La observación de que las bases están presentes en diferentes cantidades en el ADN de diferentes especies llevó al concepto de que la secuencia de bases es la forma en la cual la información genética es transportada.
Existen 3 evidencias que llevaron a Watson y Crick (en 1953) a la construcción del modelo de la doble hélice del ADN:
1.- La difracción de rayos X muestra que el ADN tiene una forma de hélice regular, teniendo una vuelta casa 34 Å (3.4 nm) con un diámetro de aproximadamente 20 Å (2 nm). De acuerdo a lo anterior, debe tener 10 nucleótidos por vuelta.
2.- La densidad del ADN sugiere que la hélice debe contener cadenas de polinucleótidos. El diámetro constante de la hélice puede ser explicado si las bases de cada cara de la cadena están hacia adentro y están restringidas de tal manera que las purinas están siempre opuestas a las pirimidinas, evitando así los pares purina-purina o pirimidina-pirimidina.
3.- La proporción de G es siempre la misma que la de C en el ADN y las proporciones de A son siempre las mismas que las de T. De tal forma que la composición de cualquier ADN puede ser descrita por la proporción de sus bases C+G la cual varia entre 26 y 74 % dependiendo de la especie.
Watson y Crick propusieron que las dos cadenas de polinucléotidos en la doble hélice están asociadas por puentes de hidrógeno entre las bases nitrogenadas:
La siguiente figura muestra que usualmente, G solo puede hacer puentes de hidrógeno con G, por el contrario, A solo puede unirse con T. Estas reacciones se describen como pares de bases y las bases apareadas (G con C y A con T) son complementarias.
Figura: complementariedad de los pares de bases de Watson y Crick.
El modelo requiere las dos cadenas de polinucléotidos corriendo en direcciones (antiparalelas). Al observar la hélice, se aprecia que una hebra corre en dirección 5´–3´, mientras que su hebra complementaria lo hace en dirección 3´ – 5´. Esto se refiere al enlace que se forma entre el grupo fosfato en posición 3´ de un nucleótido y el grupo hidroxilo 5´ en el siguiente nucleótido, de tal forma que en los extremos se encuentra un grupo3’ libre de un lado y uno 5´ del otro.
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Figura: las cadenas de ADN son antiparalelas.
El esqueleto azúcar-fosfato está en el exterior de la hélice y lleva cargas negativas en los grupos fosfato. In vitro, el ADN en solución las cargas se neutralizan por la unión de iones metálicos, típicamente por Na+. In vivo, las cargas son neutralizadas por proteínas cargadas positivamente. Estas proteínas juegan un papel muy importante al determinar la organización del ADN en la célula.
Las bases se encuentran en el interior, acomodadas por pares perpendiculares a lo largo del eje de la hélice. Los pares de bases contribuyen a la estabilidad termodinámica de la doble hélice de dos formas. La energía es liberada por la formación de los pares de bases y por las interacciones entre los pares de bases adyacentes:
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10 pares de bases
Figura: el esqueleto de la molécula de ADN.
Los puentes de hidrógeno entre las bases en cada cadena libera la energía correspondiente a 3 puentes de hidrógeno por cada par C-G y de dos por cada par A-T.
El acoplamiento de las bases es un proceso hidrofóbico que resulta de la interacción entre los sistemas de electrones de los pares de bases. Cada par de bases está involucrado en estas dos interacciones. Las fuerzas de Van der Waals también son importantes en la interacción de los pares de bases.
Cada par de bases está girado aproximadamente 37° alrededor del eje de la hélice con relación al siguiente par de bases, de tal suerte que hay 10 pares de bases en cada vuelta completa de la hélice para completar 360°. El giro de las dos hebras alrededor una de la otra, forma a la doble hélice con un surco mayor (aproximadamente 12 Å) y un surco menor (aproximadamente 22 Å).
La doble hélice está enredada ala derecha, las vueltas corren en sentido de las manecillas del reloj a lo largo del eje de la hélice. Estas características representan el modelo aceptado para lo que se conoce como forma B del ADN.
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