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 fosfatoque 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 serATGCTAGATCGC... 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 unostrenes 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.
Estructura
El ADN es una molecula bicatenaria, es decir,
está formada por dos cadenas dispuestas de forma antiparalela y con las bases
nitrogenadas enfrentadas. En su estructura tridimensional, se distinguen
distintos niveles:
1. Estructura primaria:
§
Secuencia de nucleotidos encadenados. Es en estas
cadenas donde se encuentra la información genética, y dado que el esqueleto es
el mismo para todos, la diferencia de la información radica en la distinta
secuencia de bases nitrogenadas. Esta secuencia presenta un código, que
determina una información u otra, según el orden de las bases.
2. Estructura secundaria:
§
Es una estructura en doble hélice . Permite explicar el
almacenamiento de la información genética y el mecanismo de duplicación del
ADN. Fue postulada por Watson y Crick, basándose en la difracción de rayos X
que habían realizado Franklin y Wilkins, y en la equivalencia de bases de
Chargaff, según la cual la suma de adeninas más guaninas es igual a la suma de
timinas más citosinas.
§
Es una cadena doble, dextrógira o levógira, según el tipo de ADN. Ambas cadenas son complementarias, pues la adenina
y la guanina de una cadena se unen, respectivamente, a la timina y la citosina
de la otra. Ambas cadenas son antiparalelas, pues el extremo 3´ de una se
enfrenta al extremo 5´ de la homóloga.
§
Existen tres modelos de ADN. El ADN de tipo B es el más abundante y es el
que tiene la estructura descrita por Watson y Crick.
3. Estructura terciaria:
§
Se refiere a cómo se almacena el ADN en un espacio reducido, para formar
los cromosomas. Varía según se trate
de organismos procariotas o eucariotas:
2. En procariotas el ADN se pliega como una súper-hélice, generalmente en forma circular y
asociada a una pequeña cantidad de proteínas. Lo mismo ocurre en orgánulos celulares como las mitocondrias y en los cloroplastos.
3. En eucariotas, dado que la cantidad
de ADN de cada cromosoma es muy grande, el empaquetamiento ha de ser más complejo y compacto; para
ello se necesita la presencia de proteínas, como las histonas y otras proteínas de naturaleza no histónica (en los espermatozoides estas proteínas son las protaminas).
Estructuras en doble hélice
De izquierda a derecha,
las estructuras de ADN A, B y Z.
El ADN existe en muchas conformaciones. Sin embargo, en organismos vivos sólo se han observado las conformaciones ADN-A, ADN-B y ADN-Z. La conformación que adopta el ADN depende de su secuencia, la cantidad y
dirección de súper enrollamiento que presenta, la presencia de modificaciones químicas en las bases y las condiciones de la
solución, tales como la concentración de iones de metales y poliaminas. De las tres conformaciones, la forma "B" es la más común en las
condiciones existentes en las células Las dos dobles hélices
alternativas del ADN difieren en su geometría y dimensiones.
La forma "A" es una espiral que
gira hacia la derecha, más amplia que la "B", con una hendidura menor
superficial y más amplia, y una hendidura mayor más estrecha y profunda. La
forma "A" ocurre en condiciones no fisiológicas en formas
deshidratadas de ADN, mientras que en la célula puede producirse en
apareamientos híbridos de hebras ADN-ARN, además de en complejos enzima-ADN.
Los segmentos de ADN en los que las bases
han sido modificadas por metilación pueden sufrir cambios conformacionales mayores y adoptar la forma
"Z". En este caso, las hebras giran alrededor del eje de la hélice en
una espiral que gira a mano izquierda, lo opuesto a la forma "B" más
frecuente. Estas estructuras poco frecuentes pueden ser reconocidas por
proteínas específicas que se unen a ADN-Z y posiblemente estén implicadas en la
regulación de la transcripción.
Estructuras en cuádruplex
Estructura de un ADN en
cuádruplex formada por repeticiones en los telómeros. La conformación de la estructura de soporte del ADN difiere
significativamente de la típica estructura en hélice
En los extremos de los cromosomas lineales
existen regiones especializadas de ADN denominadas telómeros. La función principal
de estas regiones es permitir a la célula replicar los extremos cromosómicos
utilizando la enzima telomerasa, puesto que las enzimas
que replican el resto del ADN no pueden copiar los extremos 3' de los
cromosomas. Estas terminaciones cromosómicas especializadas también protegen
los extremos del ADN, y evitan que los sistemas de reparación del ADN en la célula los procesen como ADN dañado que debe ser corregido. En las células humanas, los telómeros son largas zonas de ADN de hebra
sencilla que contienen algunos miles de repeticiones de una única secuencia
TTAGGG.
Estas secuencias ricas en guanina pueden
estabilizar los extremos cromosómicos mediante la formación de estructuras de
juegos apilados de unidades de cuatro bases, en lugar de los pares de bases
encontrados normalmente en otras estructuras de ADN. En este caso, cuatro bases
guanina forman unidades con superficie plana que se apilan una sobre otra, para
formar una estructura cuádruple-G estable. Estas estructuras se
estabilizan formando puentes de hidrógeno entre los extremos de las bases y la quelatación de un metal iónico en el centro de cada
unidad de cuatro bases. También se pueden formar otras
estructuras, con el juego central de cuatro bases procedente, o bien de una
hebra sencilla plegada alrededor de las bases, o bien de varias hebras
paralelas diferentes, de forma que cada una contribuye con una base a la
estructura central.
Además de estas estructuras apiladas, los telómeros también forman largas estructuras en lazo, denominadas lazos teloméricos o
lazos-T (T-loops en inglés). En este caso, las hebras
simples de ADN se enroscan sobre sí mismas en un amplio círculo estabilizado
por proteínas que se unen a telómeros. En el extremo del lazo
T, el ADN telomérico de hebra sencilla se sujeta a una región de ADN de doble
hebra porque la hebra de ADN telomérico altera la doble hélice y se aparea a
una de las dos hebras. Esta estructura de triple hebra se denomina lazo de desplazamiento o lazo D (D-loop).
Funciones biológicas
Las funciones biológicas del ADN
incluyen el almacenamiento de información (genes y genoma), la codificación de
proteínas (transcripción y traducción) y su autoduplicación (replicación del
ADN) para asegurar la transmisión de la información a las células hijas durante
la división celular.
Genes y
genoma
El ADN se puede considerar como
un almacén cuyo contenido es la información (mensaje) necesaria para construir
y sostener el organismo en el que reside, la cual se transmite de generación en
generación. El conjunto de información que cumple esta función en un organismo
dado se denomina genoma, y el ADN
que lo constituye, ADN genómico.
El ADN genómico (que se organiza
en moléculas de cromatina que a su vez se ensamblan en cromosomas) se encuentra en el núcleo celular de los eucariotas, además de pequeñas
cantidades en las mitocondrias y cloroplastos.
En procariotas, el ADN se
encuentra en un cuerpo de forma irregular denominado nucleoide.
El ADN
codificante
ARN
polimerasa T7 (azul)
produciendo un ARNm (verde) a partir de un molde de ADN (naranja).
La información genética de un genoma está contenida en los genes, y al conjunto de toda la
información que corresponde a un organismo se le denomina su genotipo. Un gen es una unidad de herencia y es una región de ADN que influye en
una característica particular de un organismo (como el color de los ojos, por
ejemplo). Los genes contienen un "marco de lectura abierto" (open
reading frame) que puede transcribirse, además de secuencias reguladoras, tales como promotores y enhancers,
que controlan la transcripción del marco de lectura abierto.
Desde este punto de vista, las obreras de este mecanismo son las proteínas.
Estas pueden ser estructurales,
como las proteínas de los músculos,
cartílagos, pelo, etc., o funcionales,
como la hemoglobina o las innumerables enzimas del organismo. La función principal de
la herencia es la especificación de las proteínas, siendo el ADN una especie de plano o receta para producirlas. La mayor parte de
las veces la modificación del ADN provocará una disfunción proteica que dará
lugar a la aparición de alguna enfermedad.
Pero en determinadas ocasiones, las modificaciones podrán provocar cambios
beneficiosos que darán lugar a individuos mejor adaptados a su entorno.
Las aproximadamente treinta mil
proteínas diferentes en el cuerpo humano están constituidas por veinte aminoácidos diferentes, y una molécula de ADN debe
especificar la secuencia en que se unen dichos aminoácidos.
En el proceso de elaborar una
proteína, el ADN de un gen se lee y se transcribe a ARN. Este ARN sirve como mensajero
entre el ADN y la maquinaria que elaborará las proteínas y por eso
recibe el nombre de ARN mensajero o ARNm. El ARN mensajero sirve de
molde a la maquinaria que elabora las proteínas, para que ensamble los
aminoácidos en el orden preciso para armar
la proteína.
El dogma central de la biología molecular establecía que el flujo de actividad y
de información era: ADN → ARN → proteína. No obstante, en la
actualidad ha quedado demostrado que este "dogma" debe ser ampliado,
pues se han encontrado otros flujos de información: en algunos organismos
(virus de ARN) la información fluye de ARN a ADN; este proceso se conoce como
"transcripción inversa o reversa", también llamada
"retrotranscripción". Además, se sabe que existen secuencias de ADN
que se transcriben a ARN y son funcionales como tales, sin llegar a traducirse
nunca a proteína: son los ARN no
codificantes, como es el caso de los ARN
interferentes.
El ADN no
codificante ("ADN basura")
El ADN del genoma de un organismo
puede dividirse conceptualmente en dos: el que codifica las proteínas (los
genes) y el que no codifica. En muchas especies,
sólo una pequeña fracción del genoma codifica proteínas. Por ejemplo, sólo
alrededor del 1,5% del genoma humano consiste en exones que codifican proteínas (20.000 a
25.000 genes), mientras que más del 90% consiste en ADN no codificante.
El ADN no codificante (también
denominado ADN basura o junk
DNA) corresponde a secuencias del genoma que no generan una proteína
(procedentes de transposiciones, duplicaciones, translocaciones y
recombinaciones de virus, etc.), incluyendo los intrones. Hasta hace poco tiempo se
pensaba que el ADN no codificante no tenía utilidad alguna, pero estudios
recientes indican que eso es inexacto. Entre otras funciones, se postula que el
llamado "ADN basura" regula la expresión
diferencial de los genes. Por
ejemplo, algunas secuencias tienen afinidad hacia proteínas especiales que
tienen la capacidad de unirse al ADN (como los homeodominios, los complejos
receptores de hormonas esteroides, etc.), con un papel importante en el control
de los mecanismos de trascripción y replicación. Estas secuencias se llaman
frecuentemente "secuencias reguladoras", y los investigadores suponen
que sólo se ha identificado una pequeña fracción de las que realmente existen.
La presencia de tanto ADN no codificante en genomas eucarióticos y las diferencias
en tamaño del genoma entre especies representan un misterio que es conocido
como el "enigma del valor de C".Recientemente, un grupo de
investigadores de la Universidad
de Yale ha descubierto una
secuencia de ADN no codificante que sería la responsable de que los seres
humanos hayan desarrollado la capacidad de agarrar y/o manipular objetos o
herramientas.
Por otro lado, algunas secuencias
de ADN desempeñan un papel estructural en los cromosomas: los telómeros y centrómeros
contienen pocos o ningún gen codificante de proteínas, pero son importantes
para estabilizar la estructura de los cromosomas. Algunos genes no codifican
proteínas, pero sí se transcriben en ARN: ARN
ribosómico, ARN de transferencia y ARN
de interferencia(ARNi, que son ARN que bloquean la expresión de genes
específicos). La estructura de intrones y exones de algunos genes (como los de inmunoglobulinas y protocadherinas)
son importantes por permitir los cortes
y empalmes alternativos del pre-ARN
mensajero que hacen posible la
síntesis de diferentes proteínas a partir de un mismo gen (sin esta capacidad
no existiría el sistema inmune, por ejemplo). Algunas secuencias de ADN no
codificante representan pseudogenes que tienen valor evolutivo, ya que
permiten la creación de nuevos genes con nuevas funciones. Otros ADN no codificantes proceden de
la duplicación de pequeñas regiones del ADN; esto tiene mucha utilidad, ya que
el rastreo de estas secuencias repetitivas permite estudios de filogenia.
Transcripción
y traducción
En un gen, la secuencia de nucleótidos a lo
largo de una hebra de ADN se transcribe a un ARN
mensajero (ARNm) y esta secuencia
a su vez se traduce a una proteína que un organismo es capaz de
sintetizar o "expresar" en uno o varios momentos de su vida, usando
la información de dicha secuencia.
La relación entre la secuencia de
nucleótidos y la secuencia de aminoácidos de la proteína viene determinada por
el código genético, que se
utiliza durante el proceso de traducción o síntesis
de proteínas. La unidad codificadora del código genético es un grupo de tres
nucleótidos (triplete), representado por las tres letras iniciales de las bases
nitrogenadas (por ej., ACT, CAG, TTT). Los tripletes del ADN se transcriben en
sus bases complementarias en el ARN mensajero, y en este caso los tripletes se
denominan codones (para el ejemplo anterior, UGA, GUC,
AAA). En el ribosoma cada codón del ARN mensajero interacciona con una molécula
de ARN de transferencia (ARNt o tRNA) que contenga el triplete
complementario, denominado anticodón. Cada ARNt porta el aminoácido
correspondiente al codón de acuerdo con el código
genético, de modo que el ribosoma va uniendo los aminoácidos para formar una
nueva proteína de acuerdo con las "instrucciones" de la secuencia del
ARNm. Existen 64 codones posibles, por lo cual corresponde más de uno para cada
aminoácido (por esta duplicidad de codones se dice que el código genético es un
código degenerado: no es unívoco); algunos codones indican la terminación de la
síntesis, el fin de la secuencia codificante; estos codones de terminación ocodones de parada son UAA, UGA y UAG (en inglés, nonsense codons o stop
codons)
Replicación
del ADN
Esquema
representativo de la replicación del ADN.
La replicación del ADN es el
proceso por el cual se obtienen copias o réplicas idénticas de una molécula de
ADN. La replicación es fundamental para la transferencia de la información
genética de una generación a la siguiente y, por ende, es la base de la herencia. El mecanismo consiste
esencialmente en la separación de las dos hebras de la doble hélice, las cuales
sirven de molde para la posterior síntesis de cadenas complementarias a cada
una de ellas, que llevará por nombre ARNm. El resultado final son dos moléculas
idénticas a la original. Este tipo de replicación se denomina semiconservativa debido a que cada una de las dos
moléculas resultantes de la duplicación presenta una cadena procedente de la
molécula "madre" y otra recién sintetizada.
