Ácidos Nucleicos: ADN

Características Generales

El ADN, acrónimo de ácido desoxirribonucleico, es probablemente la macromolécula más importante y que mejor caracteriza a los seres vivos. Cada ser vivo tiene su propio ADN. Éste se encarga de codificar la información sobre cómo fabricar todas las proteínas del ser vivo e incorpora los mecanismos que indican cuándo y dónde fabricarlas.

Se trata de una macromolécula extremadamente importante y por esta razón se encuentra confinada en el núcleo celular, condensada formando una especie de ovillo denso y muy largo, denominado cromatina; salvo durante la división celular, momento en el cual debe abandonar el núcleo y condensarse formando unas estructuras denominadas cromosomas, que permiten el reparto equitativo del ADN entre las células hijas.

Estructura del ADN

El ADN es una macromolécula con estructura de doble cadena conformando una doble hélice. Tratemos de explicar detenidamente esta estructura.

Cada cadena de ADN está formado por una sucesión de nuceótidos. Cada nucleótido está constituido por un azúcar de cinco carbonos, en este caso desoxirribosa, unido a una base xántica, que puede ser Adenina, Timina, Citosina o Guanina. 

Las dos cadenas de ADN se encuentran unidas entres sí mediante enlaces débiles que las bases xánticas establecen entre ellas. Es decir, cada base xántica de una de las cadenas se empareja y une mediante un enlace débil a una base xántica de la otra cadena.

Pero esta unión o emparejamiento no tiene lugar de cualquier manera. Las bases se emparejan de solo de una determinada forma y así, si en una cadena tenemos la base xántica Adenina, en la contraria debemos tener una Timina, mientras que si tenemos una Guanina, esta deberá estar emparejada con una Citosina.

Esto conduce a una de las principales propiedades del ADN: las dos cadenas de la doble hélice de ADN son complementarias. A partir de una de las cadenas, podemos deducir la composición de la otra, ya que donde haya una Citosina, por ejemplo, sabemos que debe haber una Guanina en la otra cadena; de la misma forma, donde haya una Timina, debe encontrarse una Adenina en la cadena complementaria.

En resumen, tenemos dos largas cadenas de ADN, constituidas por un esqueleto de nucleótidos, en las que el cuerpo principal de la cadena son azucares denominados desoxirribosa unidos sucesivamente; cada azúcar posee una base xántica, que se une mediante un enlace débil con una base xántica complementaria de la otra cadena de ADN.

Ambas cadenas, tras unirse entre ellas, se torsionan dando lugar a la estructura que conocemos como doble hélice. Las cadenas de azúcares forman el armazón exterior, mientras que las bases xánticas unidas entre ellas se encuentra protegidas en el interior de la doble hélice. 

El Código Genético

El ADN es el encargado de preservar la información que indica a la célula cómo y cuándo fabricar todas las proteínas que ésta necesita. Esta función se lleva a cabo gracias a lo que se conoce como código genético.

La secuencia de todas las proteínas de la célula se encuentra almacenada en la secuencia de bases xanticas que aparecen en las cadenas de ADN. Existen secuencias específicas que indican a la célula que una determinada zona de ADN codifica para una proteína concreta. A partir de un punto de inicio, marcado por una secuencia de bases también determinada, la secuencia de bases indica la secuencia de aminoácidos de la proteína para la que codifica.

Expliquemos esto más lentamente. Existe una secuencia de bases que forman un código que la célula interpreta como el inicio de la secuencia para fabricar una proteína. A partir de ese punto, de esa secuencia, la sucesión de bases (A-T-C-G) indicarán la secuencia de aminoácidos que conformarán la proteína, pues las proteínas son macromoléculas formadas por cadenas lineales, no ramificadas de aminoácidos.

Debemos recordar que los seres vivos tienen veinte aminoácidos diferentes con los que fabrican todas sus proteínas. Esos veinte aminoácidos son como veinte letras de un alfabeto y las proteínas se forman a partir de cadenas de estos veinte aminoácidos; si los aminoácidos son las letras, las proteínas son las palabras. Con la salvedad de que las palabras de nuestro lenguaje contienen una secuencia de letras corta (entre una y quince letras, aproximadamente, cada palabra), mientras que las proteínas están formadas por cientos y en muchas ocasiones miles de aminoácidos dispuestos sucesivamente.

Las sucesión de bases en el ADN es la que indica a la célula qué sucesión de aminoácidos debe conformarse para fabricar la proteína. Dado que la célula usa veinte aminoácidos diferentes, el código requiere tres bases  sucesivas para ser efectivo. Es decir, cada aminoácido necesita de una secuencia concreta de tres bases. Dado que las combinaciones de cuatro elementos tomados de tres en tres nos da sesenta y cuatro posibilidades diferentes y solo hay veinte aminoácidos, eso implica que algunos aminoácidos que son codificados por varias secuencias diferentes. Existe también varias secuencias (concretamente TAA, TAG y UGA) que marcan el final de la proteína, es decir, indican a la célula que la secuencia ha llegado a su fin.

El código genético se conoce perfectamente desde hace años. Es el mismo en todos los seres vivos conocidos, considerándose una prueba clave del origen común de todos los seres vivos. Y así, si conocemos la secuencia de aminoácidos de una proteína podremos deducir la secuencia de bases aproximada que tendrá el ADN que codifica para esa proteína. Y del mismo modo, si conocemos una secuencia concreta de bases, podemos deducir exactamente la secuencia de aminácidos que tendrá la proteína para la que codifica. 

En los organismos pluricelulares todas las células del organismo tienen exactamente el mismo ADN. Es decir, el ADN es propio y común del individuo o del ser vivo y todas las células del ser vivo contienen la misma información genética.

Los organismos pluricelulares tienen, en general, células muy diferentes que llevan a cabo funciones diferentes y producen proteínas diferentes. Una célula de la piel, por ejemplo, fabrica queratina y ninguna otra célula del cuerpo fabrica esta proteína, aunque realmente tiene el ADN necesario para ello. Esto se debe a que, si bien todas las células de un organismo tienen el mismo ADN, solo usan la parte del ADN que necesitan para llevar a cabo sus funciones.

En organismo superiores, como animales y plantas, los diferentes organismos, aunque sean de la misma especie, tienen ADNs diferentes. No existen en el mundo dos seres humanos con el mismo ADN (salvo los hermanos gemelos idénticos). Es decir, todos los humanos tenemos pequeñas diferencias genéticas entre nosotros. Lo mismo ocurre con otros animales y plantas.

Dos seres vivos de la misma especie tenderán a tener ADNs prácticamente idénticos, solo con pequeñas diferencias. Dos seres vivos tendrán ADNs tanto más diferentes, cuanto más diferentes sean las especies. Es decir, a mayor distancia evolutiva, mayor diferencia en el ADN. Nuestro ADN es muy diferente al ADN de un molusco, por ejemplo, pero compartimos más del 90% de nuestro ADN con especies próximas a nosotros, como los chimpancés, los gorilas o los orangutanes.

Si bien no todos los organismos de la misma especie tienen porque tener exactamente el mismo ADN (habrá, eso sí, diferencias muy pequeñas), todos los organismos de una especie tienen el mismo número de cromosomas. Es decir, cuando el ADN se condensa y forma cromosomas durante la división celular, el número de cromosomas que se forman es constante para cada especie. Así, los humanos tenemos 46 cromosomas (23 pares de cromosomas homólogos, como veremos posteriormente).

Replicación del ADN

Una de las propiedades más importantes del ADN es que está compuesto por dos hebras complementarias y los seres vivos disponen de mecanismos capaces de fabricar una hebra completa de ADN usando como modelo su complementaria. Esta es la base del proceso conocido como replicación del ADN. 

Cuando la célula necesita duplicar el ADN, por ejemplo justo antes de la división celular, ésta pone en marcha un mecanismo conocido como replicación del ADN.  Es llevada a cabo por un conjunto de proteínas y enzimas que, en conjunto, se denominan Replisoma.

Dentro del Replisoma hay tres proteínas especialmente importantes. Una de ellas se denomina Helicasa y su función es desenredar la doble hélice de ADN, separando las dos hebras. La segunda proteína, la más característica del proceso, se denomina ADN-Polimerasa y se encarga de fabricar el nuevo ADN a partir de una de las hebras que servirá como molde. Y por último, existe un grupo de proteínas que se encargan de la corrección de errores, es decir, comprueban el nuevo ADN generado y corrigen errores que puedan aparecer debido a un funcionamiento incorrecto de la ADN-Polimerasa. 

Resumiendo, en el proceso la Helicasa separa las dos hebras de ADN como si abriese una cremallera. Cada hebra sirve de molde para la fabricación de una nueva hebra que se va fabricando al separarse la doble hebra, es decir, al abrirse la cremallera. Para rematar el proceso, una proteína se encarga de corregir posibles errores en el proceso.

Como resultado final, obtenemos dos dobles hélices de ADN, es decir, a partir de una doble hélice obtenemos dos dobles hélices idénticas y completas, dando así por finalizado el proceso de replicación.

Concepto de Gen

Como indicamos anteriormente, el ADN tiene incluido el código que indica a la célula cómo fabricar las proteínas. No todo el ADN lleva información sobre cómo fabricar proteínas: algunas zonas son marcadores que indican cuándo o dónde deben fabricarse las proteínas, otras son zonas específicas donde debe comenzar el proceso de replicación y finalmente hay grandes extensiones de ADN que no tienen función alguna o al menos función conocida (se denomina ADN basura). 

Las zonas de ADN que codifican para la fabricación de proteínas concretas se denominan genes. Es decir, un gen es una porción de ADN que codifica o contiene la información sobre cómo fabricar una proteína o dicho de otro modo, su secuencia de bases condicionará la secuencia de aminoácidos de una proteína. 

El ADN de un ser vivo tiene, por lo tanto, varios miles de genes, tanto en cuanto debe ser capaz de formar varios miles de proteínas diferentes; y estos genes se encuentran distribuidos a lo largo de toda la secuencia de pares de bases.

Dado que todas las células de un organismo pluricelular tienen exactamente el mismo ADN, todas las células tendrán por lo tanto los mismos genes. Pero cada célula solo hará que se expresen los genes que codifican para las proteínas que la célula necesita para cumplir sus funciones.

Algunos genes, como los genes que codifican para los enzimas que controlan las reacciones catabólicas básicas como la respiración, son expresados prácticamente por todas las células. Otros genes, en cambio, son mucho más exclusivos. Por ejemplo, la queratina es una proteína que se acumula en la piel, uñas y pelos para darles dureza y consistencia. Aunque todas las células de nuestro cuerpo tienen el gen con la información sobre cómo fabricar queratina, éste solo se expresa en las células de la piel, pelo y uñas.

Replicación y División Celular

El ADN celular debe replicarse al completo cada vez que la célula se va a dividir. Así, cada célula hija recibirá una copia exacta del ADN de la célula madre.

Como ya hemos indicado, antes de la división celular el ADN de las células se condensan en estructuras conocidas como cromosomas. Las células eucariotas poseen cromosomas que pueden ser agrupados por parejas. Así, el ser humano tiene 46 cromosomas, que pueden ser agrupados en 23 pares (o parejas) de cromosomas.

Las parejas de cromosomas son morfológicamente idénticas. Es decir, si numeramos los cromosomas encontramos una pareja de cromosomas de cada número.

Aunque morfológicamente son similares, las parejas de cromosomas no son idénticas, sino homólogas. Es decir, contienen genes que codifican para las mismas proteínas, aunque estos genes no tienen porque ser idénticos.

Por ejemplo, imaginemos un gen que codificase información sobre el color del pelo que se encontrase en el cromosoma 1. Ambos cromosomas 1 de la célula tendrían, en su cromosoma 1, información sobre como colorear el pelo. Pero la información de ambos cromosomas no tiene porque ser idéntica y podría darse el caso de que uno de los cromosomas llevase información para colorear el pelo de un color oscuro, mientras que en el otro cromosoma podría aparecer información sobre como colorear el pelo de un color claro. Este hecho es la base de la teoría cromosómica de la herencia.

Antes de la división celular, como hemos indicado, el ADN se replica, generándose una segunda copia de todo el ADN. Esto hace que, al condensarse el ADN para formar los cromosomas, cada cromosoma estará conformado por dos porciones idénticas, conocidas como cromátidas. Es decir, antes de la división celular los cromosomas de la célula poseen dos cromátidas cada uno. Las dos cromátidas de cada cromosoma son idénticas entre sí.

Las dos cromátidas de cada cromosoma se encuentran unidas una a la otra por una estructura central denominada centrómero.