ADN

Qué es el ADN

Desde el punto de vista químico, el ADN es un polinucleótido: una cadena larga y monótona en cuanto a sus componentes —siempre los mismos cuatro tipos de eslabones— pero capaz de portar una variedad informativa enorme gracias al orden en que esos eslabones se suceden. La analogía habitual es la de un alfabeto de solo cuatro letras con el que se pueden escribir, literalmente, todos los libros que la biología necesita. La equivalencia es más exacta de lo que parece: a partir de esa secuencia de cuatro letras, la célula sintetiza las moléculas de ARN y las proteínas que hacen el trabajo bioquímico cotidiano, y la fidelidad con la que se copia y se lee determina la continuidad de la vida.

El ADN está presente en todos los organismos celulares conocidos —bacterias, arqueas, hongos, plantas y animales— y en la mayoría de los virus, aunque algunos virus utilizan ARN en su lugar. En las células eucariotas se localiza fundamentalmente en el núcleo, empaquetado en cromosomas, y en cantidad mucho menor en las mitocondrias. En las bacterias aparece libre en el citoplasma, organizado en un cromosoma circular único y, en ocasiones, en pequeños plásmidos extracromosómicos.

Composición química y unidad básica: el nucleótido

La unidad estructural mínima del ADN es el nucleótido. Cada nucleótido consta de tres piezas químicamente bien definidas: una pentosa —la desoxirribosa—, un grupo fosfato y una base nitrogenada. El conjunto azúcar más base, sin fosfato, recibe el nombre de nucleósido; cuando se le añade uno, dos o tres grupos fosfato, hablamos de nucleótidos monofosfato, difosfato o trifosfato. La forma trifosfato es la que sirve de sustrato a las polimerasas que sintetizan ADN nuevo durante la división celular.

Las bases nitrogenadas del ADN son cuatro y se reparten en dos grupos según su estructura química. Las púricas tienen dos anillos fusionados: son la adenina (A) y la guanina (G). Las pirimidínicas tienen un solo anillo: son la citosina (C) y la timina (T). La timina es exclusiva del ADN; el ARN la sustituye por uracilo, una pirimidina muy parecida pero sin grupo metilo.

Los nucleótidos se enlazan entre sí a través de enlaces fosfodiéster: el fosfato del carbono 5' de un azúcar se une al hidroxilo del carbono 3' del azúcar siguiente. El resultado es una hebra polarizada con dos extremos distintos —el extremo 5' y el extremo 3'— que se diferencian químicamente y que determinan la dirección en la que se lee y se sintetiza la molécula. Esta direccionalidad no es un detalle menor: la maquinaria celular que copia, transcribe o repara el ADN solo funciona en sentido 5' a 3', y todas las enzimas implicadas comparten esa restricción.

La doble hélice

La forma tridimensional habitual del ADN en el interior de las células es la doble hélice: dos hebras complementarias enrolladas una alrededor de la otra en torno a un eje común. El esqueleto azúcar-fosfato, cargado negativamente por los grupos fosfato ionizados, queda hacia el exterior y en contacto con el medio acuoso; las bases nitrogenadas, hidrofóbicas, se proyectan hacia el interior del cilindro y se aparean horizontalmente como los peldaños de una escalera de caracol.

El apareamiento de las bases no es libre. Adenina solo se empareja con timina y guanina solo con citosina. La especificidad la determinan los puentes de hidrógeno: el par A=T se establece mediante dos puentes, el par G≡C mediante tres. Esta asimetría hace que las regiones ricas en G-C sean más estables térmicamente que las ricas en A-T, una característica con consecuencias prácticas en biología molecular y en el diseño experimental. Las dos hebras corren en sentido opuesto, es decir, son antiparalelas: si una se lee 5' a 3' en un sentido, la otra lo hace en sentido contrario. Solo así, geométricamente, encajan los pares de bases en el espacio interior de la hélice.

El diámetro del cilindro es de unos 2 nanómetros y cada vuelta completa ocupa unos 10,5 pares de bases —es decir, 3,4 nanómetros de longitud—. La superficie externa de la hélice presenta dos hendiduras de tamaño desigual, el surco mayor y el surco menor, por las que proteínas reguladoras y enzimas pueden acceder al interior y reconocer secuencias específicas sin necesidad de desenrollar la molécula. Esta es la conformación llamada B-DNA, la más frecuente en condiciones fisiológicas; existen otras conformaciones alternativas como el A-DNA, más compacto y menos hidratado, y el Z-DNA, levógiro en lugar de dextrógiro.

Empaquetamiento: del nucleótido al cromosoma

El ADN del genoma humano, completamente desplegado, mediría aproximadamente dos metros. Hace falta meterlo en un núcleo celular de unos seis micrómetros de diámetro: cien mil veces menos. La célula resuelve el problema con un sistema de empaquetamiento jerárquico de eficacia notable.

El primer nivel lo proporcionan las histonas, proteínas básicas que actúan como carretes. Un segmento de 147 pares de bases se enrolla en torno a un octámero de histonas y forma una estructura discoidal llamada nucleosoma, visible al microscopio electrónico como un «collar de cuentas». Los nucleosomas, a su vez, se compactan en fibras de 30 nanómetros, y estas se pliegan sucesivamente en estructuras de orden mayor hasta dar lugar a la cromatina que llena el núcleo en interfase. Durante la división celular la compactación alcanza su máximo: la cromatina se condensa por completo y aparecen los cromosomas visibles al microscopio óptico, cada uno con su centrómero y sus telómeros en los extremos.

El número de cromosomas varía según las especies. La humana tiene 23 pares: 22 pares de autosomas y un par de cromosomas sexuales (XX en mujeres, XY en hombres). El conjunto se denomina cariotipo y constituye una de las herramientas clásicas de la citogenética. Las regiones del cromosoma reciben nombres convencionales: cada cromosoma tiene un brazo corto (p) y uno largo (q), y se localizan posiciones concretas mediante coordenadas que dan lugar al concepto de locus.

ADN nuclear y ADN mitocondrial

En las células eucariotas conviven dos genomas distintos. El nuclear, mayoritario y lineal, lleva la mayor parte de la información genética del organismo y se hereda por igual del padre y de la madre. El mitocondrial es mucho más pequeño y peculiar.

El ADN mitocondrial humano consiste en una molécula circular de unos 16.569 pares de bases, organización muy similar a la de los cromosomas bacterianos, lo que apoya la teoría endosimbiótica del origen de las mitocondrias como procariotas ancestrales incorporados a la célula eucariota. Codifica 37 genes —entre ellos, varias subunidades de la cadena respiratoria mitocondrial—. Hay varias copias de este ADN en cada mitocondria y cientos o miles de mitocondrias por célula, según el tipo celular.

La herencia del ADN mitocondrial sigue una regla peculiar: pasa exclusivamente por vía materna. El óvulo aporta el citoplasma —y, por tanto, las mitocondrias— al cigoto, mientras que las mitocondrias del espermatozoide se eliminan tras la fecundación por mecanismos celulares específicos. Esta línea materna sin recombinación convierte al ADN mitocondrial en una herramienta valiosa para estudios de filogenética humana y de identificación forense, ámbitos en los que se utiliza con regularidad.

Función biológica: soporte de la información genética

La información que el ADN almacena se organiza en unidades funcionales llamadas genes. Un gen es, en sentido amplio, una secuencia de ADN que contiene las instrucciones para producir un producto funcional: la mayoría codifican proteínas, pero algunos codifican moléculas de ARN no traducido con funciones estructurales o reguladoras. El genoma humano contiene unos 20.000 genes codificantes de proteínas, una cifra sorprendentemente similar a la de organismos mucho menos complejos —el gusano Caenorhabditis elegans tiene unos 19.000—. La complejidad biológica no depende tanto del número de genes como del modo en que se regulan y combinan.

Solo entre el 1 y el 2 % del genoma humano codifica directamente proteínas. El resto, durante años denominado erróneamente «ADN basura», contiene regiones reguladoras, secuencias estructurales, ADN repetitivo, restos de virus integrados y un conjunto amplio de elementos cuya función se ha ido caracterizando en las últimas décadas. La idea actual es que la mayoría del genoma cumple alguna función, aunque no codifique proteínas.

El flujo de información desde el ADN hasta la función celular se ajusta a un esquema clásico, conocido como dogma central de la biología molecular: el ADN se copia en ARN mediante transcripción y el ARN mensajero resultante se descifra en una secuencia de aminoácidos mediante traducción. La transcriptasa inversa de los retrovirus rompe esta regla copiando ARN en ADN, y hoy se conocen otros casos que la matizan, pero el esquema básico sigue siendo válido. El conjunto de la información hereditaria de un individuo, su genotipo, contribuye junto a los factores ambientales al conjunto de rasgos observables del organismo, el fenotipo. Las variantes alternativas de un mismo gen reciben el nombre de alelos, y los cambios permanentes en la secuencia se denominan mutaciones.

Antes de que un linaje celular se divida en dos, debe duplicar su ADN entero para que cada célula hija reciba una copia íntegra. El proceso se llama replicación y es semiconservativo: cada hebra de la doble hélice original sirve de molde para la síntesis de una hebra nueva, de modo que cada molécula hija contiene una hebra parental y una recién sintetizada. La replicación está catalizada por las ADN polimerasas y se desarrolla con una fidelidad extraordinaria: en el genoma humano, el error medio es del orden de un nucleótido mal incorporado por cada mil millones, gracias a un sistema doble de corrección de pruebas durante la propia síntesis y de reparación posterior.

El descubrimiento de la estructura, entre 1944 y 1953

Cuando Friedrich Miescher aisló la nucleína en 1869 nadie sospechaba su importancia. Durante más de setenta años se consideró que el material hereditario debía ser proteico: las proteínas, con sus veinte aminoácidos diferentes, parecían la única molécula con suficiente variedad química para portar la información genética. El ADN, con solo cuatro bases, se consideraba demasiado monótono. La hipótesis del tetranucleótido formulada por Phoebus Levene en los años veinte —que erróneamente proponía repeticiones uniformes de las cuatro bases en proporción fija— reforzó durante décadas esa idea.

Hubo que esperar a 1944 para el primer giro. Oswald Avery, Colin MacLeod y Maclyn McCarty, en el Instituto Rockefeller de Nueva York, publicaron un trabajo experimental sobre el «principio transformante» que Frederick Griffith había descrito en 1928: la capacidad de una cepa muerta de Streptococcus pneumoniae para transformar genéticamente a otra cepa viva. Avery y sus colaboradores purificaron el principio transformante eliminando uno por uno proteínas, lípidos y ARN, y demostraron que la actividad residía en el ADN. El paper, publicado en el Journal of Experimental Medicine, abrió una vía nueva, pero recibió una acogida escéptica. Muchos siguieron creyendo en las proteínas.

En 1950, el bioquímico austriaco-estadounidense Erwin Chargaff publicó dos hallazgos que después se conocerían como reglas de Chargaff. El primero: en cualquier ADN, la cantidad de adenina es igual a la de timina y la de guanina es igual a la de citosina. El segundo: las proporciones varían entre especies, lo que demolía la hipótesis del tetranucleótido y demostraba que el ADN tenía la diversidad de composición que se le venía negando. Los resultados de Chargaff —desairados durante años por Levene y sus seguidores— acabarían siendo decisivos.

La confirmación experimental definitiva llegó en 1952. Alfred Hershey y Martha Chase infectaron bacterias con bacteriófagos T2 marcados radiactivamente —el azufre 35 marcaba las proteínas de la cápsida y el fósforo 32 marcaba el ADN del interior— y demostraron que era el ADN, y no la proteína, lo que penetraba en la bacteria e iniciaba la producción de nuevos fagos. Cualquier duda razonable sobre el material hereditario quedaba descartada.

Mientras tanto, en el King's College de Londres, Rosalind Franklin y su estudiante Raymond Gosling perfeccionaban la difracción de rayos X aplicada al ADN. En mayo de 1952 obtuvieron la imagen conocida como Fotografía 51, un patrón cruzado de manchas que era prácticamente una huella dactilar de la estructura helicoidal y del que se podían deducir las dimensiones precisas de la molécula. Franklin trabajaba metódicamente, sin precipitarse a publicar conclusiones sin acabar de cuantificar. Un colega del mismo departamento, Maurice Wilkins, mostró la Fotografía 51 sin permiso de Franklin a James Watson, un joven biólogo estadounidense que trabajaba en Cambridge con el físico británico Francis Crick.

A partir de la fotografía, de las reglas de Chargaff y de modelos atómicos hechos a mano con piezas metálicas, James Watson y Francis Crick dedujeron la estructura en doble hélice y la publicaron en Nature el 25 de abril de 1953 en un artículo de poco más de una página. En el mismo número de la revista aparecieron dos trabajos experimentales firmados por Wilkins y por Franklin, que daban respaldo cristalográfico al modelo. La frase final del artículo de Watson y Crick es famosa por su contención: «No hemos pasado por alto que el apareamiento específico que postulamos sugiere de inmediato un posible mecanismo de copia para el material genético». Era la idea de la replicación semiconservativa, demostrada experimentalmente cinco años después por Meselson y Stahl.

El premio Nobel de Fisiología o Medicina de 1962 se concedió conjuntamente a Watson, Crick y Wilkins. Rosalind Franklin no figuró entre los galardonados: había muerto en 1958, a los 37 años, a causa de un cáncer de ovario, y las reglas del comité Nobel no contemplan premios póstumos. La revaluación histórica de su contribución y, en general, el examen crítico del modo en que se hicieron y publicaron aquellas conclusiones ocupan desde entonces a historiadores de la ciencia.

Preguntas frecuentes

¿Cuánto ADN tiene una célula humana?

Una célula somática humana contiene aproximadamente 3.200 millones de pares de bases de ADN nuclear, repartidos en 23 pares de cromosomas. Si una sola molécula de ADN del genoma humano se desplegara completamente extendida, mediría alrededor de dos metros. La célula la empaqueta en un núcleo de seis micrómetros de diámetro gracias a un sistema jerárquico de plegamiento sobre histonas y compactación sucesiva de la cromatina. Las células germinales contienen la mitad: 23 cromosomas únicos, no pareados.

¿Por qué el ADN tiene forma de doble hélice?

Es una solución geométrica a un problema químico. El esqueleto de azúcar-fosfato es muy polar y se «quiere» en contacto con el agua; las bases nitrogenadas son hidrofóbicas y prefieren rehuirla. Una hélice con el esqueleto hacia fuera y las bases apiladas hacia dentro resuelve ambas exigencias y, además, permite que cada base se aparee con la complementaria de la otra hebra mediante puentes de hidrógeno específicos. La forma helicoidal también facilita el empaquetamiento en un volumen reducido y la lectura de la secuencia por las proteínas reguladoras a través de los surcos mayor y menor.

¿En qué se diferencia el ADN del ARN?

En dos detalles químicos y en su comportamiento celular. El azúcar del ARN es la ribosa, que tiene un grupo hidroxilo en el carbono 2'; el del ADN es la desoxirribosa, que no lo tiene. Y la base timina del ADN aparece sustituida por uracilo en el ARN. Funcionalmente, el ADN actúa como archivo estable de información a largo plazo y el ARN cumple funciones más diversas y más transitorias: lleva mensajes desde el ADN hasta los ribosomas (ARN mensajero), forma parte de la maquinaria de síntesis proteica (ARN ribosómico y ARN de transferencia) y regula la expresión génica. La entrada del ácido ribonucleico desarrolla en detalle el conjunto de funciones del ARN.

¿Todas las células del cuerpo tienen el mismo ADN?

Esencialmente sí, con tres matices importantes. Las células germinales —óvulos y espermatozoides— tienen la mitad del ADN, porque son haploides. Los linfocitos B y T reorganizan partes de su genoma durante su maduración para generar la enorme diversidad de receptores antigénicos del sistema inmunitario, por lo que su ADN difiere ligeramente del de cualquier otra célula del cuerpo. Y a lo largo de la vida se acumulan mutaciones somáticas en cualquier tipo celular, que introducen pequeñas diferencias entre células de un mismo individuo. Pero, en términos generales, la secuencia es la misma en cualquier célula somática: lo que cambia entre tipos celulares es qué genes están activos y cuáles no.

¿Quién descubrió el ADN?

La pregunta es ambigua y conviene desdoblarla. El descubrimiento de la molécula en sí, como sustancia química aislada del núcleo celular, lo hizo el médico suizo Friedrich Miescher en 1869. Que esa molécula era el material hereditario lo demostraron Avery, MacLeod y McCarty en 1944, confirmado por Hershey y Chase en 1952. La estructura tridimensional en doble hélice la dedujeron Watson y Crick en 1953 a partir, sobre todo, de los datos cristalográficos de Rosalind Franklin. El Nobel de 1962 reconoció a Watson, Crick y Wilkins; Franklin no pudo recibirlo porque había muerto en 1958.

Referencias

1. MedlinePlus. Biblioteca Nacional de Medicina de EE. UU. ¿Qué es el ADN? MedlinePlus Genetics.
2. National Human Genome Research Institute. Ácido desoxirribonucleico (ADN). Glosario hablado de términos genómicos, NIH.
3. Watson JD, Crick FHC. Molecular structure of nucleic acids: a structure for deoxyribose nucleic acid. Nature. 1953;171:737-738.
4. Avery OT, MacLeod CM, McCarty M. Studies on the chemical nature of the substance inducing transformation of pneumococcal types. Journal of Experimental Medicine. 1944;79(2):137-158.