Historia del desarrollo del modelo espacial
El famoso modelo de la estructura espacial del ADN fue propuesto en 1953 por el biólogo estadounidense James Watson y el investigador británico Francis Crick. Su hallazgo no surgió de la nada: los científicos se basaron en un rico conjunto de datos obtenidos por sus colegas. Un papel clave jugaron los resultados del análisis por difracción de rayos X realizado por el biofísico Maurice Wilkins y la cristalógrafa Rosalind Franklin.
El concepto propuesto de la doble hélice se convirtió en un verdadero avance en la biología molecular. Por primera vez permitió dar una explicación química clara a las propiedades biológicas más importantes de los ácidos nucleicos: la capacidad de codificar información genética y el proceso de replicación (duplicación).
Principios fundamentales de la organización de la doble hélice
La estructura se basa en dos cadenas polinucleotídicas. El modelo de Watson y Crick describe la forma $\beta$ clásica de la molécula, que se caracteriza por los siguientes principios:
- Espiralización. Ambas cadenas están enrolladas en una doble hélice alrededor de un eje central único.
- Dirección de las vueltas. La hélice es dextrógira. Si se observa a lo largo del eje central de la molécula, las vueltas de las cadenas siguen estrictamente el sentido de las agujas del reloj.
- Antiparalelismo. Los filamentos polinucleotídicos se dirigen en sentidos opuestos. Esto significa que el extremo 5' de una cadena se ubica de forma especular frente al extremo 3' de la segunda cadena.
- Orientación de los nucleótidos. Cada nucleótido individual se encuentra en un plano estrictamente perpendicular al eje central de la hélice.
- Presencia de surcos. En la estructura tridimensional de la molécula enrollada se distinguen claramente dos depresiones: el surco mayor y el surco menor.
Complementariedad y puentes de hidrógeno
Las dos cadenas antiparalelas están firmemente unidas entre sí por puentes de hidrógeno. Estos enlaces no se forman de manera caótica, sino estrictamente entre bases nitrogenadas pertenecientes a distintas cadenas. La interacción entre las bases posee una especificidad altísima y obedece al principio de complementariedad.
Bases físico-químicas del apareamiento:
- Pares A=T (adenina y timina) forman exactamente dos puentes de hidrógeno entre sí.
- Pares G≡C (guanina y citosina) se unen con mayor fuerza, mediante tres puentes de hidrógeno.
Gracias a la estricta complementariedad, la secuencia de nucleótidos de una cadena determina inequívocamente la secuencia de la segunda. Esta propiedad asegura la función molde del ADN: al desenrollarse la hélice, cada cadena individual actúa como un molde listo sobre el cual se sintetiza una nueva cadena completamente complementaria a ella.
Parámetros métricos de la molécula
La doble hélice posee características geométricas estrictas e invariables. El estudio de su estructura permitió deducir los siguientes parámetros métricos:
- Distancia entre nucleótidos adyacentes: es de 0,34 nm.
- Una vuelta completa de la hélice: equivale a 3,4 nm. A lo largo de una vuelta se disponen exactamente 10 nucleótidos.
- Diámetro de la molécula: es estable e igual a 2 nm en toda su longitud.
Una consecuencia interesante de su estructura química: las regiones de ADN ricas en pares A=T son considerablemente más fáciles de separar en sus cadenas (proceso de desnaturalización). Dado que dos puentes de hidrógeno son más fáciles de romper que tres, precisamente estas regiones ricas en A=T sirven en la mayoría de los casos como puntos de inicio de la replicación (origins of replication).
En resumen: respuestas a preguntas sobre el tema
¿Mediante qué enlaces químicos se unen los nucleótidos dentro de una misma cadena polinucleotídica de ADN?
Los nucleótidos dentro de una misma cadena polinucleotídica de ADN se unen mediante enlaces fosfodiéster covalentes. Estos enlaces forman el esqueleto (armazón) desoxirribosa-fosfato de la cadena polinucleotídica, que consiste en residuos alternantes de desoxirribosa y fosfatos, y se sitúa en el exterior de la doble hélice.
Mecanismo de formación del esqueleto:
- Enlace fosfodiéster: el grupo fosfato en el átomo de carbono en posición $5'$ de un anillo se une al átomo de carbono en posición $3'$ del siguiente anillo de pentosa.
Gracias a este mecanismo, la cadena adquiere polaridad: el extremo $5'$ tiene un grupo fosfato libre y el extremo $3'$ termina con un grupo hidroxilo libre ($3'$-OH).
¿Qué bases nitrogenadas del ADN pertenecen a las purinas y cuáles a las pirimidinas?
Las bases nitrogenadas en la molécula de ADN están representadas por compuestos heterocíclicos y se dividen en purinas y pirimidinas.
- Bases púricas: tienen una estructura de dos anillos (uno hexagonal y otro pentagonal). En el ADN incluyen la adenina (A) y la guanina (G).
- Bases pirimidínicas: tienen una estructura química de un solo anillo hexagonal. En la molécula de ADN incluyen la citosina (C) y la timina (T).
Entre las bases pirimidínicas también se encuentra el uracilo (U), sin embargo, este solo se presenta formando parte del ARN, mientras que la timina es su análogo metilado y es característico del ADN.
Preguntas de clases y exámenes
¿Qué significa la antiparalelidad de las cadenas de ADN?
Es el principio de organización espacial en el cual dos cadenas polinucleotídicas corren en direcciones opuestas. Como resultado, el extremo 5' de una cadena siempre corresponde al extremo 3' de la otra.
¿En qué dirección está enrollada la hélice?
La forma beta clásica de la molécula es dextrógira. Al observarla a lo largo de su eje, las vueltas de la cadena se realizan en el sentido de las agujas del reloj.
¿Por qué los puntos de inicio de la replicación suelen estar enriquecidos en pares A=T?
Los pares adenina-timina se mantienen unidos tan solo por dos puentes de hidrógeno (mientras que los pares guanina-citosina lo hacen por tres). Las regiones con predominio de A=T están menos fuertemente unidas y se desnaturalizan (desenrollan) con mayor facilidad, lo cual es necesario para el inicio de la replicación.
¿Cuántos nucleótidos contiene una vuelta de la hélice?
Una vuelta completa de la hélice tiene una longitud de 3,4 nm y contiene exactamente 10 nucleótidos. La distancia entre nucleótidos adyacentes es de 0,34 nm.
Qué más repasar sobre el tema
- Función molde y mecanismos de replicación del ADN
- Proceso de desnaturalización y separación de las cadenas polinucleotídicas
- El papel de los surcos mayor y menor en el funcionamiento del ADN
- Métodos de difracción de rayos X en ácidos nucleicos
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