19.3: Ácido desoxirribonucleico (ADN)

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Objetivos de aprendizaje

  1. Enunciar las tres partes básicas de un desoxirribonucleótido.
  2. Indicar qué bases nitrogenadas son purinas y cuáles son pirimidinas.
  3. Defina el emparejamiento de bases complementarias.
  4. Explique por qué el ADN sólo puede sintetizarse en dirección 5′ a 3′.
  5. Compare el nucleoide procariota con el núcleo eucariota en términos de lo siguiente:
    1. número de cromosomas
    2. cromosomas lineales o circulares
    3. presencia o ausencia de una membrana nuclear
    4. presencia o ausencia de nucleosomas
    5. presencia o ausencia de mitosis
    6. presencia o ausencia de meiosis

El ADN es una larga de doble cadena, compuesta por bloques de construcción llamados desoxirribonucleótidos. Cada desoxirribonucleótido se compone de tres partes: una molécula del azúcar de 5 carbonos desoxirribosa, una base nitrogenada y un grupo fosfato (Figura \(\PageIndex{1})).

Figura \N(\PageIndex{1}): Un desoxirribonucleótido. Obsérvese el grupo fosfato unido al carbono 5′ de la desoxirribosa y la base nitrogenada, en este caso la timina, unida al carbono 1′.
  • Desoxirribosa. La desoxirribosa es un azúcar anillado de 5 carbonos (Figura \(\PageIndex{2}\)). Los 5 carbonos están numerados secuencialmente en el sentido de las agujas del reloj alrededor del azúcar. Los primeros 4 carbonos forman realmente el anillo del azúcar con el carbono 5′ que sale del carbono 4′ del anillo. La base nitrogenada del nucleótido se une al carbono 1′ del azúcar y el grupo fosfato se une al carbono 5′. Durante la síntesis del ADN, el grupo fosfato de un nuevo desoxirribonucleótido es unido covalentemente por la enzima ADN polimerasa al carbono 3′ de un nucleótido ya existente en la cadena.
Figura \N(\PageIndex{2}\N): El azúcar de 5 carbonos desoxirribosa. Durante la producción de nucleótidos, la base nitrogenada se unirá al carbono 1′ y el grupo fosfato se unirá al carbono 5′. Los primeros 4 carbonos mostrados forman el anillo real del azúcar. El carbono 5′ se desprende del anillo.
  • Una base nitrogenada. Hay cuatro bases nitrogenadas que se encuentran en el ADN: adenina, guanina, citosina o timina. La adenina y la guanina se conocen como bases purinas, mientras que la citosina y la timina se conocen como bases pirimidinas (Figura \(\PageIndex{3})).
Figura \(\PageIndex{3}}: Las cuatro bases nitrogenadas del ADN: Adenina, Guanina, Citosina y Timina. El fosfato de un desoxirribonucleótido que se une al carbono 3′ de la desoxirribosa de otro forma la columna vertebral de azúcar-fosfato del ADN (los lados de la «escalera»). Los enlaces de hidrógeno entre las bases nucleotídicas complementarias (adenina-timina; guanina-citosina) forman los peldaños. Observe la naturaleza antiparalela del ADN. Una hebra termina en un fosfato 5′ y la otra en un hidroxilo 3′.

  • Un grupo fosfato (Figura \(\PageIndex{4}\)).
Figura \N(\PageIndex{4}\N): Un grupo fosfato

Para sintetizar las dos cadenas de desoxirribonucleótidos durante la replicación del ADN, las enzimas ADN polimerasa implicadas sólo son capaces de unir el grupo fosfato del carbono 5′ de un nuevo nucleótido al grupo hidroxilo (OH) del carbono 3′ de un nucleótido (Figura \(\PageIndex{2}\) ya existente en la cadena. El enlace covalente que une los nucleótidos se denomina enlace fosfodiéster. Cada cadena de ADN tiene lo que se llama un extremo 5′ y un extremo 3′. Esto significa que un extremo de cada cadena de ADN, llamado extremo 5′, siempre tendrá un grupo fosfato unido al carbono 5′ de su desoxirribonucleótido terminal (Figura \(\PageIndex{5}\)). El otro extremo de esa cadena, llamado extremo 3′, siempre tendrá un hidroxilo (OH) en el carbono 3′ de su desoxirribonulceótido terminal.

Figura \N(\PageIndex{5}\N): Estructura química del ADN. El fosfato de un desoxirribonucleótido que se une al carbono 3′ de la desoxirribosa de otro forma la columna vertebral de azúcar-fosfato del ADN (los lados de la «escalera»). Los enlaces de hidrógeno entre las bases nucleotídicas complementarias (adenina-timina; guanina-citosina) forman los peldaños. Observe la naturaleza antiparalela del ADN. Una hebra termina en un fosfato 5′ y la otra en un hidroxilo 3′.

Como se verá en la siguiente sección, cada hebra madre, durante la replicación del ADN, actúa como plantilla para la síntesis de la otra hebra mediante el emparejamiento de bases complementarias. El emparejamiento de bases complementarias se refiere a los nucleótidos del ADN con la base adenina que sólo forman enlaces de hidrógeno con los nucleótidos que tienen la base timina (A-T). Del mismo modo, los nucleótidos con la base guanina sólo pueden formar enlaces de hidrógeno con nucleótidos con la base citosina (G-C). (En el caso de los nucleótidos de ARN, como se verá más adelante, los nucleótidos de adenina forman enlaces de hidrógeno con nucleótidos de base uracilo, ya que la timina no se encuentra en el ARN). Como resultado de este enlace, el ADN adopta su forma helicoidal. Por lo tanto, se dice que las dos cadenas de ADN son complementarias. Dondequiera que una hebra tenga un nucleótido que contenga adenina, la hebra opuesta siempre tendrá un nucleótido de timina; dondequiera que haya un nucleótido que contenga guanina, la hebra opuesta siempre tendrá un nucleótido de citosina (Figura \(\PageIndex{1}\)).

Aunque las dos hebras del ADN son complementarias, están orientadas en direcciones opuestas entre sí. Se dice que una hebra va de 5′ a 3′; la hebra opuesta de ADN va en antiparalelo, o de 3′ a 5′ (Figura \(\PageIndex{1}\)).

Ahora compararemos brevemente el genoma de las células procariotas con el de las células eucariotas.

El genoma procariota (bacteriano)

La zona dentro de una bacteria en la que se puede ver el cromosoma con un microscopio electrónico se llama nucleoide. El cromosoma de la mayoría de los procariotas suele ser una sola molécula larga de ADN de doble cadena, helicoidal y superenrollada que forma un círculo físico y genético. El cromosoma suele tener una longitud de unos 1000 µm y suele contener unos 4000 genes (Figura \(\PageIndex{8}\)). Escherichia coli, que tiene una longitud de 2-3 µm, tiene un cromosoma de aproximadamente 1400 µm. Para que una macromolécula tan grande quepa dentro de la bacteria, unas proteínas similares a las histonas se unen al ADN, segregando la molécula de ADN en unos 50 dominios cromosómicos y haciéndola más compacta. A continuación, una enzima topoisomerasa del ADN, llamada ADN girasa, superenrolla el cromosoma en un haz apretado formando una masa de ADN compactada y superenrollada de aproximadamente 0,2 µm de diámetro.

Figura \N (\PageIndex{6}\N): Micrografía electrónica de ADN nucleoide

Las enzimas bacterianas denominadas topoisomerasas de ADN son esenciales en el desenrollado, replicación y rebobinado del ADN bacteriano circular y superenrollado (Figura \(\PageIndex{7})). También son esenciales en la transcripción del ADN en ARN, en la reparación del ADN y en la recombinación genética en las bacterias.

Figura \N(\PageIndex{7}\N): ADN procariota circular y superenrollado. Para permitir que la gran molécula de ADN quepa dentro de la bacteria, una enzima topoisomerasa de ADN llamada ADN girasa superenrolla el cromosoma en un haz apretado formando una masa compactada y superenrollada de ADN de aproximadamente 0,2 µm de diámetro.

El nucleoide procariota no tiene una membrana nuclear que rodee al ADN y el cuerpo nuclear no se divide por mitosis. La membrana citoplasmática desempeña un papel en la separación del ADN durante la replicación bacteriana. Como las bacterias son haploides (tienen un solo cromosoma), tampoco hay meiosis.

El genoma eucariota

Las células procariotas y eucariotas difieren un gran detalle tanto en la cantidad como en la organización de sus moléculas de ADN. Las células eucariotas contienen mucho más ADN que las bacterias, y este ADN está organizado en forma de múltiples cromosomas situados dentro de un núcleo.

El núcleo de las células eucariotas está rodeado por una membrana nuclear (Figura \(\PageIndex{7})) y contiene cromosomas lineales compuestos de ADN con carga negativa asociados a proteínas básicas con carga positiva llamadas histonas para formar estructuras conocidas como nucleosomas. Los nucleosomas forman parte de lo que se denomina cromatina, el ADN y las proteínas que componen los cromosomas. El núcleo se divide mi mitosis y las células sexuales haploides se producen a partir de las células diploides mediante la meiosis.

Figura \N (\PageIndex{8}\N): Micrografía electrónica de transmisión de Candida albicans, una célula eucariota. PM = membrana plasmática; M = mitocondria; N = núcleo; V = vacuola; CW = pared celular. (Centros para el Control y la Prevención de Enfermedades).

El ADN de las células eucariotas está empaquetado de forma muy organizada. Está formado por una unidad básica llamada nucleosoma, una estructura en forma de perla de 11 nm de diámetro que consta de 146 pares de bases de ADN envueltos alrededor de ocho moléculas de histona. Los nucleosomas están unidos entre sí por un segmento de ADN de aproximadamente 60 pares de bases llamado ADN enlazador (Figura \(\PageIndex{9}\)). Otra histona asociada al ADN enlazador empaqueta los nucleótidos adyacentes para formar un hilo de nucleosoma de 30 nm de diámetro. Finalmente, estos hilos de nucleosoma empaquetados forman grandes bucles enrollados que se mantienen unidos por proteínas de andamiaje no histónicas. Estos bucles enrollados en las proteínas de andamiaje interactúan para formar la cromatina condensada que se ve en los cromosomas durante la mitosis (Figura \(\PageIndex{10})).

Figura \(\PageIndex{9}): Nucleosomas. El ADN de las células eucariotas está empaquetado de forma muy organizada. Consiste en una unidad básica llamada nucleosoma, una estructura en forma de perla con 146 pares de bases de ADN envueltos alrededor de ocho moléculas de histona. Los nucleosomas están unidos entre sí por un segmento de ADN de aproximadamente 60 pares de bases.

En los últimos años se ha descubierto que la naturaleza estructural de la desoxirribonucleoproteína contribuye a que el ADN se transcriba o no en ARN. Por ejemplo, los cambios químicos en la cromatina pueden permitir que partes de ésta se condensen o se relajen. Cuando una región se condensa, los genes no pueden transcribirse. Además, las sustancias químicas pueden adherirse a las proteínas histónicas alrededor de las cuales se envuelve el ADN, o bien retirarse de ellas. La unión o eliminación de estos grupos químicos a la histona determina si la expresión de los genes cercanos se amplifica o se reprime.

Figura \N(\PageIndex{10}\N): Cromosoma eucariota replicante

El epigenoma se refiere a una variedad de compuestos químicos que modifican el genoma, normalmente añadiendo un grupo metilo (CH3) a la base nucleotídica adenina en lugares específicos de la molécula de ADN. Esta metilación puede, a su vez, reprimir o activar la transcripción de genes específicos. Al activar o desactivar los genes, el epigenoma permite que el genoma interactúe y responda al entorno de la célula. El epigenoma puede heredarse al igual que el genoma.

Resumen

  1. El ácido desoxirribonucleico (ADN) es una molécula larga, de doble cadena y helicoidal, compuesta por bloques de construcción llamados desoxirribonucleótidos.
  2. Un desoxirribonucleótido se compone de 3 partes: una molécula del azúcar de 5 carbonos desoxirribosa, una base nitrogenada y un grupo fosfato.
  3. En el ADN se encuentran cuatro bases nitrogenadas: adenina, guanina, citosina o timina. La adenina y la guanina se conocen como bases purinas, mientras que la citosina y la timina se conocen como bases pirimidinas.
  4. La deoxirribosa es un azúcar anillado de 5 carbonos. Los 5 carbonos se numeran secuencialmente en el sentido de las agujas del reloj alrededor del azúcar. Los primeros 4 carbonos forman realmente el anillo del azúcar con el carbono 5′ que sale del carbono 4′ del anillo. La base nitrogenada del nucleótido se une al carbono 1′ del azúcar y el grupo fosfato se une al carbono 5′.
  5. Durante la síntesis del ADN, la enzima ADN polimerasa sólo puede unir el grupo fosfato de un nuevo desoxirribonucleótido al carbono 3′ de un nucleótido ya existente en la cadena.
  6. Durante la replicación del ADN, cada cadena madre actúa como plantilla para la síntesis de la otra cadena mediante el emparejamiento de bases complementarias.
  7. El emparejamiento de bases complementarias se refiere a los nucleótidos del ADN con la base adenina que sólo forman enlaces de hidrógeno con los nucleótidos que tienen la base timina (A-T). Del mismo modo, los nucleótidos con la base guanina sólo pueden formar enlaces de hidrógeno con los nucleótidos que tienen la base citosina (G-C).
  8. Mientras que las dos hebras del ADN son complementarias, están orientadas en direcciones opuestas entre sí. Se dice que una hebra va de 5′ a 3′; la hebra opuesta de ADN va en antiparalelo, o de 3′ a 5′.
  9. En las células procariotas no hay una membrana nuclear que rodee al ADN. Las células procariotas carecen de mitosis y meiosis.
  10. Para que una macromolécula tan grande quepa dentro de la bacteria, unas proteínas similares a las histonas se unen al ADN, segregando la molécula de ADN en unos 50 dominios cromosómicos y haciéndola más compacta. A continuación, una enzima llamada ADN girasa superenrolla cada dominio sobre sí mismo formando una masa de ADN compactada y superenrollada. Una topoisomerasa llamada ADN girasa cataliza el superenrollamiento negativo del ADN circular que se encuentra en las bacterias. La topoisomerasa IV, por su parte, participa en la relajación del ADN circular superenrollado, lo que permite la separación de los cromosomas hijos entrelazados al final de la replicación del ADN bacteriano.
  11. El ADN de las células eucariotas está empaquetado en unidades básicas denominadas nucleosomas, una estructura parecida a una perla que consiste en ADN envuelto alrededor de ocho moléculas de histona. El ADN se organiza en forma de múltiples cromosomas situados dentro de un núcleo rodeado por una membrana nuclear. El núcleo se divide por mitosis y los gametos se producen por meiosis en los eucariotas que se reproducen sexualmente.
  12. La naturaleza estructural de la desoxirribonucleoproteína contribuye a que el ADN se transcriba o no en ARN. Por ejemplo, los cambios químicos en la cromatina pueden permitir que partes de ésta se condensen o se relajen. Cuando una región se condensa, los genes no pueden transcribirse. Además, las sustancias químicas pueden adherirse a las proteínas histónicas alrededor de las cuales se envuelve el ADN, o bien retirarse de ellas. La unión o eliminación de estos grupos químicos a la histona determina si la expresión de los genes cercanos se amplifica o se reprime.

Contribuidores y Atribuciones

  • Dr. Gary Kaiser (COMMUNITY COLLEGE OF BALTIMORE COUNTY, CATONSVILLE CAMPUS)

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