ADN y Nucleótidos: Estructura, Función y Empaquetamiento Cromosómico

Nucleósidos: Componentes Fundamentales de los Ácidos Nucleicos

Los nucleósidos están compuestos por una base nitrogenada y una pentosa, unidas mediante un enlace N-glucosídico. Este enlace se forma entre el carbono uno de la pentosa y el nitrógeno nueve de una base púrica (adenina, guanina) o el nitrógeno uno de una base pirimidínica (citosina, timina, uracilo). Ejemplos comunes incluyen:

• Adenosina (adenina + ribosa) y desoxiadenosina (adenina + desoxirribosa)
• Guanosina (guanina + ribosa) y desoxiguanosina (guanina + desoxirribosa)
• Citidina (citosina + ribosa) y desoxicitidina (citosina + desoxirribosa)
• Uridina (uracilo + ribosa) y desoxitimidina (timina + desoxirribosa)

Nucleótidos: Unidades Estructurales y Funcionales Clave

Los nucleótidos se forman por la unión de un nucleósido y un grupo fosfato (ácido fosfórico) mediante un enlace fosfodiéster. Este enlace se establece entre el carbono cinco de la pentosa del nucleósido y el grupo fosfato. Los nucleótidos desempeñan diversas funciones biológicas esenciales:

• Función estructural: Son los monómeros que forman los ácidos nucleicos, como el ADN (ácido desoxirribonucleico) y el ARN (ácido ribonucleico).
• Función energética: Forman enlaces ricos en energía, como los presentes en el ATP (adenosín trifosfato) y el ADP (adenosín difosfato), moléculas fundamentales para el metabolismo celular.
• Función coenzimática: Muchos nucleótidos actúan como coenzimas (por ejemplo, NAD+, FAD, CoA), participando en reacciones metabólicas clave, aunque en este rol no forman parte de ácidos nucleicos.

Los ácidos nucleicos se polimerizan por la unión de nucleótidos adyacentes mediante enlaces fosfodiéster. Este enlace se forma entre el grupo hidroxilo (-OH) del carbono 3' del primer nucleótido y el grupo fosfato unido al carbono 5' del nucleótido siguiente, creando una cadena polinucleotídica.

Características del ADN: La Molécula de la Herencia

El ADN (ácido desoxirribonucleico) es una molécula fundamental para la vida, caracterizada por estar formada por dos cadenas de nucleótidos antiparalelas y enrolladas, que dan lugar a una doble hélice. Sus bases nitrogenadas son adenina (A), guanina (G), citosina (C) y timina (T); a diferencia del ARN, el ADN no contiene uracilo. La pentosa presente en el ADN es la 2-desoxirribosa. En células eucariotas, el ADN se localiza principalmente en el núcleo, pero también se encuentra en las mitocondrias y los cloroplastos. Su estructura se describe en varios niveles:

Estructura Primaria del ADN

La estructura primaria del ADN se refiere a la secuencia lineal específica de nucleótidos en una sola cadena. La combinación de los cuatro nucleótidos diferentes (A, G, C, T) permite formar un número inmenso de secuencias, cada una de las cuales codifica la información genética única de un organismo.

Estructura Secundaria del ADN: La Doble Hélice

La estructura secundaria del ADN es la forma de doble hélice que adoptan las dos cadenas de ADN enfrentadas. Según el modelo propuesto por Watson y Crick en 1953 (basado en los estudios de difracción de rayos X de Rosalind Franklin), la molécula de ADN posee las siguientes características clave:

• Las dos cadenas son antiparalelas, lo que significa que corren en direcciones opuestas (una de 5' a 3' y la otra de 3' a 5').
• Las bases nitrogenadas son complementarias: la adenina (A) siempre se aparea con la timina (T), y la citosina (C) siempre se aparea con la guanina (G).
• Entre las bases complementarias de cada hebra se forman puentes de hidrógeno: dos puentes de hidrógeno entre adenina y timina (A=T), y tres puentes de hidrógeno entre citosina y guanina (C≡G). Estos puentes de hidrógeno son cruciales para mantener la estabilidad de la doble hélice.
• El enrollamiento de la doble hélice es dextrógiro (gira a la derecha) y plectonémico, lo que implica que las dos hebras no pueden separarse sin desenrollar completamente la doble hélice.
• Los grupos hidrófobos de las bases nitrogenadas se orientan hacia el interior de la molécula, mientras que las pentosas y los grupos fosfato, que son hidrofílicos, quedan expuestos hacia el exterior.

Si la doble hélice de ADN se somete a altas temperaturas o a cambios drásticos de pH, puede sufrir desnaturalización. Este proceso implica la ruptura de los puentes de hidrógeno y la separación de las hebras. Sin embargo, si se recuperan las condiciones normales, las hebras pueden volver a unirse en un proceso conocido como renaturalización.

Estructura Terciaria del ADN: Empaquetamiento Cromosómico

La estructura terciaria del ADN se refiere al superenrollamiento de la fibra de ADN (que en su estado más básico tiene un diámetro de aproximadamente 2 nm o 20 Ångstroms) sobre sí misma, formando una superhélice. Este proceso de empaquetamiento es esencial para que la enorme longitud del ADN quepa dentro del núcleo celular. Se distinguen varios niveles de empaquetamiento:

1. Collar de perlas (fibra de 10 nm o 100 Ångstroms): Las fibras de ADN se asocian a unas proteínas básicas llamadas histonas. Ocho histonas (dos de cada tipo: H2A, H2B, H3, H4) forman un octámero, alrededor del cual se enrolla el ADN, dando lugar a una estructura denominada nucleosoma. El ADN que conecta un nucleosoma con el siguiente se conoce como ADN espaciador o linker.
2. Solenoides (fibra de 30 nm o 300 Ångstroms): La fibra de 10 nm se enrolla sobre sí misma, formando una estructura más compacta conocida como solenoide. En cada vuelta de este solenoide, se agrupan aproximadamente seis nucleosomas, estabilizados por la histona H1.
3. Dominios en bucle (fibra de 300 nm): La fibra de 30 nm forma una serie de bucles o asas, cada uno de los cuales contiene entre 20.000 y 70.000 pares de bases. Estos bucles se estabilizan mediante un andamio de proteínas no histonas.

Además de estos niveles, se alcanzan niveles superiores de empaquetamiento que logran reducir la longitud de la fibra de ADN hasta unas 8.000 veces. El cromosoma metafásico representa el grado máximo de empaquetamiento de la fibra de cromatina, haciéndolo visible al microscopio óptico.

Tipos de ADN: Diversidad Estructural

El ADN puede presentarse en diferentes configuraciones estructurales:

• ADN monocatenario: Consiste en una única cadena de nucleótidos. Puede ser lineal o circular y se encuentra principalmente en algunos tipos de virus (ej. parvovirus).
• ADN bicatenario: Formado por dos cadenas de nucleótidos. Es la forma más común y puede ser:
  • Lineal: Característico de las células eucariotas (en el núcleo) y de algunos virus.
  • Circular: Presente en mitocondrias, cloroplastos, bacterias (cromosoma bacteriano y plásmidos) y algunos virus.

En general, cuanto mayor es la complejidad de un organismo, mayor es la longitud y la cantidad de su ADN.