Ácido desoxirribonucleico para niños
El ácido desoxirribonucleico, más conocido como ADN, es una molécula muy importante que contiene las instrucciones para que todos los seres vivos y algunos virus puedan crecer, funcionar y reproducirse. También es el responsable de que las características se pasen de padres a hijos.
La función principal del ADN es guardar a largo plazo la información necesaria para construir otras partes de las células, como las proteínas y las moléculas de ARN. Las partes del ADN que llevan esta información se llaman genes. Otras partes del ADN tienen funciones de estructura o ayudan a controlar cómo se usa la información genética.
Desde el punto de vista químico, el ADN es como una cadena muy larga formada por unidades más pequeñas llamadas nucleótidos. Cada nucleótido tiene tres partes: un azúcar (la desoxirribosa), una base nitrogenada y un grupo fosfato. Hay cuatro tipos de bases nitrogenadas: adenina (A), timina (T), citosina (C) y guanina (G). La forma en que estas cuatro bases se organizan en la cadena es lo que guarda la información genética.
En los seres vivos, el ADN se presenta como una doble cadena de nucleótidos. Las dos cadenas se unen entre sí por conexiones llamadas puentes de hidrógeno. La adenina (A) siempre se une con la timina (T), y la citosina (C) siempre se une con la guanina (G). Esto se llama complementariedad de bases.
Para que la información del ADN se use, primero se copia en moléculas más cortas llamadas ARN. Este proceso se llama transcripción. Luego, la información del ARN se interpreta usando el código genético para crear proteínas. Las proteínas son como los "ladrillos" que construyen las células y realizan muchas funciones.
Dentro de las células, el ADN se organiza en estructuras llamadas cromosomas. Antes de que una célula se divida, el ADN se duplica para que cada nueva célula tenga una copia completa. En animales, plantas y hongos, la mayor parte del ADN está dentro del núcleo celular. En bacterias, el ADN está en el citoplasma.
Contenido
Historia del descubrimiento del ADN
El ADN fue descubierto por primera vez en 1869 por el médico suizo Friedrich Miescher. Él lo encontró mientras estudiaba la composición química de las vendas quirúrgicas usadas. Lo llamó "nucleína" porque lo extrajo de los núcleos de las células.
Pasaron casi 70 años para que los científicos entendieran bien los componentes y la estructura de los ácidos nucleicos. En 1919, Phoebus Levene identificó que un nucleótido tiene una base nitrogenada, un azúcar y un fosfato. En 1930, Levene y su maestro Albrecht Kossel demostraron que la nucleína de Miescher era el ácido desoxirribonucleico (ADN), formado por las cuatro bases (C, T, A, G), el azúcar desoxirribosa y un grupo fosfato.
La función biológica del ADN se empezó a entender en 1928 con los experimentos de Frederick Griffith con bacterias. Él descubrió que una sustancia podía "transformar" bacterias de un tipo a otro. En 1944, Oswald Avery, Colin MacLeod y Maclyn McCarty demostraron que esa sustancia transformadora era el ADN. Este fue un gran paso para entender que el ADN es la base de la herencia. En 1952, Alfred Hershey y Martha Chase confirmaron que el ADN es el que lleva la información genética.
En 1953, James Watson y Francis Crick propusieron el famoso modelo de la hélice doble del ADN. Se basaron en los datos de difracción de rayos X obtenidos por Rosalind Franklin y Maurice Wilkins, y en las reglas de apareamiento de bases de Erwin Chargaff. Watson, Crick y Wilkins recibieron el Premio Nobel en Fisiología o Medicina en 1962.
¿Cómo es el ADN?
El ADN es un polímero muy largo, formado por unidades que se repiten llamadas nucleótidos. Una doble cadena de ADN mide entre 2.2 y 2.6 nanómetros de ancho. Aunque cada unidad es muy pequeña, las moléculas de ADN pueden ser enormes, con millones de nucleótidos. Por ejemplo, el cromosoma humano más largo tiene unos 220 millones de pares de bases.
En los seres vivos, el ADN casi siempre existe como dos moléculas unidas. Estas dos cadenas se enrollan una sobre la otra, formando una especie de escalera de caracol llamada "hélice doble". Este modelo fue propuesto por Watson y Crick en 1953.
Cada nucleótido tiene una parte de soporte (azúcar + fosfato) que mantiene la cadena unida, y una base nitrogenada que se une con la otra cadena de ADN.
Partes del ADN
El ADN tiene una estructura de soporte y bases nitrogenadas.
Estructura de soporte
La estructura de soporte de una cadena de ADN está hecha de unidades alternas de grupos fosfato y azúcar (desoxirribosa).
- Ácido fosfórico:
Cada nucleótido puede tener uno, dos o tres grupos de ácido fosfórico. En el ADN, solo aparecen como monofosfato.
- Desoxirribosa:
Es un azúcar de 5 átomos de carbono. Es una de las principales diferencias entre el ADN y el ARN, ya que en el ARN el azúcar es la ribosa. Las moléculas de azúcar se unen entre sí a través de grupos fosfato. Esto hace que cada cadena de ADN tenga una dirección. En la doble hélice, las dos cadenas van en direcciones opuestas, lo que se llama "antiparalela".
Bases nitrogenadas
Las cuatro bases nitrogenadas principales en el ADN son: adenina (A), citosina (C), guanina (G) y timina (T). Cada una de estas bases se une al armazón de azúcar-fosfato para formar un nucleótido completo.
Se representa con la letra T. Siempre se une con la adenina (A) de la otra cadena mediante dos puentes de hidrógeno (T=A).
Se representa con la letra C. Siempre se une con la guanina (G) de la otra cadena mediante tres puentes de hidrógeno (C≡G).
Se representa con la letra A. Siempre se une con la timina (T) de la otra cadena mediante dos puentes de hidrógeno (A=T).
Se representa con la letra G. Siempre se une con la citosina (C) de la otra cadena mediante tres puentes de hidrógeno (G≡C).
Las bases nitrogenadas pueden absorber luz ultravioleta, lo que ayuda a los científicos a estudiarlas. También pueden formar puentes de hidrógeno, que son uniones más débiles que los enlaces químicos normales, pero importantes para la estabilidad del ADN.
El genoma humano tiene alrededor de 3 mil millones de pares de bases. Para medir el tamaño del ADN, se usan unidades como la kilobase (kb), que son 1000 pares de bases, y la megabase (Mb), que es un millón de pares de bases.
Apareamiento de bases
La doble hélice del ADN se mantiene unida por los puentes de hidrógeno entre las bases de cada cadena. Cada tipo de base en una cadena se une solo con un tipo de base en la otra cadena. Esto se llama "complementariedad de las bases". La A se une solo con la T, y la C solo con la G.
Los puentes de hidrógeno son uniones débiles que pueden romperse y formarse fácilmente. Por eso, las dos cadenas de la doble hélice pueden separarse, como una cremallera, por calor o fuerza.
El par de bases C≡G es más fuerte que el par A=T porque el C≡G forma tres puentes de hidrógeno, mientras que el A=T forma solo dos. Las zonas del ADN que necesitan separarse fácilmente suelen tener más pares A=T.
Estructura tridimensional del ADN
El ADN es una molécula de doble cadena, lo que significa que tiene dos cadenas dispuestas de forma antiparalela, con las bases nitrogenadas enfrentadas. En su estructura tridimensional, se pueden ver diferentes niveles:
- Secuencia de nucleótidos: Es el orden de las bases (A, T, C, G) en la cadena. Aquí es donde se guarda la información genética.
- Doble hélice: Es la forma de escalera de caracol que adoptan las dos cadenas. Esto permite guardar la información y que el ADN se duplique.
- Empaquetamiento: Se refiere a cómo el ADN se guarda en un espacio pequeño.
* En bacterias, el ADN se pliega como una súperhélice, a menudo en forma circular. * En células eucariotas (como las nuestras), el ADN es muy grande y se empaqueta de forma más compleja con la ayuda de proteínas llamadas histonas. Estas proteínas ayudan a que el ADN se enrolle y forme los cromosomas.
Tipos de hélices dobles
El ADN puede tener varias formas, pero en los seres vivos las más comunes son las formas "A", "B" y "Z". La forma "B" es la más común en las células. La forma "A" aparece en condiciones especiales, y la forma "Z" es una hélice que gira a la izquierda, lo opuesto a la forma "B".
Estructuras en cuádruplex
En los extremos de los cromosomas hay regiones especiales de ADN llamadas telómeros. Estas regiones protegen los extremos del ADN y ayudan a que la célula los copie correctamente. Los telómeros pueden formar estructuras especiales de cuatro bases, llamadas cuádruplex-G, que son muy estables.
Hendiduras mayor y menor
La doble hélice del ADN es dextrógira, es decir, gira hacia la derecha. Al enrollarse, se forman dos tipos de huecos o hendiduras en la superficie: la hendidura mayor (más ancha) y la hendidura menor (más estrecha).
La hendidura mayor es más accesible y permite que las proteínas reconozcan secuencias específicas del ADN sin necesidad de abrir la doble hélice. La hendidura menor es más difícil de reconocer.
Sentido y antisentido
Una secuencia de ADN se llama "sentido" si su secuencia es igual a la de un ARN mensajero que se convierte en proteína. La cadena complementaria se llama "antisentido". Ambas cadenas del ADN pueden tener secuencias sentido y antisentido.
Superenrollamiento
El ADN puede retorcerse sobre sí mismo, como una cuerda, en un proceso llamado superenrollamiento. En las células, la mayoría del ADN tiene un ligero superenrollamiento negativo, que es producido por enzimas llamadas topoisomerasas. Estas enzimas también ayudan a liberar la tensión en el ADN durante procesos como la transcripción y la replicación.
Cambios químicos en el ADN
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| citosina | 5‑metil‑citosina | timina |
Modificaciones de las bases del ADN
La forma en que el ADN se empaqueta en los cromosomas puede influir en la expresión de los genes. Algunas modificaciones en las bases, como la metilación de la citosina, son importantes para controlar qué genes se activan o desactivan.
Daño en el ADN
El ADN puede dañarse por diferentes factores, como la luz ultravioleta o ciertos químicos. Por ejemplo, la luz UV puede causar que dos timinas se unan de forma incorrecta. Otros agentes pueden causar roturas en las cadenas del ADN. En una célula humana, el ADN sufre daños constantemente.
Las células tienen mecanismos de reparación que reconocen y corrigen estos daños para mantener la secuencia original del ADN. Si el daño es demasiado grande para ser reparado, la célula puede activar procesos que la llevan a la muerte para evitar problemas.
Funciones biológicas del ADN
Las funciones principales del ADN son guardar información, codificar proteínas y duplicarse a sí mismo.
Genes y genoma
El ADN es como una biblioteca que contiene toda la información necesaria para construir y mantener un organismo. Esta información se llama genoma. El ADN genómico se organiza en cromatina y luego en cromosomas.
ADN codificante
La información de un genoma está en los genes. Un gen es una unidad de herencia que influye en una característica, como el color de los ojos. Los genes contienen las instrucciones para crear proteínas. Las proteínas son las "obreras" que construyen el cuerpo y realizan sus funciones.
Para hacer una proteína, el ADN de un gen se copia primero en una molécula de ARN mensajero (ARNm). Luego, el ARNm sirve de molde para que la célula ensamble los aminoácidos en el orden correcto y forme la proteína.
El dogma central de la biología molecular explica que la información fluye del ADN al ARN y luego a las proteínas. Sin embargo, ahora sabemos que hay otras formas, como en algunos virus donde la información fluye del ARN al ADN. También existen ARN que no se convierten en proteínas, pero tienen funciones importantes.
ADN no codificante
En muchas especies, solo una pequeña parte del genoma codifica proteínas. El resto es ADN no codificante, que antes se pensaba que no tenía utilidad. Sin embargo, estudios recientes muestran que este ADN tiene funciones importantes, como regular la expresión de los genes. Algunas de estas secuencias son "secuencias reguladoras" que controlan cuándo y dónde se activan los genes.
Transcripción y traducción
En un gen, la secuencia de nucleótidos del ADN se copia en un ARN mensajero (ARNm) mediante la transcripción. Luego, esta secuencia de ARNm se usa para crear una proteína mediante la traducción.
La relación entre la secuencia de nucleótidos y la secuencia de aminoácidos de la proteína está definida por el código genético. Cada grupo de tres nucleótidos (llamado codón) en el ARNm corresponde a un aminoácido específico. En el ribosoma, los codones del ARNm interactúan con moléculas de ARN de transferencia (ARNt), que llevan el aminoácido correcto. Así, los aminoácidos se unen para formar la proteína.
Replicación del ADN
La replicación del ADN es el proceso por el cual se hacen copias idénticas de una molécula de ADN. Esto es fundamental para que la información genética se pase de una generación a la siguiente. El proceso consiste en separar las dos cadenas de la doble hélice, y cada una sirve de molde para crear una nueva cadena complementaria. Al final, se obtienen dos moléculas de ADN idénticas a la original. Este tipo de replicación se llama "semiconservativa" porque cada nueva molécula tiene una cadena "vieja" y una cadena "nueva".
Interacciones del ADN con proteínas
Todas las funciones del ADN dependen de cómo interactúa con las proteínas. Algunas proteínas se unen al ADN de forma general, mientras que otras lo hacen en secuencias específicas.
Proteínas que se unen al ADN
Interacciones generales
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Las proteínas estructurales, como las histonas, se unen al ADN para organizarlo en una estructura compacta llamada cromatina dentro de los cromosomas. Estas interacciones no dependen de la secuencia específica del ADN.
Interacciones específicas
Otras proteínas se unen a secuencias específicas del ADN. La mayoría de estas interacciones ocurren en la hendidura mayor del ADN, donde las bases son más accesibles.
Los factores de transcripción son proteínas que regulan la transcripción. Se unen a secuencias específicas del ADN y activan o inhiben la transcripción de los genes cercanos. Pueden hacerlo uniéndose a la ARN polimerasa o modificando las histonas.
Enzimas que modifican el ADN
Nucleasas y ligasas
Las nucleasas son enzimas que cortan las cadenas de ADN. Las enzimas de restricción son un tipo de nucleasas que cortan el ADN en secuencias específicas. En la naturaleza, estas enzimas protegen a las bacterias de virus. En biotecnología, se usan para manipular el ADN.
Las ligasas son enzimas que pueden unir cadenas de ADN cortadas o rotas. Son importantes en la replicación y reparación del ADN.
Topoisomerasas y helicasas
Las topoisomerasas son enzimas que cambian el superenrollamiento del ADN. Cortan y vuelven a unir el ADN para reducir la tensión. Las helicasas son proteínas que usan energía para romper los puentes de hidrógeno y separar las dos cadenas del ADN. Son esenciales para que otras enzimas puedan acceder a las bases del ADN.
Polimerasas
Las polimerasas son enzimas que construyen nuevas cadenas de nucleótidos usando una cadena existente como molde.
- Las ADN polimerasas copian ADN a partir de un molde de ADN. Son muy precisas y tienen mecanismos para corregir errores.
- Las ARN polimerasas copian la secuencia de una cadena de ADN en ARN. Se unen a una parte del ADN llamada "promotor" y copian el gen en un ARN mensajero.
Recombinación genética
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Normalmente, las cadenas de ADN no interactúan entre sí. Sin embargo, durante el sobrecruzamiento cromosómico, dos hélices de ADN se rompen, intercambian segmentos y se unen de nuevo. Este proceso se llama recombinación genética.
La recombinación permite que los cromosomas intercambien información genética, lo que crea nuevas combinaciones de genes y aumenta la diversidad. Esto es importante para la evolución y para la reparación del ADN.
Evolución del ADN
El ADN contiene información histórica porque almacena mutaciones que se heredan. Comparando secuencias de ADN, los científicos pueden entender la historia evolutiva de los organismos.
Se cree que las primeras formas de vida podrían haber usado ARN como material genético, en lo que se conoce como la "Hipótesis del mundo de ARN". El ARN podría haber guardado información genética y actuado como catalizador al mismo tiempo.
Es difícil encontrar ADN muy antiguo en fósiles porque el ADN se degrada con el tiempo. Sin embargo, los científicos pueden usar herramientas de evolución molecular para estudiar los genomas de organismos ancestrales a partir de los organismos actuales.
Técnicas comunes con ADN
El conocimiento de la estructura del ADN ha permitido desarrollar muchas herramientas tecnológicas para estudiarlo.
Tecnología del ADN recombinante
La tecnología del ADN recombinante permite hacer muchas copias de un fragmento de ADN de interés, lo que se llama clonar. Para esto, el fragmento se introduce en otro elemento de ADN, como un plásmido, que es copiado por una bacteria.
Secuenciación del ADN
La secuenciación del ADN consiste en descubrir el orden de los nucleótidos en una cadena de ADN. Las técnicas actuales permiten secuenciar genomas completos muy rápidamente, lo que ha sido clave para proyectos como el Proyecto Genoma Humano.
El método de secuenciación de Frederick Sanger fue el más usado durante el siglo XX. Se basa en detener la síntesis de ADN en diferentes puntos para leer la secuencia.
Reacción en cadena de la polimerasa (PCR)
La reacción en cadena de la polimerasa (PCR) es una técnica que permite obtener un gran número de copias de un fragmento de ADN, incluso si se parte de una cantidad muy pequeña. Para ello, se usa una enzima especial que copia el ADN en ciclos repetidos de calentamiento y enfriamiento.
Southern blot
El método Southern blot permite encontrar una secuencia específica de ADN en una muestra. Combina la separación del ADN por tamaño con la hibridación con una "sonda" (una molécula de ADN marcada) que se une a la secuencia buscada.
Chips de ADN
Los chips de ADN son colecciones de pequeños fragmentos de ADN fijados en un soporte, como un cristal. Se usan para estudiar mutaciones en genes o para ver qué genes se están activando en una célula.
Aplicaciones del ADN
La investigación sobre el ADN tiene un gran impacto en la medicina, la agricultura y la ganadería.
Ingeniería genética
La ingeniería genética permite introducir genes de interés en seres vivos para que produzcan una proteína específica. Por ejemplo:
- Se pueden transformar microorganismos para que produzcan sustancias útiles, como insulina o vacunas.
- Se busca reemplazar genes dañados en personas para tratar enfermedades, lo que se conoce como terapia génica.
- Se puede mejorar la composición de alimentos, como la leche, o hacer plantas más resistentes a enfermedades o condiciones difíciles.
Medicina forense
Los médicos forenses pueden usar el ADN de la sangre, la saliva o el pelo encontrados en la escena de un crimen para identificar a una persona. Esta técnica se llama huella genética o "perfil de ADN". Compara secciones variables del ADN entre diferentes personas. Es muy útil para resolver crímenes y también para identificar víctimas de accidentes o para pruebas de parentesco.
Bioinformática
La bioinformática usa computadoras para manejar, buscar y analizar datos de secuencias de ADN. Ha ayudado a desarrollar programas para buscar secuencias específicas de nucleótidos o para comparar secuencias de ADN y encontrar diferencias. También se usa para identificar la ubicación de genes en los cromosomas.
Nanotecnología de ADN
La nanotecnología de ADN usa las propiedades únicas del ADN para crear estructuras complejas a escala nanométrica. En este campo, el ADN se usa como un material de construcción, no solo como portador de información biológica.
Historia, antropología y paleontología
El ADN guarda información histórica a través de las mutaciones que se heredan. Comparando secuencias de ADN, los genetistas pueden entender la historia evolutiva de los organismos y las relaciones entre poblaciones. Esto se usa en estudios de ecología, antropología y paleontología (para estudiar especies extintas).
Almacenamiento de información
El ADN tiene un gran potencial como dispositivo de almacenamiento de información debido a su estabilidad y alta densidad.
Galería de imágenes
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Hendiduras mayor y menor de la doble hélice
Véase también
En inglés: DNA Facts for Kids
