Doble hélice

Qué es la doble hélice

La doble hélice designa la disposición geométrica que adopta el ADN en las condiciones fisiológicas de la célula. Dos cadenas polinucleotídicas se enrollan alrededor de un eje común. El esqueleto azúcar-fosfato queda por fuera, en contacto con el medio acuoso, y las bases nitrogenadas quedan apiladas en el interior, protegidas de la hidrólisis y unidas entre sí por enlaces de hidrógeno.

La palabra hélice procede del griego ἕλιξ (hélix), que significa «espiral», «bucle» o «cosa enrollada sobre sí misma». El calificativo «doble» hace referencia a las dos cadenas, no a la presencia de dos hélices independientes: se trata de una sola estructura formada por dos hebras trenzadas.

El descubrimiento de 1953

James Watson y Francis Crick publicaron el modelo en la revista Nature el 25 de abril de 1953. El artículo, de poco más de una página, describía dos cadenas helicoidales enrolladas alrededor del mismo eje, con las bases enfrentadas en pares. Un segundo trabajo, firmado por Maurice Wilkins y su equipo del King's College de Londres, y un tercero de Rosalind Franklin y Raymond Gosling, aparecían inmediatamente después con los datos de difracción de rayos X que sostenían el modelo. La imagen conocida como Foto 51, obtenida por Franklin y Gosling, mostraba con nitidez el patrón helicoidal característico. Watson, Crick y Wilkins recibieron por este trabajo el Premio Nobel de Fisiología o Medicina en 1962; Franklin, fallecida en 1958, no llegó a compartir el reconocimiento.

La frase final del artículo original de Watson y Crick pasó a la historia por su tono deliberadamente contenido: no se les había escapado que la estructura sugería un mecanismo de copia. Al separarse las dos hebras, cada una podía servir de molde para sintetizar su complementaria. La replicación semiconservadora del ADN, propuesta ese mismo año y demostrada experimentalmente por Meselson y Stahl en 1958, es consecuencia directa de la doble hélice.

Cómo se organiza la estructura

Las dos cadenas discurren en sentido antiparalelo: los extremos 5' y 3' de una hebra coinciden con los extremos 3' y 5' de la otra. Esta orientación opuesta es lo que permite que las bases se apareen correctamente.

El apareamiento sigue las reglas descritas años antes por Erwin Chargaff. La adenina se empareja siempre con la timina mediante dos enlaces de hidrógeno; la guanina con la citosina, mediante tres. La complementariedad estricta entre las dos cadenas es la base molecular de la fidelidad del copiado: cada hebra contiene, en potencia, toda la información necesaria para reconstruir la otra.

La geometría se estabiliza además por el apilamiento (stacking) entre bases contiguas, que aporta parte considerable de la energía de cohesión de la doble hélice. El apilamiento hidrófobo en el interior y los grupos fosfato cargados en el exterior configuran una molécula termodinámicamente muy estable en condiciones fisiológicas.

Las conformaciones A, B y Z

La doble hélice no adopta siempre la misma forma. Se conocen tres conformaciones principales que dependen sobre todo del grado de hidratación y de la secuencia local. La forma B, dextrógira, con unos 10,5 pares de bases por vuelta y las bases perpendiculares al eje, es la conformación mayoritaria en solución acuosa y la que corresponde al ADN en el ambiente intracelular. El A-DNA, también dextrógiro pero más ancho y más corto, aparece cuando la humedad disminuye y es la geometría típica de los dúplex ARN-ARN y ARN-ADN. El Z-DNA, en cambio, es levógiro, más estrecho, y se ha observado en tramos ricos en secuencias GC alternantes bajo tensión torsional; se le atribuye un papel regulador todavía en estudio.

Aleksandr Rich y colaboradores describieron el Z-DNA en 1979. La confirmación de que estas conformaciones minoritarias existen dentro de las células, y no solo en tubos de ensayo, ha exigido varias décadas de trabajo cristalográfico y de biología estructural.

Diferenciación con otros conceptos vecinos

ADN monocatenario. El ADN no siempre existe como doble hélice. Durante la transcripción, las hebras se separan localmente y una de ellas queda expuesta como molde para el ARN. Algunos virus, como los parvovirus, tienen genomas de ADN de una sola cadena.

Doble cadena en ARN. El ARN es habitualmente monocatenario, pero puede plegarse sobre sí mismo y formar tramos dúplex intramoleculares. Los dúplex ARN-ARN adoptan una geometría de tipo A, no la forma B del ADN.

Cromatina. Dentro del núcleo, la doble hélice no está desnuda: se enrolla alrededor de octámeros de histonas para formar nucleosomas y estos, a su vez, se organizan en fibras de orden superior. El cromosoma es el resultado final de esa compactación durante la mitosis.

Preguntas frecuentes

¿De dónde viene la palabra hélice?

Del griego ἕλιξ (hélix), «espiral, cosa enrollada». La misma raíz aparece en términos anatómicos como hélix (el reborde curvo de la oreja) y en el nombre del caracol Helix. En biología molecular la voz se ha especializado para describir estructuras trenzadas, ya sean de ADN, de ARN o de proteínas (la alfa-hélice de Pauling).

¿Descubrieron Watson y Crick el ADN?

No. El ADN había sido aislado por Friedrich Miescher en 1869, casi un siglo antes. Lo que Watson y Crick propusieron en 1953 fue su estructura tridimensional. La demostración de que el ADN, y no las proteínas, era el soporte químico de la herencia se debe al experimento de Avery, MacLeod y McCarty de 1944 y al de Hershey y Chase de 1952.

¿Por qué se dice que la doble hélice explica la herencia?

Porque su geometría contiene la solución al problema de la copia. Las bases se aparean de forma complementaria y estricta; al separarse las dos hebras, cada una sirve de molde para reconstruir la otra. La información pasa de una célula a sus dos células hijas sin necesidad de un mecanismo añadido: está en la estructura misma.

¿Cuál fue el papel de Rosalind Franklin?

Central. Sus imágenes de difracción de rayos X del ADN en su forma B, obtenidas junto a Raymond Gosling en el King's College de Londres, aportaron los datos experimentales que permitieron a Watson y Crick calcular la geometría exacta del modelo. La llamada Foto 51 mostraba con claridad el patrón cruciforme característico de una hélice y las dimensiones aproximadas de una vuelta. Franklin falleció en 1958, cuatro años antes del Nobel, que no se otorga póstumamente.

¿Existen hélices triples o cuádruples?

Sí, aunque son estructuras minoritarias y locales. Se han descrito triples hélices en secuencias ricas en purinas y pirimidinas alternadas, y estructuras de cuatro cadenas llamadas G-quadruplex en regiones ricas en guanina, muy abundantes en los telómeros y en los promotores de algunos oncogenes. La doble hélice sigue siendo, con mucho, la conformación mayoritaria del genoma.

Referencias

1. National Human Genome Research Institute. Doble hélice. Glosario de genética.
2. National Library of Medicine. The Discovery of the Double Helix, 1951-1953. Profiles in Science.
3. Watson JD, Crick FHC. Molecular Structure of Nucleic Acids: A Structure for Deoxyribose Nucleic Acid. Nature.
4. Real Academia Nacional de Medicina de España. Hélice. Diccionario de términos médicos.