Nuevo ADN
El
ácido desoxirribonucleico, frecuentemente abreviado como
ADN (y también
DNA, del inglés
deoxyribonucleic acid), es un tipo de
ácido nucleico, una
macromolécula que forma parte de todas las
células. Contiene la información
genética usada en el
desarrollo y el funcionamiento de los
organismos vivos conocidos y de algunos
virus, y es responsable de su transmisión
hereditaria.
Desde el punto de vista
químico, el ADN es un
polímero de nucleótidos, es decir, un
polinucleótido. Un polímero es un compuesto formado por muchas unidades simples conectadas entre sí, como si fuera un largo
tren formado por
vagones. En el ADN, cada
vagón es un
nucleótido, y cada nucleótido, a su vez, está formado por un azúcar (la
desoxirribosa), una
base nitrogenada (que puede ser
adenina→
A,
timina→
T,
citosina→
C o
guanina→
G) y un grupo
fosfato que actúa como enganche de cada
vagón con el siguiente. Lo que distingue a un
vagón (nucleótido) de otro es, entonces, la base nitrogenada, y por ello la secuencia del ADN se especifica nombrando sólo la secuencia de sus bases. La disposición secuencial de estas cuatro bases a lo largo de la cadena (el ordenamiento de los cuatro tipos de
vagones a lo largo de todo el
tren) es la que codifica la información genética: por ejemplo, una secuencia de ADN puede ser
ATGCTAGATCGC... En los organismos vivos, el ADN se presenta como una doble cadena de nucleótidos, en la que las dos hebras están unidas entre sí por unas conexiones denominadas
puentes de hidrógeno.
Para que la información que contiene el ADN pueda ser utilizada por la maquinaria celular, debe copiarse en primer lugar en unos
trenes de nucleótidos, más cortos y con unas unidades diferentes, llamados
ARN. Las
moléculas de ARN se copian exactamente del ADN mediante un proceso denominado
transcripción. Una vez procesadas en el
núcleo celular, las moléculas de ARN pueden salir al
citoplasma para su utilización posterior. La información contenida en el ARN se interpreta usando el
código genético, que especifica la secuencia de los
aminoácidos de las proteínas, según una correspondencia de un triplete de nucleótidos (
codón) para cada aminoácido. Esto es, la información genética (esencialmente: qué proteínas se van a producir en cada momento del ciclo de vida de una célula) se halla codificada en las secuencias de nucleótidos del ADN y debe traducirse para poder funcionar. Tal traducción se realiza usando el código genético a modo de diccionario. El diccionario "secuencia de nucleótido-secuencia de aminoácidos" permite el ensamblado de largas cadenas de aminoácidos (las proteínas) en el citoplasma de la célula. Por ejemplo, en el caso de la secuencia de ADN indicada antes (
ATGCTAGATCGC...), la ARN
polimerasa utilizaría como molde la cadena complementaria de dicha secuencia de ADN (que sería
TAC-GAT-CTA-GCG-...) para transcribir una molécula de ARNm que se leería
AUG-CUA-GAU-CGC-... ; el ARNm resultante, utilizando el código genético, se traduciría como la secuencia de aminoácidos
metionina-
leucina-
ácido aspártico-
arginina-...
Las secuencias de ADN que constituyen la unidad fundamental, física y funcional de la herencia se denominan
genes. Cada gen contiene una parte que se
transcribe a ARN y otra que se encarga de definir cuándo y dónde deben
expresarse. La información contenida en los genes (genética) se emplea para generar ARN y
proteínas, que son los componentes básicos de las células, los "ladrillos" que se utilizan para la construcción de los
orgánulos u organelos celulares, entre otras funciones.
Dentro de las células, el ADN está organizado en estructuras llamadas
cromosomas que, durante el
ciclo celular, se
duplican antes de que la célula se
divida. Los
organismos eucariotas (por ejemplo,
animales,
plantas, y
hongos) almacenan la mayor parte de su ADN dentro del
núcleo celular y una mínima parte en
elementos celulares llamados
mitocondrias, y en los
plastos y los centros organizadores de
microtúbulos o
centríolos, en caso de tenerlos; los
organismos procariotas (
bacterias y
arqueas) lo almacenan en el
citoplasma de la célula, y, por último, los
virus ADN lo hacen en el interior de la
cápsida de naturaleza proteica. Existen multitud de proteínas, como por ejemplo las
histonas y los
factores de transcripción, que se unen al ADN dotándolo de una estructura tridimensional determinada y regulando su expresión. Los
factores de transcripción reconocen secuencias reguladoras del ADN y especifican la pauta de transcripción de los genes. El material genético completo de una dotación cromosómica se denomina
genoma y, con pequeñas variaciones, es característico de cada
especie.
El ADN lo aisló por primera vez, durante el invierno de
1869, el médico
suizo Friedrich Miescher mientras trabajaba en la
Universidad de Tubinga. Miescher realizaba experimentos acerca de la composición química del
pus de vendas
quirúrgicas desechadas cuando notó un precipitado de una sustancia desconocida que caracterizó químicamente más tarde.
[1] [2] Lo llamó
nucleína, debido a que lo había extraído a partir de núcleos celulares.
[3] Se necesitaron casi 70 años de investigación para poder identificar los
componentes y la
estructura de los ácidos nucleicos.
En 1919
Phoebus Levene identificó que un nucleótido está formado por una
base nitrogenada, un
azúcar y un
fosfato.
[4] Levene sugirió que el ADN formaba una estructura con forma de
solenoide (muelle) con unidades de nucleótidos unidos a través de los grupos fosfato. En 1930 Levene y su maestro
Albrecht Kossel probaron que la nucleína de Miescher es un ácido desoxirribonucleico (ADN) formado por cuatro bases nitrogenadas (
citosina (C),
timina (T),
adenina (A) y
guanina (G)), el azúcar desoxirribosa y un grupo fosfato, y que, en su
estructura básica, el nucleótido está compuesto por un azúcar unido a la base y al fosfato.
[5] Sin embargo, Levene pensaba que la cadena era corta y que las bases se repetían en un orden fijo. En 1937
William Astbury produjo el primer patrón de
difracción de rayos X que mostraba que el ADN tenía una estructura regular.
[6]
La función biológica del ADN comenzó a dilucidarse en 1928, con una serie básica de experimentos de la genética moderna realizados por
Frederick Griffith, quien estaba trabajando con cepas "lisas" (S) o "rugosas" (R) de la bacteria
Pneumococcus (causante de la neumonía), según la presencia (S) o no (R) de una cápsula azucarada, que es la que confiere virulencia (véase también
experimento de Griffith). La inyección de neumococos S vivos en ratones produce la muerte de éstos, y Griffith observó que, si inyectaba ratones con neumococos R vivos o con neumococos S muertos por calor, los ratones no morían. Sin embargo, si inyectaba a la vez neumococos R vivos y neumococos S muertos, los ratones morían, y en su sangre se podían aislar neumococos S vivos. Como las bacterias muertas no pudieron haberse multiplicado dentro del ratón, Griffith razonó que debía producirse algún tipo de cambio o transformación de un tipo bacteriano a otro por medio de una transferencia de alguna sustancia activa, que denominó
principio transformante. Esta sustancia proporcionaba la capacidad a los neumococos R de producir una cápsula azucarada y transformarse así en virulentas. En los siguientes 15 años, estos experimentos iniciales se replicaron mezclando distintos tipos de cepas bacterianas muertas por el calor con otras vivas, tanto en ratones (
in vivo) como en tubos de ensayo (
in vitro).
[7] La búsqueda del «factor transformante» que era capaz de hacer virulentas a cepas que inicialmente no lo eran continuó hasta 1944, año en el cual
Oswald Avery,
Colin MacLeod y
Maclyn McCarty realizaron un experimento hoy clásico. Estos investigadores extrajeron la fracción activa (el factor transformante) y, mediante análisis químicos, enzimáticos y
serológicos, observaron que no contenía proteínas, ni lípidos no ligados, ni polisacáridos activos, sino que estaba constituido principalmente por "una forma viscosa de ácido desoxirribonucleico altamente polimerizado", es decir, ADN. El ADN extraído de las cepas bacterianas S muertas por el calor lo mezclaron "in vitro" con cepas R vivas: el resultado fue que se formaron colonias bacterianas S, por lo que se concluyó inequívocamente que el factor o principio transformante era el ADN.
[8]
A pesar de que la identificación del ADN como principio transformante aún tardó varios años en ser universalmente aceptada, este descubrimiento fue decisivo en el conocimiento de la base molecular de la herencia, y constituye el nacimiento de la
genética molecular. Finalmente, el papel exclusivo del ADN en la heredabilidad fue confirmado en
1952 mediante los experimentos de
Alfred Hershey y
Martha Chase, en los cuales comprobaron que el
fago T2 transmitía su información genética en su ADN, pero no en su proteína
[9] (véase también
experimento de Hershey y Chase).
En cuanto a la caracterización química de la molécula, en 1940
Chargaff realizó algunos experimentos que le sirvieron para establecer las
proporciones de las bases nitrogenadas en el ADN. Descubrió que las proporciones de purinas eran idénticas a las de pirimidinas, la "
equimolecularidad" de las bases ([A]=[T], [G]=[C]) y el hecho de que la cantidad de G+C en una determinada molécula de ADN no siempre es igual a la cantidad de A+T y puede variar desde el 36 hasta el 70 por ciento del contenido total.
[5] Con toda esta información y junto con los datos de
difracción de rayos X proporcionados por
Rosalind Franklin,
James Watson y
Francis Crick propusieron en
1953 el modelo de la
doble hélice de ADN para representar la
estructura tridimensional del
polímero.
[10] En una serie de cinco artículos en el mismo número de
Nature se publicó la evidencia experimental que apoyaba el modelo de Watson y Crick.
[11] De éstos, el artículo de
Franklin y
Raymond Gosling fue la primera publicación con datos de
difracción de rayos X que apoyaba el modelo de Watson y Crick,
[12] [13] y en ese mismo número de
Nature también aparecía un artículo sobre la estructura del ADN de
Maurice Wilkins y sus colaboradores.
[14]
Watson, Crick y Wilkins recibieron conjuntamente, en 1962, después de la muerte de Rosalind Franklin, el
Premio Nobel en Fisiología o Medicina.
[15] Sin embargo, el debate continúa sobre quién debería recibir crédito por el descubrimiento.
[16]
El ADN es un largo
polímero formado por unidades repetitivas, los
nucleótidos.
[17] [18] Una doble cadena de ADN mide de 22 a 26
angstroms (2,2 a 2,6
nanómetros) de ancho, y una unidad (un nucleótido) mide 3,3 Å (0,33 nm) de largo.
[19] Aunque cada unidad individual que se repite es muy pequeña, los polímeros de ADN pueden ser
moléculas enormes que contienen millones de
nucleótidos. Por ejemplo, el cromosoma humano más largo, el
cromosoma número 1, tiene aproximadamente 220 millones de
pares de bases.
[20]
En los
organismos vivos, el ADN no suele existir como una molécula individual, sino como una pareja de moléculas estrechamente asociadas. Las dos cadenas de ADN se enroscan sobre sí mismas formando una especie de escalera de caracol, denominada
doble hélice. El modelo de estructura en doble hélice fue propuesto en
1953 por
James Watson y
Francis Crick (el artículo
Molecular Structure of Nucleic Acids: A Structure for Deoxyribose Nucleic Acid fue publicado el
25 de abril de
1953 en
Nature).
[21] El éxito de este modelo radicaba en su consistencia con las propiedades físicas y químicas del ADN. El estudio mostraba además que la
complementariedad de bases podía ser relevante en su
replicación, y también la importancia de la secuencia de bases como portadora de información genética.
[22] [23] [24] Cada unidad que se repite, el nucleótido, contiene un segmento de la estructura de soporte (azúcar + fosfato), que mantiene la cadena unida, y una
base, que interacciona con la otra cadena de ADN en la hélice. En general, una base ligada a un azúcar se denomina
nucleósido y una base ligada a un azúcar y a uno o más grupos fosfatos recibe el nombre de
nucleótido.
Cuando muchos nucleótidos se encuentran unidos, como ocurre en el ADN, el polímero resultante se denomina
polinucleótido.
[25]
