Ácidos nucleicos 3 - ADN (soluciones)

1.- ¿Qué es el ADN? Indique la composición de los monómeros y nómbrelos.

El ADN es el ácido desoxirribonucleico, que se puede definir como un biopolímero formado por unidades repetitivas o monómeros, que se llaman desoxirribonucleótidos y se componen de un grupo fosfato (P), desoxirribosa (dR) y una base nitrogenada: adenina, guanina, citosina o timina (falta el uracilo, que es propio del ARN). 

Desoxirribonucleótido = fosfato + desoxirribosa + base (A,G,C,T). 

Son propios del ADN los siguientes nucleótidos: 

Desoxiadenosina monofosfato (dAMP). Composición: P-dR-A. 

Desoxiguanosina monofosfato (dGMP). Composición: P-dR-G. 

Desoxicitidina monofosfato (dCMP). Composición: P-dR-C.

Desoxitimidina monofosfato (dTMP). Composición: P-dR-T.

He aquí la fórmula de uno de ellos (dTMP):

2.- ¿Cómo se unen entre sí los nucleótidos en el ADN?

La cadena polinucleotídica se forma mediante enlaces 3’- 5’ fosfodiéster. El fosfato de la posición 5’ esterifica la posición 3’ del nucleótido precedente.

3.- ¿Cómo es la polaridad en la doble cadena del ADN?

Ambas cadenas permanecen unidas gracias a los enlaces  de hidrógeno que se establecen entre las bases y presentan una polaridad opuesta. Por esta razón se dice que son antiparalelas, disposición obligada por la diferente orientación de la desoxirribosa. De manera esquemática y plana:

4.- ¿Cuáles son las características más importantes del ADN?

Se descubrió que, espacialmente, las dos cadenas antiparalelas de ADN forman una doble hélice, estabilizada mediante los puentes de hidrógeno que se forman entre los pares adenina-timina y guanina-citosina, conformando un surco mayor y otro menor.

La anchura o diámetro de la doble hélice es 2 nm y describe un giro completo, esto es, un paso, cada 3,4 nm. Las bases nitrogenadas se orientan de modo casi perpendicular al eje de la  hélice y hay 10 pares de ellas por vuelta completa o paso, de lo que se deduce que la elevación o distancia entre cada par consecutivo de bases es 0,34 nm.

5.- ¿Cómo se representa el ADN de manera abreviada?

Según la pregunta nº 1, los monómeros de ADN son los formados por fosfato (P), desoxirribosa (dR) y una de estas bases: adenina, guanina, citosina o timina.

P-dR-A = desoxiadenosina monofosfato (dAMP)

P-dR-G = desoxiguanosina monofosfato (dGMP)

P-dR-C = desoxicitidina monofosfato (dCMP)

P-dR-T = desoxitimidina monofosfato (dTMP)

Dada la complejidad de las fórmulas, lo usual para abreviar es omitirlas, prescindir de la parte común o esqueleto (P-dR) y escribir únicamente la inicial de la base integrante del nucleótido (A, G, C, T). Además, se debe indicar la polaridad antiparalela y cumplir la complementariedad de los pares AT y GC de ambas cadenas. Por ejemplo:

O bien, obviando los guiones entre los nucleótidos, resulta:

6.- Observe la “escalera de caracol” adjunta. Identifique los componentes de las barandillas y de los peldaños. ¿Qué tipos de enlace distingue?

En el ADN, cada barandilla está formada por la alternancia del azúcar desoxirribosa y del grupo fosfato. Los peldaños corresponden a los pares de bases nitrogenadas: adenina con timina y guanina con citosina. La elevación entre dos peldaños consecutivos es 0,34 nm.

Se observan los enlaces propios de un polinucleótido. Entre el fosfato y la desoxirribosa, enlace fosfoéster, y entre esta pentosa y la base, enlace N-glucosídico. Los nucleótidos están unidos mediante enlace fosfodiéster.

En el caso del ADN hay que considerar, además, que las dos cadenas polinucleotídicas están estabilizadas por los enlaces por puente de hidrógeno que se establecen entre las bases, dos en el par A-T y tres en el G-C.

7.- ¿Cuántos enlaces por puente de hidrógeno (pph) se establecen entre las bases nitrogenadas?

En condiciones fisiológicas se forman dos enlaces pph entre la adenina y la timina, y tres, entre la guanina y la citosina. Esto hay que tenerlo siempre presente, pues lo usual es abreviar y poner sólo un guión entre las iniciales, A-T y G-C, en lugar de A=T y G≡C.

Ejemplo, G≡C:

 8.- ¿Por qué no se forma un tercer puente de hidrógeno entre los átomos de O y de H unidos a la posición 2 de la timina y la adenina, respectivamente?

Las bases nitrogenadas tienen átomos muy electronegativos (O, N), por lo que existe una atracción desigual de los electrones de la molécula, razón por la cual se forman dipolos que permiten establecer  enlaces por puente de hidrógeno (pph). Este tipo de enlace se da cuando hay interacción electrostática mediando un átomo de hidrógeno, por ejemplo: ⁺C–O^-..…⁺H–N^-.

Necesariamente el H debe presentar una fracción de carga + para que tenga lugar dicha interacción, que se manifiesta en  distancias pequeñísimas, en torno a 3 Å (0,3 nm) como máximo.

Aunque la distancia interatómica sea ligerísimamente distinta, la clave está en el H unido al C₂ de la adenina: el enlace C–H no es polar. Así, pues, el H carece de la preceptiva densidad de carga positiva para interaccionar con la negativa del O unido al C₂ de la timina.

9.- ¿Cuándo se publicó por primera vez el modelo de la doble hélice del ADN?

El modelo de la doble hélice del ADN fue publicado por Watson y  Crick en la revista Nature  el 25 de abril de 1953, hecho que supuso el comienzo de una  etapa muy fructífera no sólo en la biología molecular sino en casi todas las ramas de la biología.

El artículo, que ocupó una sola página, iba con uno de Maurice Wilkins y otro de Rosalind Franklin, con análisis cristalográficos e imágenes de difracción de rayos X, que  confirmaban el modelo  propuesto por Watson y Crick.

En 1962 Crick, Watson y Wilkins fueron galardonados con el Premio Nobel de Fisiología y Medicina (Rosalind había muerto prematuramente en 1958, sin llegar a cumplir los 38 años, de cáncer de ovarios). He aquí sus fotos, tomadas de “Nobelprize.org”:

 10.- ¿Cuáles fueron las fuentes principales utilizadas por Watson y Crick para construir su modelo de ADN?

Fundamentalmente se basaron en las reglas de Chargaff y en los análisis de las imágenes de difracción de rayos X que realizaron Wilkins y Franklin. Los difractogramas sugerían una estructura helicoidal.

Erwin Chargaff analizó el ADN de distintos organismos y descubrió que eran prácticamente iguales las proporciones de adenina y timina, así como las de guanina y citosina. Es decir:

[A] = [T] y [G] = [C]. De lo cual se deduce que [A+G] = [T+C], esto es, [purinas] = [pirimidinas].

Deducir los puentes de hidrógeno que se establecían entre las bases complementarias, observando las reglas de Chargaff, fue un importante escollo que debieron resolver para finalizar el modelo de la doble hélice del ADN.

11.- ¿Qué se entiende por tautomería “ceto-enólica” de las bases nitrogenadas?

Tautómeros son aquellos isómeros que se diferencian sólo en la posición de un grupo funcional. Las purinas o pirimidinas con sustituyentes –OH (o sea: G, C, T, U), pueden existir en formas tautoméricas, enol y ceto, caracterizadas por la migración de los electrones por los dobles enlaces conjugados, estableciéndose un  equilibrio entre ambas. Tomando como ejemplo el uracilo se observa el cambio de posición de dos H:

Watson y Crick, asesorados por químicos estructurales, postularon que las formas “ceto” posibilitaban el emparejamiento de las bases mediante puentes de hidrógeno, A con T y G con C, logrando así que el  modelo de la doble hélice del ADN fuera correcto.

12.- Busque información y alguna imagen en Internet para redactar de manera resumida la historia del descubrimiento.

(Respuesta muy abierta). Por ejemplo:

Watson y Crick pretendían construir un modelo con varillas y chapas metálicas. Tras una serie de intentos fallidos, interpretaron que en la doble hélice el emparejamiento de bases tendría que ser purina-pirimidina.

El mecano  tridimensional estaba atascado hasta que Watson, advertido de que las bases habrían de estar en forma “ceto” para formar puentes de hidrógeno (ver pregunta anterior), estuvo tanteando las posiciones con las plantillas y observó que los emparejamientos A-T y G-C eran posibles. Esta observación, además de cumplir las reglas de Chargaff, permitía explicar que la  anchura de la doble hélice en los difractogramas de rayos X fuera la misma. Al llegar al laboratorio Crick estuvo de acuerdo con los planteamientos de su compañero.

Posteriormente comprobaron que era preciso invertir una cadena respecto a la otra, o sea, cambiar su polaridad, para que los ángulos de los enlaces y las distancias interatómicas del mecano molecular fueran correctos. En otras palabras: para que encajaran bien todos  los componentes, las dos cadenas tenían que ser antiparalelas. La doble hélice construida daba una vuelta completa con diez pares de nucleótidos.

Ambos interpretaron que, por fin, el modelo construido era absolutamente coherente. Decidieron publicar  el hallazgo cuanto antes, pues sospechaban que el eminente bioquímico Linus Pauling podría estar muy cerca de lograr el descubrimiento.

El modelo de la doble hélice del ADN fue publicado por Watson y  Crick en la revista Nature  el 25 de abril de 1953, junto a sendos artículos de Wilkins y Franklin sobre aspectos cristalográficos complementarios.

13.- ¿Qué entiende por estructura primaria del ADN? Ponga un ejemplo.

La estructura primaria es característica de cada ADN y está definida por la secuencia, es decir por el orden de los nucleótidos en la cadena, los cuales se hallan unidos mediante enlaces fosfodiéster.

Debe tenerse en cuenta la complementariedad de las bases, la polaridad y el carácter antiparalelo. El inicio de las cadenas corresponde al extremo 5’.

Ejemplo:

          5’ - C - A - G - T - T - G - G - 3’

          3’ - G - T - C - A - A - C - C - 5’

En este ejemplo el 2º nucleótido de la cadena superior es A (desoxiadenosín monofosfato) y está emparejado con el 6º de su complementaria (T, desoxitimidina monofosfato).

14.- Dado el siguiente tetranucleótido, obtenga tres secuencias diferentes cambiando sólo un par de bases en cada ocasión.

15.- ¿Cuántos enlaces de H presentaría la cadena adjunta? ¿Cuál es su longitud? ¿Cuál es la carga eléctrica y qué aplicación deriva de la misma?

                            5’ - G - G - C - A - A - T - C - 3’

                            3’ - C - C - G - T - T - A - G - 5’

Recordemos que se establecen dos puentes entre cada par AT (A=T) y tres entre cada GC (G≡C). Como hay 3 pares AT y 4 pares GC, se formarían 18 puentes de H (6 + 12).

La elevación o distancia entre pares consecutivos es 0,34 nm. Como hay 7 pares, la longitud de ese corto segmento de ADN sería 7 x 0,34 nm = 2,38 nm.

Cada nucleótido proporciona una carga electronegativa debida al grupo fosfato (ver el esquema de la pregunta nº 18). Como hay 7 pares, la carga sería 14 -.

La carga eléctrica es el fundamento de las técnicas de electroforesis. Es negativa en el caso de los grupos fosfato, de forma que cuando se aplica un campo eléctrico los fragmentos de ADN migrarán hacia el polo positivo a una velocidad dependiente de su tamaño y de su carga neta.

16.- ¿Cuál es la longitud de un ADN formado por 200 pb (pares de bases)? ¿Cuántas vueltas de hélice presentaría? ¿Cuántos puentes de hidrógeno se establecerían?

La separación entre cada par de bases es 0,34 nm. Por consiguiente: 200 x 0,34 nm = 68 nm.

Hay 10 pares de bases en cada vuelta de hélice, por lo que resultan 20 vueltas (200/10).

El número de puentes de hidrógeno no se puede saber con precisión, pero oscilaría entre 400, si los 200 pares de bases fueran A-T, y 600, si todos esos pares fueran G-C.

17.- ¿Cuánto mide un ADN de 5 kb (1kb = 10³ pb)?¿Cuántas vueltas de hélice presenta?

Mide: 5000 x 0,34 nm = 1700 nm.

Dividiendo 5000 entre 10 resultan 500 vueltas.

18.- ¿Qué entiende por estructura secundaria del ADN?

Consiste en la asociación de dos cadenas distintas y complementarias de polinucleótidos, que se estabilizan gracias a los enlaces por puente de hidrógeno que se forman entre los pares de bases A - T y G - C, constituyendo una estructura espacial en doble hélice, observándose un surco mayor y otro menor.

Modelo  de bolas de la doble hélice de ADN

No obstante lo anterior, con objeto de lograr que la claridad expositiva  sea máxima y que se observen bien detallados todos los componentes, incluyendo los puentes de hidrógeno, algunos libros la representan también plana:

Biología 2 McGraw-Hill (2001)

19.- Interprete el esquema y ponga nombre a las partes numeradas. Si una larga biomolécula similar a la adjunta tiene  un 30 % de A, ¿podría deducir los porcentajes de las bases restantes?

El esquema representa un corto fragmento de la doble cadena de ADN, aunque en la izquierda falta una parte del eje o “esqueleto” pentosa-fosfato.

Dado que hay un 30 % de adenina y ésta se empareja con la timina, habría otro 30 % de T.  La guanina se empareja con la citosina, por lo que del 40 % restante corresponde un 20 % a la G y otro 20 % a la C.

20.- ¿Qué representa la figura adjunta? Nombre las partes numeradas.

Se trata de una representación plana de la doble cadena de ADN. Se observa que hay tres pares completos  de nucleótidos y que las cadenas tienen polaridad opuesta (son antiparalelas). 

1 = grupo fosfato. 2 = desoxirribosa (dR). 3 = base purínica (guanina, por establecer 3 enlaces pph). 4 = enlace N-glucosídico.   5 = enlace 3’ fosfoéster. 6 = enlace 3’-5’ fosfodiéster. 7 = base pirimidínica (citosina, por formar 3 enlaces pph). 8 = base pirimidínica (timina, por formar 2 enlaces pph). 9 = enlace por puente de hidrógeno (pph). 10 = base purínica (adenina, que forma 2 enlaces pph con la timina).

21.- Dado el siguiente par de nucleótidos, nombre las partes numeradas con la mayor precisión.

1 = grupo fosfato. 2 = enlace 5’ fosfoéster. 3 = citosina (base pirimidínica). 4 = enlace por puente de hidrógeno, observándose los 3 propios del par C-G. 5 = guanina (base purínica). 6 = desoxirribosa. 7= enlace N-glucosídico (entre las posiciones 1’ de la pentosa y 1 de la base). 8= enlace N-glucosídico (entre las posiciones 1’ y 9). 9 = enlace 3’ fosfoéster. 

22.- ¿Qué significa desnaturalización y renaturalización del ADN?

Las dos cadenas del ADN se hallan unidas gracias al conjunto de puentes de hidrógeno establecidos. Al tratarse de uniones no covalentes, el aumento del pH o incremento de la temperatura por encima de los 80 - 90 ºC provoca la rotura de dichos puentes y las cadenas se separan (desnaturalización).

La desnaturalización tiene carácter reversible y, cuando se dejan bajar las temperaturas, se van formando de nuevo los puentes de hidrógeno entre las cadenas complementarias y el ADN recupera su estado nativo (renaturalización).

La temperatura a la que ocurre esta renaturalización es dependiente de varios factores, como la composición en bases del genoma (a mayor contenido en G+C, mayor temperatura de renaturalización) o la composición del mismo (las secuencias repetidas renaturalizan antes que las secuencias sencillas).

23.- ¿Qué tipos de bases nitrogenadas predominarán en el ADN de las bacterias que viven en las aguas termales.

Al analizar su ADN cabe esperar un predominio de G+C, dado que entre ese par de bases se forman 3 puentes de H, circunstancia que permite al ADN resistir mejor las altas temperaturas sin desnaturalizarse.

24.- ¿Qué entiende por estructura terciaria del ADN?

Este nivel estructural se refiere a los plegamientos tridimensionales de mayor complejidad que la doble hélice. Se trata de estructuras espaciales muy complejas, considerando las sucesivas fases que experimenta el enrollamiento de la cromatina durante el ciclo celular, hasta alcanzar su máximo grado de empaquetamiento en el cromosoma metafásico.

25.- ¿Es siempre de doble cadena el ADN presente en los seres vivos?

En las células eucariotas la mayor parte del ADN está contenido en el núcleo, concretamente en los cromosomas, y este ADN es  bicatenario y lineal. En mitocondrias y cloroplastos el ADN es circular y de doble cadena.

En las bacterias el ADN es bicatenario y circular.

En los virus existen genomas de ARN, lineal, de cadena sencilla o doble, y de ADN, mono o bicatenario, lineal o circular. 

26.- ¿Qué diferencias hay entre las formas A y B del ADN?

La estructura descrita por Watson y Crick corresponde a la forma B, que es la más abundante en la naturaleza.

El ADN-B presenta las siguientes características: cada vuelta de hélice, o paso, mide 3’4 nm y contiene 10 pares de nucleótidos (cuyas bases se disponen casi perpendicularmente al eje de la hélice); la anchura o diámetro de la doble hélice mide 2 nm.

 El difractograma del ADN-B es distinto del de la forma A.

ADN-B

ADN-A

La forma A, de mayor anchura, no existe en condiciones fisiológicas y se obtuvo en el laboratorio por deshidratación de la B (la doble hélice de ADN hibridado con ARN adopta la forma A). Las bases complementarias se disponen en planos inclinados unos 20º respecto al eje de la hélice. Presenta 11 pares de nucleótidos por vuelta y un paso de 2’53 nm; la anchura o diámetro mide 2’55 nm

27.- ¿Qué es el ADN-Z?

Suelen considerarse tres tipos de estructura del ADN: A, B y Z. Las formas A y B son dextrógiras y la Z es la única levógira.

Biología 2 - Santillana (2000)

El ADN-Z se caracteriza por presentar un enrollamiento irregular, que provoca una disposición de los ejes fosfato-desoxirribosa en zigzag (de ahí la “Z”). El paso mide 4’56 nm y contiene 12 pares de nucleótidos; el diámetro es 1’84 nm.

El zigzagueo característico del ADN-Z se debe a la alternancia de las configuraciones anti y syn. Las purinas (A, G) son las que adoptan la configuración syn, ya que las pirimidinas (C, T) presentan un sustituyente oxo en la posición 2 (O=C₂) que interfiere espacialmente con la pentosa. (Ver las preguntas 14 y 21 de ácidos nucleicos).

El menor diámetro del ADN-Z respecto a las formas A y B es debido a que el eje o esqueleto de pentosas y fosfatos está plegado hacia las bases y no hacia el exterior.

La formación de ADN- Z está relacionada con el control de la expresión de los genes. Por ejemplo, al quedar modificada la geometría espacial de la región del promotor se impide la unión con la ARN polimerasa y no hay transcripción.

28.- Lectura recomendada.

James Watson. La doble hélice. Alianza Editorial.

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