El ácido desoxirribonucleico o ADN es una molécula portadora de información genética en casi todos los organismos vivos. Contiene las instrucciones biológicas para el desarrollo, la supervivencia y la reproducción de los organismos. El ADN se encuentra en el núcleo de la célula, donde se empaqueta en una forma compacta llamada cromosoma con la ayuda de varias proteínas conocidas como histonas. También se encuentra en las estructuras celulares llamadas mitocondrias. Sin embargo, en el caso de los procariotas, el ADN no está encerrado en un núcleo o una membrana, sino que está presente en el citoplasma. El ADN de los procariotas es generalmente circular y superenrollado, y no tiene histonas. El ADN almacena la información genética como una secuencia de nucleótidos en regiones especiales conocidas como genes que se utilizan para fabricar proteínas. La expresión de la información genética en proteínas es un proceso de dos etapas en el que la secuencia de nucleótidos del ADN se convierte en una molécula llamada ácido ribonucleico o ARN mediante un proceso llamado transcripción. El ARN se utiliza para fabricar proteínas mediante otro proceso llamado traducción. El genoma humano contiene cerca de 3 – 109 bases con unos 20.000 genes en 23 cromosomas.

El ADN fue descubierto por primera vez por el bioquímico alemán Frederich Miescher en el año 1869. A partir de los trabajos de Erwin Chargaff, James Watson, Francis Crick, Maurice Wilkins y Rosalind Franklin, se descubrió la estructura del ADN en el año 1953. La estructura del ADN es una : dos hebras complementarias de polinucleótidos que van en direcciones opuestas y se mantienen unidas por enlaces de hidrógeno entre ellas. Esta estructura ayuda al ADN a replicarse durante la división celular y también a que una sola hebra sirva de molde durante la transcripción.

• 1 Características de una molécula de ADN
  • 1.1 Doble hélice
  • 1.2 Bases complementarias
  • 1.3 Desnaturalización y renaturalización del ADN
  • 1.4 Ranuras
• 2 Funciones biológicas
  • 2.1 Replicación
  • 2.2 Transcripción y traducción
• 3 Formas de ADN
• 4 Historia de la estructura del ADN
• 5 Modelos de ADN

Características de una molécula de ADN

La doble hélice

está formada por dos cadenas de polinucleótidos, . El en el ADN se compone de un unido a la 5′ de la cual está conectado por un enlace beta-glicosídico a una purina o una pirimidina . El de la ribosa es un determinante principal de cuál de las formas del ADN está presente. En esta escena, que muestra el ADN B, el carbono 2′ está fuera del plano de los otros miembros del anillo de cinco miembros. En , el carbono 3′ está fuera del plano del anillo de ribosa.Los cuatro tipos de bases son las dos bases de purina de doble anillo y y las dos bases de pirimidina de anillo simple y . Los átomos de hidrógeno de algunos átomos de nitrógeno y oxígeno pueden sufrir desplazamientos tautoméricos. Los átomos de nitrógeno que intervienen en la formación de tautómeros aparecen como grupos amino o imino y los átomos de oxígeno están en formas ceto o enol. Hay una preferencia por las formas amino y ceto que es muy crucial para el funcionamiento biológico del ADN ya que proporciona una con la desoxirribosa y conduce a la especificidad del enlace de hidrógeno en el emparejamiento de bases y por lo tanto la complementariedad de las cadenas. El nitrógeno imino sólo puede servir como átomo donante en el enlace de hidrógeno, pero el nitrógeno amino también puede servir como átomo receptor. Cada nucleótido de una cadena de ADN está unido a otro a través de . Hay cuatro nucleótidos en el ADN. La espina dorsal de azúcar-fosfato del ADN es muy regular debido al enlace fosfodiéster, mientras que la ordenación de las bases es muy irregular.

A C G T

Purinas Pirimidinas

Bases complementarias

Las dos cadenas de un ADN se unen mediante enlaces de hidrógeno entre bases específicas. La adenina forma pares de bases con la timina y la guanina con la citosina. Este emparejamiento de bases específico entre y se conoce como emparejamiento de bases Watson-Crick. La especificidad del enlace de hidrógeno entre las bases conduce a la complementariedad en la secuencia de nucleótidos en las dos cadenas. Así, en una cadena de ADN el contenido de adenina es igual al de timina y el de guanina es igual al de citosina. En general el ADN con mayor contenido de GC es más estable que el que tiene mayor contenido de AT debido a la estabilización debida a las interacciones de apilamiento de bases.

Desnaturalización y renaturalización del ADN

Una doble cadena de ADN puede separarse en dos cadenas simples rompiendo los enlaces de hidrógeno entre ellas. Esto se conoce como desnaturalización del ADN. La energía térmica proporcionada por el calentamiento puede utilizarse para fundir o desnaturalizar el ADN. Las moléculas con un alto contenido de GC son más estables y, por lo tanto, se desnaturalizan a temperaturas más altas en comparación con las que tienen un mayor contenido de AT. La temperatura de fusión se define como la temperatura a la que la mitad de las hebras de ADN están en estado de doble hélice y la otra mitad en estado de bobina aleatoria. Las hebras simples de ADN desnaturalizadas tienen la capacidad de renaturalizarse y formar de nuevo ADN de doble cadena.

Ranuras

En un conjunto de bases que están emparejadas entre sí pero que están colocadas en ángulo. Esto da lugar a espinas dorsales de azúcar-fosfato desigualmente espaciadas y da lugar a dos surcos: el y el de diferente anchura y profundidad. Los están en la superficie del surco menor, y el surco mayor está en el lado opuesto. El suelo o la superficie del surco mayor se rellena con el . El mayor tamaño del surco mayor permite la unión de proteínas específicas del ADN.

Funciones biológicas

Fuentes:

Replicación

El ADN se somete a lo que se conoce como modo semiconservativo de replicación en el que el ADN hijo contiene una hebra de ADN del padre. La replicación procede a través del desenrollado de la doble hélice seguido de la síntesis de los cebadores desde donde comienza la replicación. Una enzima ADN polimerasa sintetiza hebras complementarias a cada hebra madre desde la dirección 5′-3′.

Transcripción y Traducción

La expresión de los genes en proteínas y es un proceso que implica dos etapas llamadas transcripción y traducción. En la etapa de transcripción una hebra de molécula de ADN sirve de molde para la síntesis de una molécula de ARN llamada ARN mensajero. Este ARN mensajero se traduce después en proteínas en los ribosomas.

Formas de ADN

Para una comparación de las diferentes formas de ADN, véase formas de ADN.

Historia de la estructura del ADN

El siguiente resumen se ha copiado de un Atlas de Macromoléculas con permiso:

En 1944 se demostró que los genes residían en el ADN (Avery et al.) y esto se aceptó ampliamente tras los experimentos de Hershey y Chase en 1952. La estructura de doble hélice del ADN fue predicha por James Watson y Francis Crick en 1953 (Premio Nobel, 1962). Su predicción se basó en parte en los estudios de difracción de rayos X realizados por Rosalind Franklin, a quien Watson y Maurice Wilkins dieron un crédito insuficiente. La doble hélice de forma B predicha no se confirmó con estructuras cristalinas de resolución atómica hasta 1973, primero utilizando dinucleótidos de ARN (Rosenberg et al.). La primera estructura cristalina que contenía más de una vuelta completa de la doble hélice no se resolvió hasta 1980 (1bna, 1981, 12 pares de bases). El retraso de más de un cuarto de siglo entre la predicción y la confirmación empírica tuvo que ver con el desarrollo de la cristalografía de rayos X para macromoléculas, y con la necesidad de producir una secuencia corta y definida de ADN para su cristalización. Este breve relato se basa en una revisión de Berman, Gelbin y Westbrook , donde se encontrarán las referencias.

Modelos de ADN

El modelo de ADN utilizado en las escenas del presente artículo es un modelo teórico (Image:B-DNA.pdb), no disponible en el Protein Data Bank. El archivo PDB no sigue ciertas convenciones de formato del PDB:

• Las bases se designan ADE, CYT, GUA y THY en lugar de las estándar DA, DC, DG y DT.
• Las cadenas no tienen nombre. Normalmente se denominan A y B.

Una cadena contiene residuos numerados del 1 al 12 en la secuencia CGCG AATT CGCG. La otra cadena contiene residuos numerados del 13 al 24 con una secuencia idéntica (antiparalela).

Los modelos teóricos suelen representar la conformación idealizada del ADN, mientras que el ADN real puede tener varias irregularidades, incluyendo pliegues y curvas (véanse los ejemplos unidos al represor Lac). Existen muchos modelos empíricos para el ADN, los primeros de los cuales estuvieron disponibles en los años 70 y 80 (véase más arriba). En mayo de 2012, el Banco de Datos de Proteínas contiene casi 4.000 entradas que contienen ADN. Más de 1.300 contienen sólo ADN, mientras que más de 2.000 contienen complejos proteína-ADN. Más de 100 entradas contienen proteínas, ADN y ARN, y más de 100 contienen moléculas híbridas de ADN/ARN.

Para más visualizaciones interactivas del ADN, véase DNA.MolviZ.Org, un tutorial que está disponible en nueve idiomas.