice puede servir como molde a la cadena complementaria. Teniendo en cuenta este sencillo principio, el mecanismo de replicación de la información genética es casi elemental: las dos cadenas se separan entre sí, y cada una sirve de molde para la síntesis de una cadena complementaria a sí misma, con lo que se consigue duplicar la información inicial, sin ninguna pérdida.

La estructura del material genético en los organismos eucariotas

El material genético de los organismos procariotas tiene una estructura muy sencilla, ya que consta básicamente de una única doble hélice que se cierra sobre sí misma. Sin embargo, en los organismos eucariotas esta organización es mucho más compleja. Para empezar, se encuentra distribuida en varios "paquetes" llamados cromosomas. Y en segundo lugar, también a diferencia de lo que ocurre en procariotas, el ADN se encuentra asociado a varios tipos de proteínas, que tienen fundamentalmente la función de protegerlo. Esta diferencia de organización se debe, fundamentalmente, a la diferencia en la cantidad de material genético que tienen unos y otros organismos, mucho mayor en los eucariotas, y a la necesidad de garantizar la división de este material durante los procesos de reproducción celular. El conjunto del material genético y sus proteínas asociadas que forma parte del núcleo de una célula eucariota recibe el nombre de cromatina.

En la mayoría de las circunstancias, la cromatina no es apreciable más que con la ayuda de un microscopio electrónico. Sin embargo, en las células en división sí que es posible observar los cromosomas a través de un microscopio óptico. Esta diferencia se debe a que cuando el ADN está activo, debe resultar accesible a las proteínas que lo "leen" para expresar la información genética que la célula utiliza. Por el contrario, cuando la célula necesita dividirse, el ADN tiene que estar protegido para impedir que sufra daños en el proceso de reparto. Para ello, la célula se encarga de "empaquetarlo" formando los cromosomas.

Los cromosomas representan, por tanto, una forma muy condensada de la cromatina, en la que ésta no realiza las funciones que le corresponde sino que sirve para proteger al ADN. Hasta llegar a formar los cromosomas, el ADN sufre varios procesos de empaquetamiento que reducen su longitud aparente y aumentan el grosor de la fibra:

• El ADN "desnudo" es una fibra de 2 nm, diámetro que se corresponde con el de la doble hélice propuesta por Watson y Crick. Esta fibra solo se observa en fragmentos aislados de material genético.
• En el núcleo, la fibra de ADN se enrolla en torno de unas partículas proteicas denominadas nucleosomas, dando una vuelta completa a su alrededor. Cada nucleosoma está constituido por ocho subunidades de un tipo de proteínas denominadas histonas. Entre un nucleosoma y el siguiente hay un fragmento de ADN desnudo de unos 150 pares de bases, con lo que la estructura resultante tiene el aspecto de un "collar de perlas", y un diámetro máximo de 11 nm.
• La fibra de 11 nm se dispone, por acción de otra histona que no forma parte de los nucleosomas (llamada H1), formando una estructura en forma de muelle. Cada vuelta del muelle comprende seis nucleosomas, y el diámetro de la fibra resultante es de 30 nm.
• Esta fibra se une a un conjunto de proteínas, llamadas proteínas del scaffold (andamiaje), que constituyen el "esqueleto" o armazón interno del cromosoma. El ADN se une al andamiaje formando lazos de un tamaño aproximado de unos 300 nm.
• Finalmente, la fibra de 300 nm se enrolla sobre sí misma, formando la fibra de 700 nm que constituye cada cromátide.