El ácido desoxirribonucleico, también conocido con el nombre abreviado de ADN, representa a un ácido nucleico el cual contiene todas y cada una de las instrucciones de tipo genéticas las cuales a su vez son usadas en el desarrollo y el debido funcionamiento de todos los organismos vivos conocidos y de algunos virus, y es también responsable de su transmisión hereditaria.

Cuál es la función principal de la molécula de ADN

La función principal del ADN, es la de servir como almacenamiento a largo plazo de la información para construir a los otros diferentes componentes de las células, como lo son las proteínas y las moléculas de ARN. En efecto, los segmentos del ADN que se encargan de llevar toda esta información genética son llamados con el nombre de genes, pero las otras secuencias de ADN tienen propósitos estructurales o toman parte importante en la regulación del uso de esta información genética.

Acerca de la historia de la genética

Con referencia a la historia de la genética, el ADN lo aisló por primera vez, durante el invierno del año de 1869, el médico suizo Friedrich Miescher mientras trabajaba en la Universidad de Tubinga, cuando Miescher realizaba experimentos acerca de la composición química del pus de vendas quirúrgicas desechadas cuando notó un precipitado de una sustancia desconocida la cual caracterizó químicamente justo más tarde.

Fue por lo tanto, a esta que le llamó como nucleína, y esto debido a que lo había extraído a partir de los núcleos celulares. En efecto, se necesitaron casi unos setenta (70) años de investigación para poder identificar a los componentes y la estructura de los ácidos nucleicos.

Fue por el año de 1919, en donde Phoebus Levene identificó que un nucleótido está debidamente conformado por una base nitrogenada, un azúcar y un fosfato. Levene sugirió que el ADN generaba una estructura con forma de solenoide o muelle con unidades de nucleótidos unidos a través de los grupos fosfato.

Posteriormente, en el año de 1930 Levene y su maestro Albrecht Kossel probaron que la nucleína de Miescher es un ácido desoxirribonucleico o 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. No obstante, a pesar de esto Levene pensaba que la cadena era corta y que las bases se repetían en un orden fijo. Ya durante el año de 1937 William Astbury produjo el primer patrón de difracción de rayos X que mostraba que el ADN tenía una estructura regular.

Para el año de 1928, se comenzó a demostrar la función biológica del ADN, 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, la cual es la causante de la neumonía, según la presencia (S) o no (R) de una cápsula azucarada, que es la que confiere virulencia.

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.

Pero, si este les 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 con el nombre de principio transformante. Esta sustancia proporcionaba la capacidad a los neumococos R de producir una cápsula azucarada y transformarse así en virulentas. Después, en los siguientes quince (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).

Fue por lo tanto, que con la búsqueda del factor transformante que era capaz de hacer virulentas a cepas que inicialmente no lo eran continuó hasta el año de 1944, año en el cual Oswald Avery,Colin MacLeod y Maclyn McCarty realizaron un experimento hoy clásico.

De esta manera, que estos investigadores extrajeron el factor transformante y, mediante los análisis químicos, los enzimáticos y los 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, de ADN. Finalmente, 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.

Cabe resaltar, que fue a pesar de que la identificación del ADN como principio transformante tardó varios años en ser universalmente aceptada, este descubrimiento fue de carácter decisivo en el conocimiento de la base molecular de la herencia, y constituye para el nacimiento de la genética molecular. Por otro lado, durante el año de 1952, se comprobó el papel exclusivo del ADN en la heredabilidad 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.

Cuáles son las propiedades físicas y químicas del ADN

El ADN es un largo polímero formado por unidades repetitivas, las cuales reciben el nombre de los nucleótidos. Una doble cadena de ADN la cual mide de 22 a unos 26 angstroms de ancho, y una unidad (un nucleótido) mide 3,3 Å (0,33 nm) de largo. A pesar de que cada unidad individual que se repite es muy pequeña, los polímeros de ADN pueden ser moléculas enormes que contienen millones de nucleótidos, así como por ejemplo, podemos encontrar que el cromosoma humano más largo, el cromosoma número 1, posee aproximadamente unos 220 millones de pares de bases.

Cabe agregar, que por lo general, 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.

Cuáles son los componentes del ADN

La estructura de soporte de una hebra de ADN está debidamente formada por las unidades alternas de los grupos tales como el fosfato y el azúcar o desoxirribosa. De esta manera, es que el azúcar en el ADN es una pentosa, concretamente, la desoxirribosa.

El Ácido fosfórico: su fórmula química es el H₃PO₄. Cada nucleótido puede contener uno (monofosfato: AMP), dos (difosfato:ADP) o tres (trifosfato: ATP) grupos de ácido fosfórico, aunque como monómeros constituyentes de los ácidos nucleicos solo aparecen en forma de nucleósidos monofosfato.

La Desoxirribosa: es un monosacárido de unos 5 átomos de carbono, es decir, una pentosa derivado de la ribosa, que forma parte de la estructura de nucleótidos del ADN. Su fórmula es C₅H₁₀O₄. Una de las principales diferencias entre el ADN y el ARN es el azúcar, pues en el ARN la 2-desoxirribosa del ADN es reemplazada por una pentosa alternativa, la ribosa.

Las Bases nitrogenadas: las cuatro bases nitrogenadas mayoritarias que se encuentran en el ADN son la adenina (A), la citosina (C), la guanina (G) y la timina (T). Cada una de estas cuatro bases está unida al armazón de azúcar-fosfato a través del azúcar para formar el nucleótido completo (base-azúcar-fosfato). Por lo tanto, las bases son los compuestos heterocíclicos y aromáticos con dos o más átomos de nitrógeno, y, dentro de las bases mayoritarias, se clasifican en dos grupos: las bases púricas o purinas (adenina y guanina), derivadas de la purina y formadas por dos anillos unidos entre sí, y las bases pirimidínicas o bases pirimídicas o pirimidinas(citosina y timina), derivadas de la pirimidina y con un solo anillo.

La Timina: en el código genético se representa con la letra T, esta viene a ser un derivado pirimidínico con un grupo oxo en las posiciones 2 y 4, y un grupo metil en la posición 5. Forma el nucleósido timidina y el nucleótido timidilato o timidina monofosfato (dTMP). En el ADN, la timina siempre se empareja con la adenina de la cadena complementaria mediante 2 puentes de hidrógeno,T=A. Su fórmula química es C₅H₆N₂O₂ y su nomenclatura 2, 4-dioxo, 5-metilpirimidina.

La Citosina: en el código genético a esta se le representa con la letra C, es un derivado pirimidínico, con un grupo amino en posición 4 y un grupo oxo en posición 2. Forma el nucleósido citidina(desoxicitidina en el ADN) y el nucleótido citidilato o (desoxi)citidina monofosfato (dCMP en el ADN, CMP en el ARN). La citosina siempre se empareja en el ADN con la guanina de la cadena complementaria mediante un triple enlace, C≡G. Su fórmula química es C₄H₅N₃O y su nomenclatura 2-oxo, 4 aminopirimidina. Su masa molecular es de 111,10 unidades de masa atómica. La citosina se descubrió en 1894, al aislarla del tejido del timo de carnero.

La Adenina: en el código genético se representa con la letra A, viene a ser un derivado de la purina con un grupo amino en la posición 6. Forma el nucleósido adenosina (desoxiadenosina en el ADN) y el nucleótido adenilato o (desoxi) adenosina monofosfato (dAMP, AMP). En el ADN siempre se empareja con la timina de la cadena complementaria mediante 2 puentes de hidrógeno, A=T. Su fórmula química es C₅H₅N₅ y su nomenclatura 6-aminopurina.

La Guanina: se le representa con la letra G. Es un derivado púrico con un grupo oxo en la posición 6 y un grupo amino en la posición 2. Forma el nucleósido (desoxi) guanosina y el nucleótido guanilato o (desoxi) guanosina monofosfato (dGMP, GMP). La guanina siempre se empareja en el ADN con la citosina de la cadena complementaria mediante tres enlaces de hidrógeno, G≡C. Su fórmula química es C₅H₅N₅O y su nomenclatura 6-oxo, 2-aminopurina.

Cuál es la estructura del ADN.

El ADN, por ser una molécula bicatenaria, es decir, que está conformada por dos cadenas dispuestas de forma anti paralela y con las bases nitrogenadas enfrentadas, pues es entonces que en su estructura tridimensional, se distinguen distintos niveles:

La estructura primaria: es la secuencia de nucleótidos encadenados, en estas cadenas 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.

La estructura secundaria: es una estructura en doble hélice, la cual le permite explicar el almacenamiento de la información genética y el mecanismo de duplicación del ADN.

La estructura terciaria: esta se refiere a cómo se almacena el ADN en un espacio reducido, para formar a los cromosomas, cabe agregar, que puede variar según se trate de organismos procariotas o eucariotas:

En los procariotas: el ADN se pliega como una súper-hélice, generalmente en forma circular y asociada a una pequeña cantidad de proteínas.

En los eucariotas: dado a que por la gran cantidad de ADN de cada cromosoma es relativamente 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.

La estructura cuaternaria: en esta la cromatina presente en el núcleo tiene un grosor de 300 Å, pues la fibra de cromatina de 100 Å se enrolla formando una fibra de cromatina de 300 Å.

Las estructuras en doble hélice: como el ADN existe en muchas conformaciones, pero en los 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 superenrollamiento 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.

Las estructuras en cuádruplex: 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.

Las hendiduras mayor y menor: la doble hélice es una espiral dextrógira, esto es, cada una de las cadenas de nucleótidos gira a derechas; esto puede verificarse si nos fijamos, yendo de abajo a arriba, en la dirección que siguen los segmentos de las hebras que quedan en primer plano. Si las dos hebras giran a derechas se dice que la doble hélice es dextrógira, y si giran a izquierdas, levógira. Pero en la conformación más común que adopta el ADN, la doble hélice es dextrógira, girando cada par de bases respecto al anterior unos 36º.

Finalmente, es cuando las dos hebras de ADN se enrollan una sobre la otra (sea a derechas o a izquierdas), se forman huecos o hendiduras entre una hebra y la otra, dejando expuestos los laterales de las bases nitrogenadas del interior.

El superenrollamiento: el ADN puede retorcerse como una cuerda en un proceso que se denomina superenrollamiento del ADN. Cuando el ADN está en un estado relajado, una hebra normalmente gira alrededor del eje de la doble hélice una vez cada 10,4 pares de bases, pero si el ADN está retorcido las hebras pueden estar unidas más estrechamente o más relajadamente, si el ADN está retorcido en la dirección de la hélice, por lo tanto, se dice que el superenrollamiento es positivo, y las bases se mantienen juntas de forma más estrecha. Si el ADN se retuerce en la dirección opuesta, el superenrollamiento se le llama negativo, y las bases se alejan. En la naturaleza, la mayor parte del ADN tiene un ligero superenrollamiento negativo que es producido por enzimas denominadas topoisomerasas. Estas enzimas también son necesarias para liberar las fuerzas de torsión introducidas en las hebras de ADN durante procesos como la transcripción y la replicación.