El ácido desoxirribonucleico, o ADN, es el material genético responsable de pasar rasgos de generación en generación en todos los organismos y la mayoría de los virus. El ADN se compone de dos hebras de nucleótidos que se rodean entre sí para formar una doble hélice. El descubrimiento de la estructura del ADN ocurrió progresivamente durante casi un siglo, representando una de las historias más famosas y cautivadoras en la historia de la ciencia.
Cada hebra de ADN consiste en subunidades llamadas nucleótidos que contienen la desoxirribosa de azúcar, un grupo de fosfatos y una de las cuatro bases que contienen nitrógeno: adenina (A), guanina (G), citosina (C) y timina (T). La adenina y la guanina son miembros de una clase más grande de productos químicos llamados purinas que contienen estructuras de dos anillos. La citosina y la timina pertenecen a un grupo de estructuras de un solo anillo llamadas pirimidinas.
Los nucleótidos adyacentes en la misma hebra están unidos covalentemente por enlaces fosfodiester. Las dos hebras de nucleótidos se mantienen unidas por enlaces de hidrógeno, en los que las adeninas en una hebra se emparejan con timinas en la misma posición en la otra hebra, y las citosinas en una hebra se emparejan con guaninas en la misma posición en la otra hebra. Esta unión de hidrógeno es posible gracias a la disposición antiparalazela de las dos hebras de ADN, en las que los extremos de 5′ y 3′ de las hebras están orientados en direcciones opuestas. Sin esta disposición, los nucleótidos estarían en la posición equivocada para formar enlaces de hidrógeno entre hebras.
Las dos hebras de la molécula de ADN se enrollan firmemente en una estructura similar a un resorte llamada doble hélice. Sin embargo, la doble hélice no es perfectamente simétrica. En su lugar, hay ranuras que ocurren regularmente en la estructura. La ranura principal ocurre donde la columna vertebral de azúcar-fosfato está relativamente lejos. Este espacio otorga acceso a proteínas de unión del ADN, como factores de transcripción. La ranura menor, por el contrario, ocurre donde las espinas dorsales de azúcar-fosfato están juntas. Relativamente pocas proteínas se unen al ADN a través de la ranura menor.
La historia del descubrimiento de la estructura del ADN comienza en 1869 cuando el científico suizo Friedrich Miescher descubrió una sustancia que llamó “nucleína”. En el proceso de extracción de proteína de glóbulos blancos, Miescher encontró una sustancia inesperada que tenía un contenido relativamente alto de fósforo. No sabía lo que era, pero sospechaba que podía ser biológicamente importante. Miescher tenía razón, pero la comunidad científica tardó décadas en apreciar plenamente sus ideas.
El siguiente descubrimiento crítico fue hecho por el bioquímico ruso Phoebus Levene. En 1919, Levene propuso que la nucleína, para entonces conocida como ácido nucleico, estaba compuesta de cadenas de moléculas que él llamó polinucleótidos. La propuesta de Levene surgió de su investigación sobre levadura, en la que encontró que los nucleótidos individuales estaban compuestos por un grupo de fosfatos, un azúcar y una base que contiene nitrógeno. Aunque el modelo de polinucleótidos de Levene era correcto en muchos aspectos, todavía no estaba claro cómo se dispuso las bases en la molécula de ADN.
El bioquímico austriaco Erwin Chargaff amplió la obra de Levene. Trabajando a finales de la década de 1940, Chargaff hizo un hallazgo clave: la cantidad de adenina en el ADN es siempre aproximadamente igual a la cantidad de timina, y la cantidad de guanina es siempre más o menos igual a la cantidad de citosina. Este patrón se conoció como regla de Chargaff y fue una pieza clave de evidencia que permitió el esclarececión final de la estructura del ADN.
A principios de la década de 1950, el biólogo estadounidense James Watson y el físico inglés Francis Crick estaban compitiendo con su principal rival, el estadounidense Linus Pauling, para descubrir la estructura tridimensional del ADN. Basándose en el trabajo de Chargaff, utilizaron el conocimiento de la física, las matemáticas y la química para construir modelos físicos de ADN. Pero no tuvieron éxito hasta que recibieron una pieza crítica de datos: una “fotografía” de rayos X del ADN que indicaba con detalle su estructura doble-helical. Esta fotografía fue de los datos inéditos del físico Rosalind Franklin y se le dio a Watson y Crick sin el conocimiento de Franklin. Watson y Crick publicaron su descripción de la estructura del ADN en 1953, y junto con Maurice Wilkins (un colaborador de Franklin), ganaron el Premio Nobel de Fisiología o Medicina de 1962 por este descubrimiento. Lamentablemente, Franklin murió en 1958 y por lo tanto no era elegible para un Premio Nobel.
