El ADN es una hélice de doble cadena que almacena información genética. Su estructura y topología son fundamentales para su función en la replicación, transcripción y reparación, y la molécula puede adoptar diferentes conformaciones dependiendo de la secuencia y las condiciones ambientales.
Componentes Básicos de Nucleótidos
El ADN es un polímero de desoxirribonucleótidos, cada uno consistente en tres componentes. Una base nitrogenada, ya sea una purina (adenina o guanina) o una pirimidina (citosina o timina), está unida al carbono 1-prime de la desoxirribosa. Un grupo fosfato está esterificado al carbono 5-prime. Los nucleótidos se unen mediante enlaces fosfodiéster entre el fosfato 5-prime de un nucleótido y el hidroxilo 3-prime del siguiente, creando un esqueleto de azúcar-fosfato con direccionalidad.
La Hélice Doble
La estructura clásica de B-ADN, descrita por Watson y Crick en 1953, es una hélice dextrógira con varias características clave. Dos cadenas polinucleotídicas corren antiparalelas, con una orientada de 5-prime a 3-prime y la otra de 3-prime a 5-prime. Los esqueletos de azúcar-fosfato están en el exterior, mientras que las bases se aparean en el interior mediante puentes de hidrógeno. La adenina se aparea con la timina mediante dos puentes de hidrógeno, y la guanina se aparea con la citosina mediante tres puentes de hidrógeno, haciendo que las secuencias ricas en GC sean más estables. La hélice tiene un diámetro de aproximadamente 2 nm, una elevación de 0.34 nm por par de bases, y completa una vuelta cada 10.5 pares de bases.
Conformaciones Alternativas del ADN
El B-ADN es la forma más común en condiciones fisiológicas, pero el ADN puede adoptar otras conformaciones. El A-ADN es una hélice dextrógira más corta y ancha que se forma en condiciones deshidratantes y es relevante para los híbridos ADN-ARN. El Z-ADN es una hélice levógira con un esqueleto en zigzag que se forma en secuencias alternantes de purina-pirimidina, particularmente repeticiones CG. La formación de Z-ADN es favorecida por el superenrollamiento negativo y puede tener funciones reguladoras en la transcripción.
Superenrollamiento del ADN
El ADN en las células debe compactarse para caber dentro del núcleo o la célula. Las moléculas de ADN circular, como los cromosomas bacterianos y los plásmidos, se superenrollan cuando están sobrenrolladas o subenrolladas. El superenrollamiento negativo, donde el ADN está subenrollado, es el estado natural de la mayoría del ADN celular y facilita la separación de hebras necesaria para la replicación y transcripción. El superenrollamiento positivo ocurre delante de las horquillas de replicación y debe aliviarse.
Las topoisomerasas son enzimas que gestionan la topología del ADN. La topoisomerasa I crea una rotura transitoria de una sola hebra para aliviar el estrés torsional, cambiando el número de enlace en uno. La topoisomerasa II crea una rotura de doble hebra y pasa otro segmento de ADN a través, cambiando el número de enlace en dos. Estas enzimas son objetivos de fármacos anticancerígenos como el etopósido y la camptotecina.
Estructura de la Cromatina
El ADN eucariota se empaqueta en cromatina mediante la asociación con proteínas histonas. La unidad básica es el nucleosoma, que consiste en 147 pares de bases de ADN envueltas alrededor de un octámero de histonas centrales: dos de cada H2A, H2B, H3 y H4. La histona enlazadora H1 se une entre nucleosomas, promoviendo el plegamiento de orden superior. Este empaquetamiento compacta el ADN aproximadamente 10,000 veces y regula el acceso a la información genética.
Desnaturalización y Renaturalización del ADN
Las dos hebras de ADN pueden separarse mediante calentamiento o condiciones alcalinas que rompen los puentes de hidrógeno. La electroforesis en gel de agarosa usa estas propiedades para separar fragmentos de ADN por tamaño. La temperatura de fusión depende del contenido de GC, requiriendo el ADN rico en GC temperaturas más altas para la desnaturalización. La renaturalización del ADN, también llamada hibridación, ocurre cuando el enfriamiento permite que las hebras complementarias reformen la doble hélice. Este proceso es la base de las técnicas de hibridación, incluyendo el Southern blot y los microarreglos de ADN.
El Código Genético
La información genética está codificada en la secuencia lineal de bases del ADN. Tres nucleótidos consecutivos forman un codón, que especifica uno de veinte aminoácidos. El código genético es degenerado, lo que significa que la mayoría de los aminoácidos están especificados por múltiples codones, siendo típicamente las dos primeras posiciones las más importantes. El código es casi universal en todos los organismos conocidos, apoyando firmemente un origen evolutivo común.
