Aunque la estructura del ADN no se conocía, los elementos básicos del ADN se conocían desde hacía muchos años. Los elementos básicos del ADN se habían aislado y determinado rompiendo parcialmente el ADN purificado. Estos estudios demostraron que el ADN se compone únicamente de cuatro moléculas básicas denominadas nucleótidos, que son idénticas salvo que cada una contiene una base nitrogenada diferente. Cada nucleótido contiene fosfato, azúcar (del tipo desoxirribosa) y una de las cuatro bases (Figura 8-4). Cuando el grupo fosfato no está presente, la base y la desoxirribosa forman un nucleósido en lugar de un nucleótido. Las cuatro bases son adenina, guanina, citosina y timina. Los nombres químicos completos de los nucleótidos son desoxiadenosina5′-monofosfato (desoxiadenilato, o dAMP), desoxiguanosina 5′-monofosfato (desoxiguanilato, o dGMP), deoxicitidina 5′-monofosfato (deoxicidilato, ordCMP), y deoxitimidina 5′-monofosfato (deoxitimidilato, o dTMP). Sin embargo, es más conveniente referirse a cada nucleótido por la abreviatura de su base (A, G, C y T, respectivamente). Dos de las bases, la adenina y la guanina, tienen una estructura similar y se denominan purinas. Las otras dos bases, citosina y timina, también son similares y se denominan pirimidinas.
Figura 8-4
Estructura química de los cuatro nucleótidos (dos con bases de purina y dos con bases de pirimidina) que son los componentes fundamentales del ADN.El azúcar se llama desoxirribosa porque es una variación de un azúcar común, la ribosa, que tiene un oxígeno más (más…)
Después de que quedara claro el papel central del ADN en la herencia, muchos científicos se propusieron determinar la estructura exacta del ADN. ¿Cómo es posible que una molécula con una gama tan limitada de componentes diferentes pueda almacenar la gran cantidad de información sobre todas las estructuras primarias de las proteínas del organismo vivo? Los primeros que consiguieron unir los bloques de construcción y encontrar una estructura razonable del ADN -Watson y Crick en 1953- trabajaron a partir de dos tipos de pistas. En primer lugar, Rosalind Franklin y Maurice Wilkins habían acumulado datos de difracción de rayos X sobre la estructura del ADN. En estos experimentos, se disparan rayos X a las fibras de ADN y la dispersión de los rayos desde la fibra se observa capturándolos en una película fotográfica, donde los rayos X producen manchas. El ángulo de dispersión representado por cada mancha en la película proporciona información sobre la posición de un átomo o de ciertos grupos de átomos en la molécula de ADN. Este procedimiento no es sencillo de realizar (ni de explicar), y la interpretación de los patrones de manchas es muy difícil. Los datos disponibles sugieren que el ADN es largo y delgado y que tiene dos partes similares que son paralelas entre sí y recorren la longitud de la molécula. Los datos de los rayos X mostraron que la molécula es helicoidal (en forma de espiral). Había otras irregularidades en los patrones de puntos, pero nadie había pensado todavía en una estructura tridimensional que pudiera explicar sólo esos patrones de puntos.
El segundo conjunto de pistas de que disponían Watson y Crick procedía del trabajo realizado varios años antes por Erwin Chargaff. Estudiando una gran selección de ADN de diferentes organismos (Tabla 8-1), Chargaff estableció ciertas reglas empíricas sobre las cantidades de cada componente del ADN:
Tabla 8-1
Propiedades Molares de las Bases* en el ADN de varias fuentes.
La cantidad total de nucleótidos de pirimidina (T + C) siempre es igual a la cantidad total de nucleótidos de purina (A + G).
La cantidad de T siempre es igual a la cantidad de A, y la cantidad de C siempre es igual a la cantidad de G. Pero la cantidad de A + T no es necesariamente igual a la cantidad de G + C, como puede verse en la última columna de la Tabla 8-1. Esta proporción varía entre los distintos organismos.
Hélice doble
La estructura que Watson y Crick dedujeron a partir de estas pistas es una hélice doble, que se parece bastante a dos muelles de cama entrelazados. Cada muelle (hélice) es una cadena de nucleótidos unidos por enlaces fosfodiéster, en los que un grupo de fosfato forma un puente entre los grupos -OH de dos residuos de azúcar adyacentes. Los dos «muelles» (hélices) se mantienen unidos por enlaces de hidrógeno, en los que dos átomos electronegativos «comparten» un protón, entre las bases. Los enlaces de hidrógeno se forman entre átomos de hidrógeno con una pequeña carga positiva y átomos aceptores con una pequeña carga negativa. Por ejemplo,
Cada átomo de hidrógeno en el grupo NH2 es ligeramente positivo (δ+) porque el átomo de nitrógeno tiende a atraer los electrones del enlace N-H, dejando así al átomo de hidrógeno ligeramente corto de electrones. El átomo de oxígeno tiene seis electrones no enlazados en su capa exterior, por lo que es ligeramente negativo (δ -). Se forma un enlace de hidrógeno entre un H y el O. Los enlaces de hidrógeno son bastante débiles (sólo alrededor del 3% de la fuerza de un enlace químico acovalente), pero esta debilidad (como veremos) juega un papel importante en la función de la molécula de ADN en la herencia. Otro hecho químico importante: el enlace de hidrógeno es mucho más fuerte si los átomos participantes están «apuntando el uno al otro» en las orientaciones ideales.
Los enlaces de hidrógeno están formados por pares de bases y se indican con líneas punteadas en la Figura 8-5, que muestra una parte de esta estructura emparejada con las hélices desenrolladas. Cada par de bases consiste en una base de purina y una de pirimidina, emparejadas según la siguiente regla: G se empareja con C, y A se empareja con T. En la Figura 8-6, una imagen simplificada del enrollamiento, cada uno de los pares de bases está representado por un «palo» entre las «cintas», o los llamados huesos de fosfato de azúcar de las cadenas. En la Figura 8-5, nótese que las dos columnas vertebrales van en direcciones opuestas; por lo tanto, se dice que son antiparalelas, y (por razones que aparecen en la figura) una se llama la cadena 5′ → 3′ y la otra la cadena3′ → 5′.
Figura 8-5
La doble hélice del ADN, desenrollada para mostrar las columnas vertebrales de azúcar-fosfato (azul) y los peldaños de pares de bases (rojo). Las espinas dorsales van en direcciones opuestas; los extremos 5′ y 3′ se denominan por la orientación de los átomos de carbono5′ y 3′ (más…)
Figura 8-6
Un modelo simplificado que muestra la estructura helicoidal del ADN. Los palosrepresentan los pares de bases, y las cintas representan los espinazos de azúcar-fosfato de las dos cadenas antiparalelas. Las diferentes medidas se dan en angstroms (1 Å = 0,1 (más…)
La doble hélice se ajustaba muy bien a los datos de los rayos X y a los de Chargaff. Estudiando los modelos que hicieron de la estructura, Watson y Crick se dieron cuenta de que el radio observado de la doble hélice (conocido a partir de los datos de los rayos X) se explicaría si una base de purina siempre se emparejara (por enlace de hidrógeno) con una base de pirimidina (Figura 8-7). Este emparejamiento explicaría la regularidad (A + G) = (T + C) observada por Chargaff, pero predeciría cuatro posibles emparejamientos: T—A, T—G, C—A y C—G. Sin embargo, los datos de Chargaff indican que T sólo se empareja con A y C sólo se empareja con G. Watson y Crick demostraron que sólo estos dos emparejamientos tienen las formas complementarias de «cerradura y llave» necesarias para permitir un enlace de hidrógeno eficiente (Figura 8-8).
Figura 8-7
El emparejamiento de purinas con pirimidinas explica exactamente el diámetro de la doble hélice de ADN determinado a partir de datos de rayos X. (DeR. E. Dickerson, «The DNA Helix and How It Is Read». Copyright ©1983 por Scientific American, Inc. (más…)
Figura 8-8
La unión de hidrógeno entre A y T y entre G y C. (De G. S. Stent, Molecular Biology of BacterialViruses. Copyright © 1963 por W. H. Freeman andCompany).
Nótese que el par G-C tiene tres enlaces de hidrógeno, mientras que el par A-T sólo tiene dos. Podríamos predecir que el ADN que contiene muchos pares G-C sería más estable que el que contiene muchos pares A-T. De hecho, esta predicción se confirma. La estructura del ADN explica claramente los datos de Chargaff (Figura 8-9), y esa estructura es coherente con los datos de rayos X.
Figura 8-9
(a) Un modelo de llenado de espacio de la doble hélice de ADN. (b) Una representación desenrollada de un tramo corto de pares de nucleótidos, que muestra cómo el emparejamiento A-T y G-C produce las relaciones de Chargaff. Este modelo es de una de las varias formas de ADN, denominadas (mas…)
Vista tridimensional de la doble hélice
En tres dimensiones, las bases forman estructuras bastante planas, y estas bases planas se apilan parcialmente unas sobre otras en la estructura retorcida de la doble hélice.Este apilamiento de bases aumenta enormemente la estabilidad de la molécula al excluir las moléculas de agua de los espacios entre los pares de bases. (Este fenómeno es muy parecido a la fuerza estabilizadora que se siente cuando se aprietan dos placas de vidrio bajo el agua y luego se intentan separar). La forma A está menos hidratada que la forma B y es más compacta. Se cree que la forma B delADN es la que se encuentra con más frecuencia en las células vivas.
El apilamiento de los pares de bases en la doble hélice da lugar a dos surcos en las espinas dorsales de azúcar-fosfato. Estos surcos se denominan surcos mayores y menores y pueden verse fácilmente en el modelo de llenado de espacio (tridimensional) de la figura 8-9a.
Implicaciones de la estructura del ADN
La aclaración de la estructura del ADN causó mucho entusiasmo en la genética (y en todas las áreas de la biología) por dos razones básicas. En primer lugar, la estructura sugiere una forma obvia de duplicar la molécula, en la medida en que cada base puede especificar su base complementaria mediante enlaces de hidrógeno. Esta propiedad esencial de una molécula genética había sido un misterio hasta ese momento. En segundo lugar, la estructura sugiere que tal vez esta secuencia de pares de nucleótidos en el ADN dicta la secuencia de aminoácidos en la proteína organizada por ese gen. En otras palabras, algún tipo de código genético puede escribir la información en el ADN como una secuencia de pares de nucleótidos y luego traducirla a un lenguaje diferente de secuencias de aminoácidos en la proteína.
Esta información básica sobre el ADN es ahora familiar para casi cualquier persona que haya leído un libro de texto de biología en la escuela primaria o secundaria, o incluso revistas y periódicos.Pero trate de ponerse de nuevo en la escena en 1953 e imagine la emoción.Hasta entonces, la evidencia de que el poco interesante ADN era la molécula genética había sido decepcionante y desalentadora. Pero la estructura Watson-Crick del ADN abrió de repente la posibilidad de explicar dos de los mayores «secretos» de la vida. James Watson contó la historia de este descubrimiento (desde su propio punto de vista, fuertemente cuestionado por otros participantes) en un libro fascinante titulado La doble hélice, que revela la intrincada interacción de los choques de personalidad, las ideas inteligentes, el trabajo duro y la simple suerte en avances científicos tan importantes.
Estructuras alternativas
Además de las formas A y B del ADN, se encontró una nueva forma en cristales de ADN preparados sintéticamente que contienen G’s y C’s alternadas en la misma hebra. Esta forma Z de ADN tiene una espina dorsal en forma de zigzag y genera una hélice izquierda, mientras que tanto el ADN A como el B forman hélices derechas.