Read this post in English

La estructura del ADN explicada de una forma diferente

Vamos a emprender un viaje visual a la estructura de la cadena de la vida. En este rato vamos a dejar de lado detalles químicos, y vamos a concentrarnos en las formas de las moléculas para familiarizarnos con el ADN de forma intuitiva.

Por Alfonso Prado-Cabrero, PhD

Doble cadena de ADN

Introduccion

El ADN está compuesto de desoxirribonucleótidos. Estas moléculas con un nombre tan complicado son los ladrillos del ADN, y comprender su forma y como se unen entre ellos es la puerta de entrada a la genetica. En contraste con las explicaciones clásicas, creo que minimizar los detalles químicos y proporcionar numerosas ayudas visuales es la mejor forma de entender el ADN. Así, en este post hablo mínimamente de átomos y utilizo numerosas animaciones en 3D. Las animaciones pueden tardar un poco en cargar en tu dispositivo, pero confio en que te serán de gran ayuda.

La estructura de los desoxirribonucleótidos

Estructuralmente, podemos comparar el ADN con una escalera de caracol, donde cada desoxirribonucleótido forma parte de un segmento de la barandilla y de medio escalón. En los siguientes párrafos iras entendiendo esta analogía.

La Figura 1 muestra la desoxiadenosina monofosfato (deoxyadenosine monophosphate, dAMP), uno de los cuatro desoxirribonucleótidos que forman el ADN. Cada bola representa un átomo, cuya identidad no necesitamos conocer ahora. Solo necesitas saber que cada desoxirribonucleótido se compone de tres grupos de átomos: para empezar, los átomos verdes forman el grupo llamado 5-desoxirribosa, y los átomos naranjas forman el grupo llamado fosfato. Ambos grupos son iguales en todos los desoxirribonucleotidos, y ambos forman parte de la “barandilla” de la escalera de caracol. Los átomos azules, por su parte, forman el grupo llamado base nitrogenada. La base nitrogenada es distinta en cada desoxirribonucleotido, y constituye medio escalón de la escalera. En nuestro ejemplo, la base nitrogenada es la Adenosina.

Figura 1. Desoxiadenosina monofosfato (deoxyadenosine monophosphate, dAMP) representada como bolas (átomos) y barras (enlaces entre los átomos).

Así es como los desoxirribonucleótidos se unen entre ellos

Ahora vamos a unir tres dAMPs (Fig. 2). Juntos forman una hebra simple de ADN, y esto ya va tomando forma de “escalera de caracol”. El patrón de colores, que es el mismo que en la Fig. 1, muestra como los átomos verdes y naranjas (desoxirribosa y fosfato) forman parte de la “barandilla”, y las bases nitrogenadas forman medios escalones. Aquí no se aprecia que solo hay medio escalon, pero en la siguiente figura lo veremos claro.

Figura 2. Tres dAMPs enlazados.

Para completar la escalera de caracol añadimos la cadena complementaria (Fig. 3). ¿Te has dado cuenta de que la nueva cadena tiene las bases nitrogenadas coloreadas en azul claro? Efectivamente, las he coloreado de otro color porque estas bases nitrogenadas no son Adeninas, sino Timinas. Por tanto, estos tres desoxirribónucleotidos se llaman desoxitimidina monofosfato (deoxythymidine monophosphate, dTMP).

Otra cosa: si miras cada cadena de abajo hacia arriba, la de las bases nitrogenadas azul oscuro va amarillo-verde, amarillo-verde, amarillo verde. Si haces lo mismo con la cadena con las bases nitrogenadas azul claro, esta va verde-amarillo, verde-amarillo, verde-amarillo. Es como si fueran al contrario la una de la otra. Van en sentidos opuestos. Por eso se dice que son antiparalelas. ¿Y esto para qué sirve? Recientemente unos investigadores han sugerido que esto parece ayudar cuando el ADN se replica (se copia) (Subramanian et al., 2020).

Figura 3. Doble cadena de ADN, compuesta de 3x dAMPs y 3x dTMPs.

Ahora vamos a dar un paso atrás. En la Fig. 4 he aislado la pareja de desoxirribonucleótidos de arriba de la doble cadena de la Fig. 3.

Figura 4. dAMP y dTMP, vista lateral.

Cuatro desoxirribonucleotidos forman el ADN

Si miramos la pareja de desoxirribonucleótidos de la Fig. 4 desde arriba, y sin girar (Fig. 5), se pueden ver claramente las dos bases nitrogenadas (Adenina, azul, a la izquierda y Timina, azul claro, a la derecha). Llama la atención lo planas que son las bases nitrogenadas, ¿verdad? Ahí tienes el escalón entero.

Figura 5. dAMP y dTMP, vistas desde arriba.

Ahora vamos con esas dos líneas discontinuas. Estas líneas simbolizan los dos enlaces que mantienen unidas a la Adenina y la Timina. Estos enlaces son lo suficientemente fuertes para mantenerlas unidas, pero al mismo tiempo permiten que la doble cadena de ADN se abra y cierre como una cremallera. Estos enlaces se conocen como enlaces de hidrógeno.

En la Fig. 6 os presento a la otra pareja de desoxirribonucleótidos que forman el ADN: dGMP (con Guanina como base nitrogenada, en rojo) y dCMP (con Citosina como base nitrogenada, en rosa). Como podrás comprobar, la parte amarilla y la parte verde siguen siendo iguales que siempre.

¿Te has fijado en que la Guanina y la Citosina forman tres enlaces de hidrógeno entre si? Esta diferencia con la pareja Adenina=Timina (que solo forman dos enlaces de hidrógeno) es crucial en genética: La Adenina solo puede emparejarse con la Timina, y la Guanina solo puede emparejarse con la Citosina.

Figura 6. dGMP y dCMP, vistos desde arriba

Si A solo enlaza con T y G solo enlaza con C, podemos deducir que la secuencia de una cadena determina la secuencia de la otra cadena. Por eso se dice que ambas cadenas, además de antiparalelas, son complementarias. En la Fig. 7 puedes ver una sola cadena de ADN de 10 desoxirribonucleótidos de longitud. La variedad de colores que puedes observar se debe a la presencia de los cuatro desoxirribonucleótidos.

Figura 7. Cadena simple de ADN

Ahora añadimos la otra cadena, y así obtenemos la doble cadena de ADN, y con ello la escalera de caracol completa. ¡Pero ten cuidado, que se puede abrir por la mitad como una cremallera!

Figura 8. Doble cadena de ADN

En otro post exploraremos la estructura atómica de los desoxirribonucleótidos, y como sus enlaces internos le dan a las bases nitrogenadas su forma plana y su capacidad para establecer enlaces de hidrógeno.

Este contenido esta licenciado bajo una Creative Commons CC0 Universal Public Domain Dedication license.

Las moléculas que aparecen en este post las he construido utilizando el programa Avogadro: Hanwell, M.D., Curtis, D.E., Lonie, D.C. et al. Avogadro: an advanced semantic chemical editor, visualization, and analysis platform. J Cheminform 4, 17 (2012). doi: 10.1186/1758-2946-4-17

Estas moléculas producidas las he renderizado utilizando UCFS ChimeraX: Pettersen, EF, Goddard, TD, Huang, CC, et al. UCSF ChimeraX: Structure visualization for researchers, educators, and developers. Protein Science. 2021; 30: 70– 82. doi: 10.1002/pro.3943

Los videos creados con UCFS ChimeraX los he convertido en Gifs animados utilizando Ezgif