Estructura primaria del ADN

Presenta las siguientes características:

• Es la secuencia de nucleótidos de una cadena o hebra. Es decir, la estructura primaria del ADN viene determinada por el orden de colocación de los nucleótidos en la hebra o cadena.
• Se mantiene por un esqueleto covalente de fosfatos y pentosas, enlazados mediante enlaces fosfodiéster 5'→ 3', en el cual las bases nitrogenadas se disponen de forma perpendicular a ese esqueleto.
• Las bases nitrogenadas son adenina (A), guanina (G), citosina (C) y timina (T).
• El porcentaje de A, G, C y T se mantiene constante en todos los individuos de la misma especie.
• El número de hebras diferentes que se pueden formar combinando estas cuatro bases nitrogenadas es muy elevado. En el hombre, con los 5,6 x 10⁹ pares de nucleótidos, se pueden originar 4^{5.600.000.000} ADN diferentes.
• En la secuencia de bases nitrogenadas de la estructura primaria del ADN se encuentra la información genética.

Estructura secundaria del ADN

La estructura del ADN fue descubierta por James Watson y Francis Crick, en 1953 y ello le valió el premio Nobel de Medicina en 1962. Watson y Crick no hicieron experimentos, ellos recopilaron los datos que otros investigadores iban publicando sobre el ADN y propusieron un modelo teórico que se comprobó que era cierto.

De todos los datos recopilados los más importantes fueron dos:
1- El análisis de la molécula de ADN por difracción de rayos X, obtenido por Rosalind Franklin y Maurice Wilkins.  Ellos detectaron que:
   Las bases púricas y pirimidínicas se encontraban unas sobre otras, apiladas a lo largo del eje del polinucleótido, a una distancia de 0,34 nm.  
   El diámetro del polinucleótido era de 2 nm y estaba enrollado de manera helicoidal alrededor de su eje. Cada 3,4 nm, se detectaba una vuelta completa de la hélice.
Este análisis indicaba que la molécula de ADN tenía forma de hélice.
2- Análisis de las secuencias de nucleótidos de ADN obtenidos a partir de organismos de distintas especies. Estos análisis, realizados en 1950 por Erwin Chargaff, se resumen en lo que se llaman reglas de Chargaff. Son las siguientes:
   La cantidad de adenina (A) es igual a la de timina (T):   A/T=1
   La cantidad de guanina (G) es igual a la de citosina (C):   G/C = 1
   La proporción de bases púricas (A + G) es igual a la de las bases pirimidínicas (T + C):  (A+G)/(T+C)=1

 Sin embargo, la proporción entre (A + T) y (G + C) es característica de cada especie y, dentro de cada una, se mantiene constante en todos los tejidos; no cambia con la edad, ni con la nutrición, ni con las variaciones ambientales.

La doble hélice de Watson y Crick, el ADN-B

En 1953, Watson y Crick propusieron el modelo de la doble hélice que marcó un hito en la historia de la ciencia. Este modelo explicaba las propiedades físicas y químicas del ADN y también el mecanismo por el que la información se puede replicar y expresar.

El modelo que Watson y Crick propusieron fue el siguiente:

• El ADN no es una hélice simple como la α-hélice de las proteínas sino una doble hélice, se parece a una escalera de caracol en la que los pasamanos corresponden a las partes constantes de cada cadena de nucleótidos, es decir, las secuencias de azúcar y fosfato y los escalones son las bases de ambas cadenas que quedan enfrentadas y unidas por puentes de hidrógeno (2 entre A y T y 3 entre C y G).
• Sólo son posibles los siguientes enfrentamientos: A - T y C - G, es decir, siempre se enfrentan una base púrica (que tiene dos anillos) con una base pirimidínica (que tiene un anillo). El peldaño tiene por tanto una longitud de tres anillos. Por tanto, las secuencias de bases son complementarias.
• No son posibles los enfrentamientos púrica con púrica porque el peldaño seria demasiado grande, ni pirimidínica con pirimidínica ya que sólo tendría dos anillos (demasiado corto). Tampoco son posibles los enfrentamientos A - C ni G - T porque, aunque tendría tres anillos, estas bases no forman entre sí puentes de hidrógeno.
• Para que se formen los enlaces entre las bases, ambas cadenas tienen que colocarse de forma antiparalela, es decir, con los enlaces 5′→3′ orientados en diferente sentido.
• El diámetro de la hélice es de 2 nm, las bases están separadas 0,34 nm y desplazadas 36º. Esto supone una longitud de 3,4 nm por vuelta de hélice y 10 pares de bases por vuelta. El enrollamiento es dextrógiro (hacia la derecha) y plectonémico, es decir, que para que las dos cadenas se separen es necesario que se desenrollen.
• Esta molécula puede almacenar tanta información porque se trata de una molécula muy larga, mucho más que cualquier proteína. La información se encuentra en la secuencia de bases que hay en estas moléculas.

La estructura secundaria de la molécula de ADN se destruye si calentamos la muestra por encima de una temperatura crítica (punto de fusión del ADN), produciéndose la separación de las dos cadenas de nucleótidos. Este proceso se denomina desnaturalización y es un proceso reversible que ha permitido diseñar una técnica llamada hibridación, muy utilizada en medicina legal, filogenia, etc.
La hibridación del ADN permite reconocer el grado de parentesco entre dos ADN y aplicarlo al estudio de las relaciones filogenéticas entre las especies. También se utiliza en medicina legal, para averiguar la paternidad o la autoría de un delito a partir de fragmentos de pelo, piel, sangre, semen, etc.

Tipos de ADN

Estudios posteriores han demostrado que dentro de la célula el ADN puede variar su conformación para adaptarse a las condiciones ambientales. Las dos estructuras especiales alternativas más importantes son:

• ADN-A. Se presenta en casos de importante deshidratación. Se ha encontrado en condiciones de laboratorio, pero no se ha encontrado en condiciones fisiológicas. Se trata de una hélice más apretada y en la que las bases se disponen inclinadas respecto al eje de la hélice. Es dextrógiro y más ancho y corto que el ADN-B, puesto que mide 2,3 nm  y posee 11 pares de bases por vuelta.  
• ADN-Z. Se forma cuando aparecen grandes concentraciones del par G - C (GCGCGCGC....). Es una hélice levógira. Tiene un enrollamiento irregular que provoca una configuración en zigzag, a la que hace referencia su nombre. Es más estrecha y alargada que la forma ADN-B. Se piensa que el ADN-Z son señales para proteínas reguladoras de la expresión génica.

Estructura terciaria del ADN

Es la forma en la que la doble hélice se pliega y se enrolla sobre sí misma, para poder compactarse en el interior celular. El grado y la forma de enrollamiento varían en células procariotas y eucariotas.

1- Estructura terciaria del ADN en células procariotas.
Las células procariotas, así como las mitocondrias y cloroplastos de las células eucariotas, poseen un ADN de doble hélice circular y desnudo (no está asociado a proteínas histonas). Este ADN circular puede presentar diversos grados de superenrollamiento, que se consiguen al retorcerse sobre sí mismo por acción de la girasa del ADN. De este modo, la estructura terciaria del ADN se organiza en varias zonas, los dominios superenrollados, que se mantienen estabilizados por una serie de proteínas no histónicas, situadas en la base de cada dominio.
El cromosoma de Escherichia coli, cuando está estirado, mide casi un milímetro de longitud y la bacteria mide 2 o 3 µm de longitud. Gracias a este superenrollamiento la bacteria puede empaquetar una macromolécula tan larga en su interior.

2- Estructura terciaria del ADN en células eucariotas.
Se calcula que todo el ADN contenido en los 46 cromosomas de una célula humana mide unos 2,36 metros y el diámetro del núcleo mide unos 10 µm.
En las células eucariotas, los niveles superiores de empaquetamiento del ADN son más complejos que en procariotas. El grado de empaquetamiento del ADN varía en función del estado fisiológico de la célula y requiere la colaboración de las histonas. En el núcleo interfásico, el ADN aparece empaquetado en forma de cromatina, mientras que en el núcleo en división, el ADN alcanza su máximo grado de compactación, formando los cromosomas, (cada molécula de ADN dará lugar a un cromosoma).
Se pueden observar cuatro niveles de organización:

1. La fibra nucleosómica o fibra de 10 nm ("collar de perlas"). Primer nivel de compactación de la doble hélice de ADN. Vista al microscopio electrónico presenta unos 10 nm de diámetro y el aspecto de un collar de perlas. En 1974, Roger David Komberg describió la fibra nucleosómica como la repetición periódica de una estructura a la que denominó nucleosoma, formada por ADN y las proteínas histonas.
   El nucleosoma tiene dos partes.
   - El núcleo o core. Formado por un segmento de ADN de unos 146 pares de bases que describe 1,65 vueltas alrededor del octámero de histonas H2A, H2B, H3, H4.
   - El ADN espaciador o linker. Formado por dos hebras de ADN, de longitud variable, que conectan con el core anterior y el core posterior.
2. La fibra cromatínica  o fibra de 30 nm. Es el resultado de la condensación de la fibra nucleosómica, que se enrolla sobre sí misma alrededor de un eje virtual, describiendo una espiral o solenoide compacto de 30 nm de diámetro, que incluye seis cromatosomas por vuelta. Las moléculas de H1 de los cromatosomas adyacentes interaccionan entre ellas, dando estabilidad al solenoide.
3. Los bucles radiales. La fibra cromatínica, a su vez, se pliega en una serie de bucles radiales. Estos bucles se estabilizan gracias a su interacción con armazones proteicos constituidos por proteínas no histonas, conocidas con el nombre genérico de condensinas. La creación de estos dominios en forma de bucle origina una fibra de 0,4 µ (400 nm) de grosor. Como el grosor de una cromátida de un cromosoma es, aproximadamente, de 1 µ,, se requiriere aún un orden de empaquetamiento más: las espirales de bucles.
4. Las espirales de bucles radiales: los rosetones. Los niveles de compactación superiores se organizan cuando la célula va a entrar en división.. Se cree que, para conseguir el grado máximo de condensación del ADN, la fibra de 400 nm se enrolla sobre sí misma, describiendo espirales estrechamente apiladas: los rosetones. Así se obtiene una estructura de, aproximadamente, 1000 nm de grosor, la cromátida, en la que el ADN se empaqueta 10.000 veces.