En el interior de las células se encuentran diversas macromoléculas, como los polisacáridos, las proteínas y los ácidos nucleicos. Estas macromoléculas se pueden clasificar como polímeros, lo que significa que tienen una unidad estructural que se repite múltiples veces. Los polisacáridos se forman a partir de la unión de monosacáridos, las proteínas se componen de aminoácidos y los ácidos nucleicos se constituyen mediante la unión de nucleótidos.
Existen dos tipos de ácidos nucleicos: el ácido desoxirribonucleico (ADN), cuya unidad estructural es el desoxirribonucleótido o desoxinucleótido, y el ácido ribonucleico (ARN), que se compone de ribonucleótidos.
En esta sección nos enfocaremos en la estructura química y la estructura secundaria del ADN, mientras que en el siguiente capítulo abordaremos la estructura del ARN.
La molécula de ADN es un polímero formado por la unión covalente de miles de desoxinucleótidos. Cada desoxinucleótido está compuesto por un ácido fosfórico, un azúcar pentosa de 5 átomos de carbono (llamada desoxirribosa en el caso del ADN) y una base nitrogenada. El ADN contiene cuatro bases nitrogenadas diferentes: adenina (A) y guanina (G), que pertenecen al grupo de las purinas, y citosina (C) y timina (T), que pertenecen al grupo de las pirimidinas. La unión entre la pentosa y una base nitrogenada forma una molécula conocida como desoxinucleósido, y la adición de un ácido fosfórico a esta molécula genera el desoxinucleótido.
Los desoxinucleótidos se unen para formar un polímero lineal llamado polidesoxinucleótido. En este polímero, el grupo fosfato en la posición 5' de la desoxirribosa se une mediante un enlace éster al hidroxilo 3' de la desoxirribosa del desoxinucleótido vecino, y así sucesivamente. Esta unión da lugar a una hebra en la que se alternan desoxirribosa y fosfato, mientras que las bases se unen perpendicularmente a esta estructura.
La proporción relativa de cada una de las bases del ADN, así como su secuencia específica, varía de un organismo a otro, ya que la secuencia de bases, única para cada organismo, contiene la información genética que define sus características. En la actualidad, existe tecnología que permite conocer la secuencia de bases de todo el ADN de un organismo. Por ejemplo, se han secuenciado completas las secuencias de más de 60 procariontes, incluyendo las bacterias Haemophilus influenzae y Escherichia coli, así como la arquea Methanococcus jannaschii. También se han obtenido las secuencias genómicas de algunos organismos eucariotas, como el hongo Saccharomyces cerevisiae, la planta Arabidopsis thaliana, la mosca de la fruta Drosophila melanogaster y los seres humanos. La información relacionada con los programas de secuenciación de procariontes se puede encontrar en http://www.tigr.org/tdb.
La estructura secundaria del ADN, propuesta por Watson y Crick, consiste en una doble hélice que gira hacia la derecha, formada por dos hebras de polidesoxinucleótidos orientadas en sentido antiparalelo. Esto significa que el extremo 5' de una hebra se encuentra frente al extremo 3' de la otra hebra. Cada extremo de la molécula de ADN tiene una hebra con una desoxirribosa libre y un ácido fosfórico unido al carbono 5', mientras que la otra hebra presenta una desoxirribosa libre con un grupo hidroxilo (-OH) en posición 3' y un ácido fosfórico unido al carbono 5'. Las dos hebras se unen mediante puentes de hidrógeno de forma específica o complementaria entre las bases. Una molécula de adenina se une a una de timina mediante dos puentes de hidrógeno, y una de guanina se une a una de citosina mediante tres puentes de hidrógeno. En la parte exterior de la hélice, se alternan moléculas de desoxirribosa y fosfato, mientras que las bases se proyectan perpendicularmente hacia el interior de la hélice.
La hélice de ADN tiene aproximadamente 10 pares de bases por vuelta y un diámetro de 2 nm. Esta disposición helicoidal determina la formación de un surco mayor, más ancho, y un surco menor, más estrecho. Las 10 bases de cada vuelta de hélice quedan expuestas en el surco mayor cuando se observan desde un ángulo, y en el surco menor cuando se observan desde otro ángulo. Muchas proteínas que interactúan específicamente con ciertas secuencias de bases en el ADN lo hacen a través del surco mayor, ya que en este surco las bases están más accesibles. Estas interacciones son fundamentales para la regulación de la expresión génica.
El ADN puede adoptar diferentes estructuras alternativas además de la estructura predominante conocida como ADN-B. Estas estructuras incluyen el ADN-A, ADN-C, ADN-Z y ADN curvo. La presencia de agua y la concentración de iones pueden influir en la conformación del ADN. Se ha descubierto que el ADN-Z, una forma de hélice con una configuración zigzag y una giro a la izquierda, puede formarse en regiones donde se alternan purinas y pirimidinas. Esta estructura es menos estable y tiende a convertirse en la forma más común, ADN-B. Se ha encontrado que el ADN-Z desempeña un papel en la transcripción de la información genética y en la organización de los nucleosomas. En general, se ha reconocido que el ADN es una molécula altamente dinámica y su estructura puede variar según diferentes factores, como la secuencia de bases, la concentración de iones, el pH, la temperatura y la interacción con proteínas.