Biología para no profesionales I

Lo que aprenderás a hacer: Explicar cómo el ADN almacena la información genética

La estructura única del ADN es clave para su capacidad de almacenar y replicar la información genética:

Figura 1

En este resultado, aprenderá a describir la estructura de doble hélice del ADN: su columna vertebral de azúcar-fosfato en escalera con «peldaños» de base nitrogenada de escalera.

Estructura del ADN

Los bloques de construcción del ADN son los nucleótidos. Los componentes importantes de cada nucleótido son una base nitrogenada, la desoxirribosa (azúcar de 5 carbonos) y un grupo fosfato (véase la figura 2). Cada nucleótido recibe un nombre en función de su base nitrogenada. La base nitrogenada puede ser una purina, como la adenina (A) y la guanina (G), o una pirimidina, como la citosina (C) y la timina (T). El uracilo (U) también es una pirimidina (como se ve en la figura 2), pero sólo se encuentra en el ARN, del que hablaremos más adelante.

Figura 2. Cada nucleótido está formado por un azúcar, un grupo fosfato y una base nitrogenada. El azúcar es desoxirribosa en el ADN y ribosa en el ARN.

Los nucleótidos se combinan entre sí mediante enlaces covalentes conocidos como enlaces fosfodiéster o enlaces. El residuo de fosfato se une al grupo hidroxilo del carbono 5′ de un azúcar de un nucleótido y al grupo hidroxilo del carbono 3′ del azúcar del siguiente nucleótido, formando así un enlace fosfodiéster 5′-3′.

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 la cristalografía de rayos X. En el laboratorio de Wilkins, la investigadora Rosalind Franklin utilizaba métodos de difracción de rayos X para comprender la estructura del ADN. Watson y Crick pudieron reconstruir el rompecabezas de la molécula de ADN basándose en los datos de Franklin porque Crick también había estudiado la difracción de rayos X (Figura 3). En 1962, James Watson, Francis Crick y Maurice Wilkins recibieron el Premio Nobel de Medicina. Desgraciadamente, para entonces Franklin había fallecido, y los premios Nobel no se conceden a título póstumo.

Figura 3. El trabajo de los 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, que ayudó a dilucidar su estructura de doble hélice. (crédito a: modificación del trabajo de Marjorie McCarty, Public Library of Science)

Watson y Crick propusieron que el ADN está formado por dos hebras que se enroscan entre sí para formar una hélice derecha. El emparejamiento de bases tiene lugar entre una purina y una pirimidina, es decir, la A se empareja con la T y la G con la C. La adenina y la timina son pares de bases complementarias, y la citosina y la guanina también lo son. 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 antiparalelas por naturaleza; es decir, el extremo 3′ de una hebra se enfrenta al extremo 5′ de la otra. 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. Cada par de bases está separado del otro par de bases por una distancia de 0,34 nm, y cada vuelta de la hélice mide 3,4 nm. Por lo tanto, hay diez pares de bases por vuelta de la hélice. El diámetro de la doble hélice del ADN es de 2 nm, y es uniforme en toda su extensión. Sólo el emparejamiento entre una purina y una pirimidina puede explicar el diámetro uniforme. La torsión de las dos hebras una alrededor de la otra da lugar a la formación de surcos mayores y menores uniformemente espaciados (Figura 4).

Figura 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 las proteínas de unión del ADN durante procesos como la transcripción (la copia del ARN a partir del ADN) y la replicación.

Información genética

La información genética de un organismo se almacena en moléculas de ADN. ¿Cómo puede un tipo de molécula contener todas las instrucciones para crear seres vivos complicados como nosotros? ¿Qué componente o característica del ADN puede contener esta información? Tiene que venir de las bases nitrogenadas, porque, como ya sabes, la columna vertebral de todas las moléculas de ADN es la misma. Pero en el ADN sólo hay cuatro bases: G, A, C y T. La secuencia de estas cuatro bases puede proporcionar todas las instrucciones necesarias para construir cualquier organismo vivo. Puede resultar difícil imaginar que 4 «letras» diferentes puedan comunicar tanta información. Pero piense en el idioma inglés, que puede representar una enorme cantidad de información con sólo 26 letras. Más profundo aún es el código binario utilizado para escribir programas de ordenador. Este código sólo contiene unos y ceros, y piensa en todo lo que puede hacer tu ordenador. El alfabeto del ADN puede codificar instrucciones muy complejas utilizando sólo cuatro letras, aunque los mensajes acaban siendo realmente largos. Por ejemplo, la bacteria E. coli lleva sus instrucciones genéticas en una molécula de ADN que contiene más de cinco millones de nucleótidos. El genoma humano (todo el ADN de un organismo) consta de unos tres mil millones de nucleótidos repartidos entre 23 moléculas de ADN emparejadas, o cromosomas.

La información almacenada en el orden de las bases se organiza en genes: cada gen contiene información para fabricar un producto funcional. La información genética se copia primero en otro polímero de ácido nucleico, el ARN (ácido ribonucleico), conservando el orden de las bases de los nucleótidos. Los genes que contienen instrucciones para fabricar proteínas se convierten en ARN mensajero (ARNm). Algunos genes especializados contienen instrucciones para fabricar moléculas de ARN funcionales que no fabrican proteínas. Estas moléculas de ARN funcionan afectando directamente a los procesos celulares; por ejemplo, algunas de estas moléculas de ARN regulan la expresión del ARNm. Otros genes producen moléculas de ARN necesarias para la síntesis de proteínas, ARN de transferencia (ARNt) y ARN ribosómico (ARNr).

Para que el ADN funcione eficazmente en el almacenamiento de información, se requieren dos procesos clave. En primer lugar, la información almacenada en la molécula de ADN debe copiarse, con errores mínimos, cada vez que una célula se divide. Esto garantiza que ambas células hijas hereden el conjunto completo de información genética de la célula madre. En segundo lugar, la información almacenada en la molécula de ADN debe traducirse o expresarse. Para que la información almacenada sea útil, las células deben ser capaces de acceder a las instrucciones para fabricar proteínas específicas, de modo que se produzcan las proteínas correctas en el lugar y el momento adecuados.

Figura 5. La doble hélice del ADN. Gráfico modificado de «DNA chemical structure», por Madeleine Price Ball, CC-BY-SA-2.0

Tanto la copia como la lectura de la información almacenada en el ADN se basa en el emparejamiento de bases entre dos hebras de polímero de ácido nucleico. Recordemos que la estructura del ADN es una doble hélice (véase la figura 5).

El azúcar desoxirribosa con el grupo fosfato forma el andamiaje o columna vertebral de la molécula (resaltado en amarillo en la figura 5). Las bases apuntan hacia el interior. Las bases complementarias forman enlaces de hidrógeno entre sí dentro de la doble hélice. Observa cómo las bases más grandes (purinas) se emparejan con las más pequeñas (pirimidinas). Esto mantiene constante la anchura de la doble hélice. Más concretamente, la A se empareja con la T y la C se empareja con la G. Cuando hablemos de la función del ADN en secciones posteriores, tenga en cuenta que hay una razón química para el emparejamiento específico de las bases.

Para ilustrar la conexión entre la información en el ADN y una característica observable de un organismo, consideremos un gen que proporciona las instrucciones para construir la hormona insulina. La insulina es responsable de regular los niveles de azúcar en la sangre. El gen de la insulina contiene instrucciones para ensamblar la proteína insulina a partir de aminoácidos individuales. La modificación de la secuencia de nucleótidos en la molécula de ADN puede cambiar los aminoácidos de la proteína final, provocando un mal funcionamiento de la misma. Si la insulina no funciona correctamente, puede ser incapaz de unirse a otra proteína (receptor de insulina). En el nivel de organización del organismo, este acontecimiento molecular (cambio de la secuencia del ADN) puede conducir a un estado de enfermedad -en este caso, la diabetes.