La estructura del ADN

(Ciencias de Joseleg) (Biología) (Teoría de la Biología)  (Genética moderna) (Introducción)  (Naturaleza química del gen) (Conflicto por la estructura del ADN)  (Estructura del ADN)  (La replicación del ADN)  (Síntesis de proteínas)  (Denaturación y renaturación)  (Estructura del genoma)  (Tipos de mutaciones)  (Elementos móviles del genoma)  (Identificación humana)  (Referencias bibliográficas)

La representación de las moléculas en espacios escolares es un verdadero dolor de cabeza, esto es porque esas cosas son estructuras que ocupan lugares en el espacio, es decir poseen volúmenes y una estructura tridimensional, lamentablemente la mayor parte de los profesores del planeta solo contamos con un tablero plano y algo con que escribir. Aun con pantallas, la tridimensionalidad mostrada es simplemente una sobra de proyección en perspectiva, es decir, para demostrar las verdaderas formas tridimensionales se requeriría de una suerte de proyector holográfico que muestre la disposición de la molécula, o si no, la creación de modelos en diferentes materiales.

Figura 17.   James Dewey Watson (Chicago, 6 de abril de 1928-Vivo) Es un biólogo estadounidense, famoso por ser uno de los cuatro descubridores de la estructura molecular del ADN en 1953, junto con el biofísico británico Francis Crick, con el físico Maurice Wilkins y con la química Rosalind Franklin, lo que le valió el reconocimiento de la comunidad científica a través del Premio Nobel en Fisiología o Medicina.

Figura 18.  Francis Harry Compton Crick, OM, FRS (8 de junio de 1916-28 de julio de 2004). Fue un físico, biólogo molecular y neurocientífico británico, conocido sobre todo por ser uno de los cuatro descubridores de la estructura molecular del ADN en 1953, junto con James Dewey Watson y Rosalind Franklin.  Recibió, junto a James Dewey Watson y Maurice Wilkins el Premio Nobel de Medicina en 1962 "por sus descubrimientos concernientes a la estructura molecular de los ácidos desoxirribonucleicos (ADN) y su importancia para la transferencia de información en la materia viva".

La estructura tridimensional de las moléculas, en especial, de las moléculas orgánicas es de vital importancia para poder entender sus propiedades. Un ejemplo es precisamente las proteínas, ellas actúan mediante sus estructuras tridimensionales. La carrera por entender la estructura de las proteínas fue y aun es una carrera que trae grandes niveles de prestigio a nivel académico. Para el caso del ADN el entendimiento de dicha estructura tridimensional se basó en lo que se conocía de sus componentes químicos, sus propiedades macroscópicas, pero más que cualquier otra cosa, en proyecciones planas obtenidas por el método de difracción de rayos X, mejorado en el King College de Londres por el equipo de investigación de Rosalind Franklin. Sin dichas proyecciones, ningún modelo del ADN se hubiera podido construir con eficacia. A continuación, enumeraremos varios de los componentes del modelo generado pro Watson y Crick empleando la información de Franklin.

Las moléculas están compuestas por dos hebras de nucleótidos polimerizados a través del enlace fosfodiester (YouTube; YouTube). Las dos cadenas se organizan en una espiral de torque derecho paralelo, un observador que mira dentro del cilindro, es decir mirando hacia el eje, vería como si las espirales se alejaran siguiendo un giro de manecillas de reloj. La naturaleza helicoidal de la molécula fue uno de las tantas conclusiones que se basaron en la fotografía 51 obtenida por el grupo de Franklin y mostrada a Watson sin su consentimiento. Las dos cadenas son antiparalelas componiendo una doble hélice en la cual cada hebra discurre en una dirección opuesta.

Figura 19.  Estructura desplegada del ADN. La forma de esclaera lineal solo es verdadera cuando el ADN se despliega, ya sea para replicarse, o para permitir su expresión en forma de mensajes de ARN.

El esqueleto de la cada hebra compuesto por el azúcar y los enlaces fosfodiester de los grupos fosfato se localizan hacia afuera del cilindro, lo cual le permite a la célula diluirse, mientras que las bases nitrogenadas se ubican hacia el interior del cilindro, lo cual les permite interactuar unas con otras por medio de puentes de hidrógeno. Las bases ocupan planos que son aproximadamente perpendiculares a lo largo del eje como los escalones de una escalera en espiral. A parte de los puentes de hidrógeno, las fuerzas de Van der Waals ayudan a estabilizar la molécula de ADN debido a su gran tamaño.

Las fuerzas más importantes son los puentes de hidrógeno que se establecen entre las bases nitrogenadas complementarias. Los puentes de hidrógeno son fácilmente afectados por las fuerzas fisicoquímicas, lo cual le confiere al ADN una naturaleza dinámica en la que puede separarse y recomponerse con relativa facilidad con la ayuda de enzimas especializadas. La distancia entre los grupos fosfato en el exterior del cilindro hasta el centro del cilindro es de 1 nanómetro, por lo que el diámetro del cilindro de la molécula del ADN es de 2 nanómetros. Una pimirimidina en una hebra siempre interactúa con un solo tipo de purina en la hebra antiparalela. Esto implica que la información genética de una hebra es la misma almacenada en su antiparalela, pero codificada en otras bases nitrogenadas.

Los átomos de nitrógeno que se encuentran unidos al carbono 4 de la citosina y al carbono 6 de la adenina se encuentran en la configuración amino y no en la configuración imino. De forma semejante, los átomos de oxígeno unidos al carbono 6 de la guanina y al carbono 4 de la timina se encuentran en la configuración ceto más que en la enol. Estas restricciones estructurales en la configuración de las bases nitrogenadas sugieren que la adenina es la única purina estructuralmente capaz de unirse a la timina, y que la guanina es la única purina capaz de unirse a la citosina, explicando así las reglas de Chargaff a un nivel de la teoría estructural de la química orgánica.

Este modelo se ajustaba perfectamente con la información obtenida por los experimentos de Chargaff. Sin embargo, no existe restricción geométrica en cada peldaño-pareja A-T, C-G, lo cual a su vez nos implica dos cosas. La primera es que la secuencia de nucleótidos no tiene restricciones y por lo tanto, linealmente es tan diversa como una cadena lineal de aminoácidos. La segunda, relacionada con la anterior, es que la molécula de ADN podía tener una complejidad semejante a las de las proteínas, permitiendo así almacenar la información genética. La espiral tiene una configuración externa demarcada por un bucle mayor y un bucle menor, esta configuración le permite a las proteínas estructurales que regulan al ADN reconocer regiones específicas del ADN para diferentes propósitos. La doble hélice realiza un giro completo cada 10 residuos, con un largo aproximado de 3,4 nanómetros.

Funciones del ADN explicadas por el modelo de doble hélice

Cuando los biólogos consideraban las funciones teóricas de la naturaleza química del gen, sugirieron tres funciones básicas que debería asumir dicha molécula:

Almacenar la información genética.

Los genes son entidades químicas que almacenar la información genética, la cual determina los rasgos de los seres vivos. Esta conclusión había sido arrojada por la teoría cromosómica de la herencia y reforzada por las conclusiones de los genetistas postmendelianos comenzando por T. H. Morgan.

Figura 20.  Microfotografía de ADN bacteriano. A la izquierda tenemos una molécula de ADN bacteriano sin enroscarse, y a la derecha tenemos un ADN del mismo peso molecular, pero enroscado.

Replicación y herencia.

La molécula debe ser capaz de duplicar su concentración durante la fase de síntesis del ciclo celular, de forma tal que explique cómo al finalizar la mitosis se posee un cromosoma simple, mientras que al iniciar la siguiente mitosis aparece duplicado. Esta duplicación permite explicar la multiplicación de los seres vivos.

El artículo original de Watson y Crick no solo exponía una propuesta para el modelo del ADN, también poseía una propuesta sobre cómo es que la molécula podía duplicarse. Watson y Crick propusieron que, durante la replicación, los puentes de hidrógeno que mantienen unidas las dos hebras de ADN se rompen, causando una separación gradual de la hélice. Cada una de las hebras expuesta podría entonces servir como el templado para que nucleótidos complementarios a los de la hebra sean posicionados por una enzima especializada, construyendo de esta forma dos moléculas de ADN a partir de una inicial. Este tipo de replicación es entonces semiconservativo, ya que al finalizar la replicación las dos moléculas de ADN poseen una hebra de la generación anterior y una hebra nueva. Este es un excelente ejemplo de predicción, ya que pasarían varios años hasta que esta propuesta fuera comprobada experimentalmente.

Expresión de la información genética

Durante el tiempo en que se investigó al ADN otra línea de investigación conllevó a determinar que los genes gobernaban la formación de moléculas biológicas llamadas proteínas, las cuales se encargan de generar los rasgos biológicos. Cualquiera que fuera la naturaleza química de los genes debía cumplir con estas condiciones.

De las tres funciones, la que relaciona al ADN y su estructura con las proteínas permanecería oscura al menos por una década más, pues deberían describirse la función del otro ácido nucleico, el ARN. Sin embargo, la importancia de proponer un modelo para la estructura del ADN fue enorme, ya que no solo explicaba la mayor parte de la información sobre la época en una gran gama de líneas de investigación, también planteó nuevas preguntas, por lo que señalaba nuevas líneas de investigación. Una vez que el modelo fue aceptado por la mayor parte de la comunidad científica, toda teorización sobre la herencia y la evolución debería tener en cuenta su estructura.

Figura 21.  Super-estructura del ADN. La consecuencia del giro por debajo "underwound" o por encima "overwound" afectan el modo en que la molécula adquiere bucles distintivos, el giro por debajo es más permisivo con la replicación y la expresión del ADN.

Super-estructura del ADN

 En 1063, Jerome Vinograd y sus colegas del Caltec encontraron dos moléculas de ADN cerradas y circulares de idéntica masa molecular podían exhibir tasas de sedimentación muy diferentes durante la centrifugación. Análisis posteriores indicaron que la molécula de ADN se sedimentaba as rápido en la medida que la apariencia de la molécula es más compacta, es decir, presenta un aspecto enrollado sobre sí misma. Para la época las microfotografías de electrones ya podían mostrar las moléculas de ADN, en la figua1 puede notarse como en la parte (a) se presenta una molécula de ADN con un aspecto relajado, con pocos nudos, mientras que en (b) se encuentra enrollada. Cuando la mezcla de ADN relajado y superenrollado son sometidos a electroforesis (YouTube) se generan dos bandas de corrimiento, el ADN enrollado avanza más que el ADN relajado. Análisis posteriores indicaron que la molécula del ADN se sedimenta más rápidamente cuando su forma esta enroscada, semejante cuando se tiene una bola compacta de hilo d forma muy densa.

Figura 22.  Super-enrollamiento. A diferencia de las luces de navidad, para que el ADN pueda realizar cualquiera de sus funciones, ya sea la replicación o la expresión de sus genes, requiere de que la topología cambie de una entidad compacta a una fibra elongada, donde incluso la Doble Hélice se desenrosque, exponiendo cada hebra de ADN.

El superenrollamiento es un término muy complejo, pero no es exclusivo ni de las moléculas o del ADN, es más, cualquiera que haya lidiado con cuerdas lo habrá enfrentado más de una vez. Yo mismo puedo poner como ejemplo los primeros días del mes de navidad cuando sacas de la gran caja las luces de navidad “que por cierto son una gran analogía al genoma en otras cosas”. Cuando sacas las luces se encuentran haciendo nudos inextricables difíciles de desenredar, a esa estructura en topologías se lo llama superenrollamiento, y si, posee una descripción matemática muy precisa, aunque eso de poco nos sirve a quienes nos toca desenredar esa masa informe y apretujada. Del mismo modo el genoma puede apretarse, pero para compactarlo o desenredarlo no cuenta con manos inteligentes, en el mundo molecular la molécula de ADN depende de enzimas que se encargan de enredar, desenredar, girar, despegar y pegar hebras de ADN; es decir, se comportan como manos, tijeras y conectores.

El superenrollamiento puede caracterizarse por dos formas dependiendo del tipo de giro que la molécula adopte con respecto al punto de vista arbitrario del observador. En primera instancia el ejemplo típico que se realiza es con una molécula de ADN circular, la cual ya está enrollada en si misma debido a la estructura helicoidal del ADN. Ahora todo depende del observador, que desde el punto de vista de las imágenes se encuentra arriba. Al realizar un giro del círculo se generan dos bucles. Si avanzamos desde el bucle superior a la derecha y la molécula pasa por debajo de su misma, decimos que se ha enroscado por debajo “underwound”. Si por el contrario la molécula pasa por encima de sí misma decimos que se ha enroscado por encima “overwound”.

Figura 23.  Resolviendo el super-enrollamiento. Las topoisomerasas (YouTube) alteran la topología del ADN, generando o resolviendo los bucles.

Cuando el ADN se encuentra enroscado por debajo de sí mismo se dice que se encuentra en un estado de superenrollamiento negativo, y, por el contrario, cuando está enroscado sobre sí mismo diremos que se trata de un superenrollamiento positivo. El ADN circular de las bacterias, las mitocondrias, los cloroplastos y los virus tienden a enroscarse de forma negativa. Sin embargo, no solo el ADN circular tiende al enroscamiento negativo, virtualmente todos los genomas se enroscan de este modo, y es probable que se deba a limitantes fisiológicos. Lo anterior se debe a que el enroscamiento negativo ejerce una fuerza que ayuda a separar las dos hebras de la Doble Hélice cuando la molécula va a replicarse o a expresar la información genética.

Todos estos cambios del AND ocurren como cambios de su superficie y no de su secuencia, por lo cual su estudio se denomina topologías del ADN. Dado que la célula depende de proteínas especializadas para alterar las topologías, a estas enzimas se las denominan toposiomerasas “alteran la molécula a topologías diferentes sin alterarla molecularmente”. Las topoisomerasas fueron descubiertas experimentalmente en 1971 por James Jang de la Universidad de California, Berkeley. Las células poseen una variedad de topoisomerasas que pueden dividirse en dos clases generales.

Las topoisomerasas del tipo I alteran el estado de superenrollamiento de la molécula de ADN al crear un corte transitorio en una de las hebras del ADN. Posteriormente la molécula gira sobre sí misma para volverse a conectar. Este tipo de giro relaja el superenrollamiento de la molécula. Este tipo de movimiento es vital para los eventos principales del ADN denominados replicación y transcripción, pues para lograrlos, la molécula debe relajarse de una forma que quede prácticamente en un estado lineal.

Figura 24.  El ADN puede enrollarse de diversas maneras. Otras topologías que pueden ser mediadas reversiblemente por las topoisomerasas de tipo II.

El superenrollamiento puede ser algo muy malo, y cualquiera que le haya tocado desenredar las luces de navidad sabrá de lo que estoy hablando. Las moléculas del ADN no se desenredan del modo en que lo hacen las luces de navidad en el sentido de buscar una organización de todo el sistema. Para desenredar nudos que generan alta tensión y por lo tanto obstaculizan la replicación y expresión de los genes han evolucionado las topoisomerasas de tipo II. Una topoisomerasa de tipo II interactúa con dos moléculas que se han enroscado y generan gran tención. Cuando se ubica una zona de tención, la topoisomerasa corta una de las moléculas, dejando a la otra pasar derecho, aliviando la presión y desenredando el sistema en el proceso. Evidentemente puede revertir el proceso para enroscar dos moléculas de ADN. Adicional a esto, las topoisomerasas del tipo II pueden encadenar varias moléculas circulares de ADN en estructuras complejas y compactas.