ADN y ARN: estructura y composición química

ADN y ARN: estructura y composición química

Dos moléculas guardan y reparten las instrucciones de cualquier ser vivo: el ácido desoxirribonucleico (ADN) y el ácido ribonucleico (ARN). Las dos pertenecen al grupo de los ácidos nucleicos y se arman con la misma pieza repetida, el nucleótido.

Lo que las separa parece poco y resulta decisivo: el azúcar de cinco carbonos y una de las cuatro bases que cada una emplea.

Esta lección va del nucleótido a la doble hélice. En el camino revisa las familias de bases, los enlaces que sostienen la molécula y el experimento que permitió verla.

Al final encontrarás dos ejercicios numéricos resueltos y una lista de errores que se repiten en las pruebas de Genética.

El tema se evalúa casi siempre del mismo modo: una tabla por completar, una secuencia corta o un porcentaje que falta. Por eso conviene estudiarlo por partes y no como un bloque de memoria.

El nucleótido: tres piezas y una cadena

Un nucleótido se forma con un grupo fosfato, una pentosa y una base nitrogenada. La base se agarra al azúcar y el azúcar se enlaza al fosfato.

Cuando miles de estas unidades se colocan en fila, el resultado es un polinucleótido. Ese polímero es lo que llamamos ácido nucleico.

La base debe su nombre al nitrógeno que contiene. Sus grupos amino pueden captar iones hidrógeno del medio y volverlo algo más básico.

En una célula eucariota, la mayor parte del ADN se guarda en el núcleo. Una porción menor vive en las mitocondrias y, en las plantas, también en los cloroplastos.

La información no está en el fosfato ni en el azúcar, sino en el orden de las bases. Cambiar una letra puede alterar una proteína completa o no producir ningún efecto visible.

Por eso la estructura importa tanto como la secuencia. Sin una cadena estable, el mensaje no podría copiarse ni conservarse de una generación a la siguiente.

Cada base se abrevia con una letra: A, G, C, T y U. El orden de esas letras a lo largo de la cadena es lo que codifica la información hereditaria.

Conviene distinguir tres niveles de lectura. El fosfato y el azúcar forman el andamio, la base aporta la letra y la secuencia completa compone el texto.

Un error frecuente consiste en tratar el nucleótido como si fuera solo la base. La base es una parte; el nucleótido incluye además el azúcar y el fosfato.

Los nucleótidos también andan sueltos en el citoplasma, donde cumplen otras tareas. En cadena, en cambio, forman el material hereditario.

Las bases nitrogenadas y sus dos familias

El ADN usa cuatro bases: adenina (A), guanina (G), citosina (C) y timina (T). El ARN cambia la timina por uracilo (U) y conserva las otras tres.

Adenina y guanina son purinas, con dos anillos fusionados de carbono y nitrógeno. Citosina, timina y uracilo son pirimidinas, con un solo anillo de seis miembros.

Esa diferencia de tamaño no es un detalle de nomenclatura. Explica por qué cada par de bases ocupa el mismo ancho dentro de la hélice.

Una purina sola sería demasiado ancha y una pirimidina sola, demasiado estrecha. Al emparejarse una de cada familia, el diámetro se mantiene constante.

La tercera columna del cuadro resuelve muchas dudas de examen. Si el enunciado menciona timina, el ácido descrito es ADN; si menciona uracilo, es ARN.

La tabla también sirve para descartar opciones. Cualquier alternativa que ponga uracilo en el ADN o timina en el ARN queda fuera de inmediato.

Las tres bases compartidas son adenina, guanina y citosina. Esa coincidencia explica que los dos ácidos se parezcan tanto en su química general.

El apareamiento es específico porque los grupos químicos de cada base encajan con los de su pareja. La adenina no se une a la citosina ni la guanina a la timina.

Esa precisión convierte a cada hebra en el molde de la otra. Al copiarse, cada base encuentra su complemento y el orden se conserva.

En el ARN, el uracilo ocupa el sitio de la timina y se aparea con la adenina. Esa sustitución es la marca química que separa el mensaje del archivo.

La pentosa: ribosa frente a desoxirribosa

Los dos ácidos llevan un azúcar de cinco carbonos, pero no el mismo. El ADN contiene desoxirribosa y el ARN contiene ribosa.

La diferencia se reduce a un grupo en el carbono 2′. La ribosa lleva allí un hidroxilo y la desoxirribosa lleva un hidrógeno.

De esa ausencia de oxígeno viene el prefijo desoxi. Por eso el nombre completo del ADN es ácido desoxirribonucleico y el del ARN, ácido ribonucleico.

Los carbonos de la pentosa se numeran del 1′ al 5′ para no confundirlos con los de las bases. Esa numeración permite decir con exactitud dónde se engancha cada fosfato.

El carbono 1′ sostiene la base, el 2′ marca la diferencia entre los dos azúcares y el 5′ recibe el grupo fosfato.

La falta de ese hidroxilo en el 2′ hace al ADN más estable que el ARN, que se degrada con más facilidad fuera de la célula.

La pentosa se cierra en un anillo de cinco miembros, con cuatro carbonos y un oxígeno. Ese detalle explica por qué se la llama azúcar de cinco carbonos y no simplemente azúcar.

En el examen, la pregunta sobre la pentosa suele aparecer disfrazada. Si pide identificar el azúcar del ADN, la respuesta es desoxirribosa y no ribosa.

Los enlaces fosfodiéster y los puentes de hidrógeno

Dentro de una misma hebra, los nucleótidos se agarran con enlaces covalentes llamados fosfodiéster. Cada uno une un fosfato con las pentosas de dos nucleótidos vecinos.

El fosfato queda entre el carbono 3′ de un azúcar y el carbono 5′ del siguiente. De ahí la etiqueta 5′-3′ que acompaña la cadena.

Ese cordón de azúcares y fosfatos forma el esqueleto de la hebra. Las bases miran hacia adentro, como los peldaños de una escalera.

Entre las dos hebras no hay enlaces covalentes. Las sostiene una red de puentes de hidrógeno entre bases enfrentadas.

La adenina se aparea con la timina mediante dos puentes. La guanina y la citosina comparten tres, y por eso ese par cuesta más separar.

Los puentes de hidrógeno son más débiles que un enlace covalente. Un calor moderado puede separarlos sin romper el esqueleto de azúcares y fosfatos.

Cada par de bases queda a unos 0,34 nanómetros del siguiente. Ese espaciado constante produce el aspecto de escalera girada que describe el modelo.

Las dos hebras corren en sentidos opuestos y se dice que son antiparalelas. Frente al 5′ de una hebra se alinea el 3′ de la compañera.

La distancia entre pares permite calcular longitudes. Un fragmento de 1.000 pares de bases mide 1.000 × 0,34 = 340 nanómetros, o sea, 0,34 micrómetros.

Ese cálculo aparece en los enunciados que comparan el tamaño de un gen con el de un cromosoma. Conviene dar el resultado en la misma unidad que ofrece el problema.

Unir dos nucleótidos no es acercarlos sin más. La formación del enlace fosfodiéster implica la salida de dos grupos fosfato del nucleótido que se incorpora.

Las reglas de Chargaff y la hebra complementaria

Chargaff midió la proporción de bases en ADN de varias especies. Encontró que la adenina iguala a la timina y que la guanina iguala a la citosina.

La explicación llegó con la complementariedad. Cada base de una hebra tiene una pareja fija en la otra, así que los recuentos deben coincidir.

Con esa regla se reconstruye una hebra completa a partir de la otra. Basta cambiar A por T, T por A, G por C y C por G.

Sin la complementariedad, el cálculo de porcentajes sería imposible. Esa regla transforma un dato aislado en el resto de la tabla.

Si una hebra dice AATTGGCC, la compañera dice TTAACCGG. El ejercicio se resuelve letra por letra y sin invertir el orden.

La cristalografía de rayos X permitió mirar la molécula sin destruirla. Se dispara un haz contra un cristal y el patrón de difracción revela la posición de los átomos.

Rosalind Franklin controló la humedad de las muestras y distinguió dos formas del ADN. En mayo de 1952, junto con Ray Gosling, obtuvo la imagen de la forma B, conocida como foto 51.

Esa fotografía mostró una hélice con dos cadenas y dio respaldo experimental al modelo. Watson y Crick publicaron la estructura en 1953, apoyados también en las reglas de Chargaff.

Watson, Crick y Maurice Wilkins recibieron el Premio Nobel de Medicina en 1962. Franklin había muerto en 1958, a los 37 años, y el galardón no se otorga de forma póstuma.

El trabajo de Barbara McClintock añadió otra pieza a la historia. En el maíz describió elementos genéticos capaces de cambiar de lugar y de activar o silenciar genes vecinos, y recibió el Nobel en 1983.

La imagen mostraba una cruz central con manchas laterales. Esa geometría solo encaja con una hélice de dos cadenas y unos diez pares de bases por vuelta.

Los valores concretos de Chargaff cambian de una especie a otra. La igualdad entre adenina y timina, y entre guanina y citosina, se mantiene en todas.

El aporte de Franklin se reconoce hoy como parte central del hallazgo. Los libros de texto la citan junto a Watson, Crick y Wilkins.

Antes de todo eso, Friedrich Miescher había aislado el ADN a finales del siglo XIX. Todavía faltaba medio siglo para entender qué hacía esa sustancia dentro de la célula.

Las diferencias entre el ADN y el ARN

El ADN almacena la información y el ARN la lleva a la práctica. Esa división del trabajo ordena casi todas las diferencias entre ambos.

El ADN suele tener dos hebras y el ARN, una sola. El primero permanece en el núcleo y el segundo sale hacia el citoplasma.

En la célula hay cuatro tipos principales de ARN. El mensajero (ARNm) copia el mensaje del gen y lo lleva hasta los ribosomas.

El ribosómico (ARNr) forma parte de los ribosomas y cataliza la unión entre aminoácidos. El de transferencia (ARNt) es corto, mide entre 70 y 90 nucleótidos y acarrea el aminoácido que pide cada codón.

Los microARN son los más pequeños y no construyen proteínas. Su tarea consiste en regular la expresión génica interfiriendo con ciertos mensajes.

El mensaje del ARNm se lee en grupos de tres bases llamados codones. Cada codón indica un aminoácido o marca el final de la lectura.

Aunque el ARN suele ser monocatenario, no es una línea recta. Se pliega sobre sí mismo y forma apareamientos internos entre bases complementarias.

El ARN trabaja con copias cortas y desechables. Esa fugacidad le sirve a la célula, que necesita mensajes renovables y no un archivo permanente.

El ADN, en cambio, debe durar toda la vida del organismo. Su doble cadena y su azúcar sin hidroxilo en el 2′ favorecen esa permanencia.

La replicación y la síntesis de proteínas se explican en otras lecciones de esta serie. Aquí basta con retener la estructura que hace posibles esos procesos.

Dos ejercicios resueltos sobre la composición del ADN

Los dos ejercicios siguientes usan las mismas reglas: complementariedad y número de puentes de hidrógeno. Conviene resolverlos con lápiz y comprobar la suma al final.

En el primero se parte del porcentaje de una base; en el segundo, de una secuencia corta. Los dos descansan en el mismo supuesto: las hebras son complementarias.

Antes de revisar la respuesta, comprobá dos cosas: que cada base tenga pareja y que los porcentajes sumen cien. Esas dos verificaciones atrapan casi todos los errores de cálculo.

Si el resultado no cuadra, revisá primero el apareamiento y después la aritmética. Casi siempre el fallo está en una base mal emparejada.

Conclusión

El nucleótido reúne un fosfato, una pentosa y una base nitrogenada. Miles de nucleótidos en fila forman el polímero que llamamos ácido nucleico.

La pentosa separa a los dos ácidos: desoxirribosa en el ADN y ribosa en el ARN. La timina y el uracilo completan esa distinción.

Los fosfodiéster 5′-3′ mantienen la hebra unida y los puentes de hidrógeno mantienen unidas las dos hebras. Dos puentes en el par A-T y tres en el par G-C sostienen las reglas de Chargaff.

La foto 51 y el modelo de 1953 convirtieron esos indicios en una estructura visible. Esa doble hélice sigue siendo el punto de partida para estudiar la replicación y la expresión de los genes.

Dominar estas piezas ahorra tiempo en el examen. Con el azúcar, la base y el enlace bien ubicados, la mayoría de las opciones se descarta sin dudar.

Antes de la prueba, resolvé otra vez los dos ejemplos sin mirar los pasos. Ese repaso activo rinde más que releer el texto de corrido.