Saltar al contenido principal
Library homepage
 
LibreTexts Español

2.6: Estructura y Función - Ácidos Nucleicos

  • Page ID
    52869
  • \( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)\(\newcommand{\AA}{\unicode[.8,0]{x212B}}\)

    Fuente: BiochemFFA_2_5.pdf. Todo el libro de texto está disponible de forma gratuita de los autores en http://biochem.science.oregonstate.edu/content/biochemistry-free-and-easy

    Los ácidos nucleicos, ADN y ARN, pueden considerarse como las moléculas de información de la célula. En esta sección, examinaremos las estructuras de ADN y ARN, y cómo estas estructuras están relacionadas con las funciones que realizan estas moléculas.

    Comenzaremos con el ADN, que es la información hereditaria en cada célula, que se copia y se transmite de generación en generación. La carrera para dilucidar la estructura del ADN fue una de las historias más grandes de la ciencia del siglo XX. Descubierto en 1869 por Friedrich Miescher, el ADN fue identificado como el material genético en experimentos de la década de 1940 dirigidos por Oswald Avery, Colin MacLeod y Maclyn McCarty. El trabajo de difracción de rayos X de Rosalind Franklin y las observaciones de Erwin Chargaff fueron combinadas por James Watson y Francis Crick para formar un modelo de ADN que conocemos hoy en día. Su famoso artículo, en el número del 25 de abril de 1953 de Nature, abrió la era moderna de la biología molecular. Podría decirse que ese artículo de una página ha tenido más impacto científico por palabra que cualquier otro artículo de investigación jamás publicado. Hoy en día, cada estudiante de biología de secundaria está familiarizado con la estructura de doble hélice del ADN y sabe que G se empareja con C y A con T.

    La doble hélice, compuesta por un par de cadenas de ADN, tiene en su núcleo, bases unidas por enlaces de hidrógeno para formar pares de bases: la adenina siempre emparejada con timina, y la guanina invariablemente emparejada con citosina. Se forman dos enlaces de hidrógeno entre adenina y timina, pero tres enlaces de hidrógeno mantienen unidos guanina y citosina (Figura 2.127).

    Figura 2.127 - Un dúplex de ADN con pares de bases, un primer plano del emparejamiento de bases y un primer plano de un nucleótido Wikipedia

    La estructura complementaria sugirió inmediatamente a Watson y Crick cómo el ADN podría ser (y de hecho, es) replicado y explica más a fondo cómo la información es el ADN se transmite al ARN para la síntesis de proteínas. Además de los enlaces de hidrógeno entre las bases de cada hebra, la doble hélice se mantiene unida por interacciones hidrofóbicas de las bases apiladas, no polares. Crucialmente, la secuencia de las bases en el ADN lleva la información para hacer proteínas. Leída en grupos de tres, la secuencia de las bases especifica directamente la secuencia de los aminoácidos en la proteína codificada.

    Estructura

    Una cadena de ADN es un polímero de nucleósidos monofosfatos mantenidos unidos por enlaces fosfodiéster. Dos de esas hebras emparejadas forman la molécula de ADN, que luego se tuerce en una hélice. En la Bform más común, la hélice de ADN tiene una repetición de 10.5 pares de bases por turno, con azúcares y fosfato formando la “cadena principal” de fosfodiéster covalente de la molécula y las bases de adenina, guanina, citosina y timina orientadas en el medio donde forman los ahora familiares pares de bases que se parecen a los peldaños de una escalera.

    Bloques de construcción

    El término nucleótido se refiere a los bloques de construcción tanto del ADN (desoxirribonucleósidos trifosfatos, dNTP) como del ARN (ribonucleósidos trifosfatos, NTP). Para discutir este importante grupo de moléculas, es necesario definir algunos términos.

    Los nucleótidos contienen tres componentes estructurales primarios. Estos son una base nitrogenada, un azúcar pentosa y al menos un fosfato. Las moléculas que contienen solo un azúcar y una base nitrogenada (sin fosfato) se llaman nucleósidos. Las bases nitrogenadas que se encuentran en los ácidos nucleicos incluyen adenina y guanina (llamadas purinas) y citosina, uracilo o timina (llamadas pirimidinas). Se encuentran dos azúcares en los nucleótidos: desoxirribosa y ribosa (Figura 2.128). Por convención, los carbonos en estos azúcares están etiquetados 1' a 5'. (Esto es para distinguir los carbonos en los azúcares de los que están en las bases, que tienen sus carbonos simplemente etiquetados como 1, 2, 3, etc.) La desoxirribosa difiere de la ribosa en la posición 2', teniendo la ribosa un grupo OH, donde la desoxirribosa tiene H.

    Figura 2.128 - Nucleósidos, nucleósidos y bases

    Los nucleótidos que contienen desoxirribosa se denominan desoxirribonucleótidos y son las formas que se encuentran en el ADN. Los nucleótidos que contienen ribosa se denominan ribonucleótidos y se encuentran en el ARN. Tanto el ADN como el ARN contienen nucleótidos con adenina, guanina y citosina, pero con excepciones muy menores, el ARN contiene nucleótidos de uracilo, mientras que el ADN contiene nucleótidos de timina. Cuando una base se une a un azúcar, el producto, un nucleósido, gana un nuevo nombre.

    • uracilo que contiene = uridina (unida a la ribosa)/desoxiuridina (unida a desoxirribosa)
    • que contiene timina = ribotimidina (unida a la ribosa)/timidina (unida a la desoxirribosa)
    • que contiene citosina = citidina (unida a ribosa - Figura 2.129)/desoxicitidina (unida a desoxirribosa)
    • guanina que contiene = guanosina (unida a la ribosa)/desoxiguanosina (unida a desoxirribosa)
    • adenina que contiene = adenosina (unida a la ribosa)/desoxiadenosina (unida a la desoxirribosa)

    De estas, la desoxiuridina y la ribotimidina son las menos comunes. La adición de uno o más fosfatos a un nucleósido lo convierte en un nucleótido. Los nucleótidos a menudo se denominan fosfatos de nucleósidos, por esta razón. El número de fosfatos en el nucleótido se indica mediante los prefijos apropiados (mono, di o tri).

    Figura 2.129 Citidina

    Así, la citidina, por ejemplo, se refiere a un nucleósido (sin fosfato), pero el monofosfato de citidina se refiere a un nucleótido (con un fosfato). La adición de segundo y tercer fosfatos a un nucleósido monofosfato requiere energía, debido a la repulsión de fosfatos cargados negativamente y esta energía química es la base de los nucleótidos trifosfato de alta energía (como el ATP) que alimentan las células.

    Nota: Ribonucleótidos como fuentes de energía

    Aunque el ATP es la fuente de energía celular más común y conocida, cada uno de los cuatro ribonucleótidos juega un papel importante en el suministro de energía. GTP, por ejemplo, es la fuente de energía para la síntesis de proteínas (traducción) así como para un puñado de reacciones metabólicas. Un vínculo entre UDP y glucosa hace que la UDP-glucosa sea el bloque de construcción para producir glucógeno. El CDP está unido de manera similar a varios bloques de construcción moleculares diferentes importantes para la síntesis de glicerofosfolípidos (como CDP-diacilglicerol).

    La mayor parte del ATP producido en las células no proviene del metabolismo bioquímico acoplado directamente, sino por los procesos combinados de transporte de electrones y fosforilación oxidativa en mitocondrias y/o fotofosforilación que se produce en los cloroplastos de organismos fotosintéticos. La energía trifosfato en ATP se transfiere a los otros nucleósidos/nucleótidos por acción de enzimas llamadas quinasas. Por ejemplo, la nucleósido difosfoquinasa (NDPK) cataliza la siguiente reacción

    \[\ce{ATP + NDP <-> ADP + NTP}\]

    donde 'N' de “NDP” y “NTP corresponde a cualquier base. Otras quinasas pueden poner fosfatos individuales en nucleósidos o en monofosfatos de nucleósidos usando energía de ATP.

    Desoxirribonucleótidos

    Los desoxirribonucleótidos individuales se derivan de los correspondientes ribonucleósidos difosfatos vía catálisis por la enzima conocida como ribonucleótido reductasa (RNR). Los desoxirribonucleósidos difosfatos se convierten luego en los correspondientes trifosfatos (dNTP) mediante la adición de un grupo fosfato. La síntesis de nucleótidos que contienen timina es distinta de la síntesis de todos los demás nucleótidos y se discutirá más adelante.

    Construcción de hebras de ADN

    Cada cadena de ADN se construye a partir de dNTPs mediante la formación de un enlace fosfodiéster, catalizado por la ADN polimerasa, entre el 3'OH de un nucleótido y el fosfato 5' del siguiente. El resultado de este crecimiento direccional de la cadena es que un extremo de la cadena tiene un 5' fosfato libre y el otro un grupo hidroxilo 3' libre (Figura 2.130). Estos se designan como los extremos 5' y 3' de la cadena.

    Figura 2.130 - Polaridad 5'-3' de una cadena de ADN

    La Figura 2.131 muestra dos cadenas de ADN (izquierda y derecha). La hebra de la izquierda, de 5' a 3', lee T-C-G-A, mientras que la cadena de la derecha, leyendo de 5' a 3', es T-C-G-A. Las cadenas en un ADN bicatenario están dispuestas de manera antiparalela con el extremo 5' de una hebra a través del extremo 3' de la otra.

    Enlaces de hidrógeno

    Los enlaces de hidrógeno entre los pares de bases mantienen juntos un dúplex de ácido nucleico, con dos enlaces de hidrógeno por par A-T (o por par A-U en ARN) y tres enlaces de hidrógeno por par G-C. La forma B del ADN tiene un surco mayor prominente y un surco menor que traza la trayectoria de la hélice (Figura 2.132). Las proteínas, como los factores de transcripción, se unen en estos surcos y acceden a los enlaces de hidrógeno de los pares de bases para “leer” la secuencia en ellos.

    Figura 2.131 - Orientación antiparalela de un dúplex de ADN, cadena principal de fosfodiéster y emparejamiento de bases Imagen de Aleia Kim

    Se conocen otras formas de ADN además de la forma B (Película 2.5) (Figura 2.133). Una de ellas, la forma A, fue identificada por Rosalind Franklin en el mismo número de Nature que el artículo de Watson y Crick. Aunque la estructura de la forma A es una forma relativamente menor de ADN y se asemeja a la forma B, resulta ser importante en la forma dúplex del ARN y en los híbridos ARN-ADN. Tanto la forma A como la forma B del ADN tienen la hélice orientada en lo que se denomina la forma diestra.

    Figura 2.132 - Ranuras mayores y menores del ADN. El surco menor ha sido atado por un tinte Wikipedia

    Película 2.5 - Dúplex de ADN en forma B que gira en el espacio Wikipedia

    Z-DNA

    La forma A y la forma B contrastan con otra forma de ADN, conocida como la forma Z. ZDNA, como se le conoce, tiene las mismas reglas de emparejamiento de bases que las formas B y A, pero en cambio tiene las hélices retorcidas en sentido contrario, haciendo una hélice zurda (Figura 2.133). La forma Z tiene una especie de forma zig-zag, dando lugar al nombre Z-DNA.

    Además, la hélice está bastante estirada en comparación con las formas A y B. ¿Por qué existen diferentes formas topológicas de ADN? La respuesta se relaciona tanto con la tensión superhelicoidal como con el sesgo secuencial. El sesgo de secuencia significa que ciertas secuencias tienden a favorecer el “volteo” del ADN de Bform en otras formas. Las formas de ZDNA se ven favorecidas por largos tramos de Gs y Cs alternantes. La tensión superhelicoidal se analiza a continuación.

    Superhelicidad

    Figura 2.133 - De izquierda a derecha, las formas A-, B- y Zforms del ADN

    Los tramos cortos de dúplex lineales de ADN existen en la forma B y tienen 10.5 pares de bases por giro. Las hélices dobles de ADN en la célula pueden variar en el número de pares de bases por turno que contienen. Hay varias razones para ello. Por ejemplo, durante la replicación del ADN, las hebras de ADN en el sitio de replicación se desenrollan a razón de 6000 rpm por una enzima llamada helicasa. El efecto de tal desenrollado local en un lugar en un ADN tiene el efecto de aumentar el devanado por delante de él. Sin alivio, tal 'tensión' en un dúplex de ADN puede resultar en obstáculos estructurales para la replicación.

    Figura 2.134 - ADN superenrollado negativamente, circular relajado y superenrollado positivamente interconvertido por enzimas topoisomerasa Wikipedia

    Dichos ajustes pueden ocurrir de tres maneras. Primero, la tensión puede proporcionar la energía para 'voltear' la estructura del ADN. El Z-DNA puede surgir como un medio para aliviar la tensión. Segundo, el ADN puede 'superenrollarse' para aliviar la tensión (Fi gures 2.134 y 2.135). En este método, el dúplex se cruza repetidamente sobre sí mismo, al igual que una banda de goma se enrollará si uno sostiene una sección en su lugar y tuerce otra parte de ella. Tercero, las enzimas llamadas topoisomerasas pueden actuar para aliviar o, en algunos casos, aumentar la tensión al agregar o eliminar giros en el ADN.

    Figura 2.135 - Tres formas topológicas de ADN Wikipedia

    Isómeros topológicos

    Como se señaló, el llamado ADN “relajado” tiene 10.5 pares de bases por turno. Cada giro corresponde a una torsión del ADN. Usando enzimas, es posible cambiar el número de pares de bases por turno. Ya sea en el caso de aumentar o disminuir los giros por giro, se introduce tensión en la estructura del ADN. Si no se puede aliviar la tensión, el dúplex de ADN actuará para aliviar la cepa, como se señaló. Esto se visualiza más fácilmente para el ADN circular, aunque el ADN lineal largo (como el que se encuentra en los cromosomas eucariotas) o los ADN restringidos de otras maneras exhibirán el mismo comportamiento.

    Parámetros

    Figura 2.136 - Torsiones y retorcimientos - Se omite el arrollamiento dúplex de ADN para simplificar Wikipedia

    Para entender las topologías, introducimos los conceptos de 'writhe' y 'linking number'. Primero, imagínese abrir un círculo cerrado de ADN y quitar una torsión o agregar una torsión y luego volver a formar el círculo. Dado que las hebras no tienen extremos libres, no pueden aliviar la tensión inducida al volver a agregar o quitar los giros en sus extremos, respectivamente. En cambio, la tensión es aliviada por “superhélices” que se forman con el cruce de las hebras dobles entre sí (figura 8 estructuras en la figura 2.136). Aunque no es aparente visualizar, cada cruce de las dobles hebras de esta manera permite aumentar o disminuir los giros correspondientemente. Por lo tanto, la superhelicidad permite que la doble hélice reasuma 10.5 pares de bases por giro sumando o restando giros según sea necesario y reemplazándolos con retorcimientos.

    Escribimos la ecuación L= T + W donde T es el número de giros en un ADN, W es el número de retorcimientos y L es el número de enlace. El número de enlace es, por lo tanto, la suma de los giros y retorces. Curiosamente, dentro de las células, los ADN típicamente están en una forma superenrollada. El superenrollamiento afecta el tamaño del ADN (lo compacta) y también la expresión de genes dentro del ADN, algunos tienen expresión potenciada y algunos tienen expresión reducida cuando hay superenrollamiento presente. Las enzimas llamadas topoisomerasas alteran la densidad superhelicoidal de los ADN y desempeñan un papel en la replicación del ADN, la transcripción y el control de la expresión génica. Funcionan haciendo cortes en una hebra (topoisomerasas Tipo I) o ambas hebras (topoisomerasas Tipo II) y luego agregan o restan giros según corresponda al ADN diana. Una vez completado ese proceso, la topoisomerasa vuelve a ligar el níquel/corte que había hecho en el ADN en el primer paso.

    Las topoisomerasas pueden ser las dianas de los antibióticos. La familia de antibióticos conocidos como fluoroquinolonas funcionan interfiriendo con la acción de las topoisomerasas bacterianas tipo II. La ciprofloxacina también se dirige preferentemente a topoisomerasas bacterianas tipo II. Otros inhibidores de la topoisomerasa se dirigen a las topoisomerasas eucariotas y se utilizan en tratamientos anticancerígenos.

    RNA

    La estructura del ARN (Figura 2.137) es muy similar a la de una sola cadena de ADN. Construido de ribonucleótidos, unidos por el mismo tipo de enlaces fosfodiéster que en el ADN, el ARN usa uracilo en lugar de timina. En las células, el ARN es ensamblado por las ARN polimerasas, que copian un molde de ADN de la misma manera que las ADN polimerasas replican una cadena parental. Durante la síntesis de ARN, se usa uracilo frente a una adenina en el molde de ADN. La construcción de ARN mensajeros mediante la copia de un molde de ADN es un paso crucial en la transferencia de la información en el ADN a una forma que dirige la síntesis de proteínas. Adicionalmente, los ARN ribosómicos y de transferencia desempeñan un papel importante en la “lectura” de la información en los codones de ARNm y en la síntesis de polipéptidos. También se sabe que los ARN desempeñan papeles importantes en la regulación de la expresión génica.

    Figura 2.137 Una sección de una molécula de ARN Wikipedia

    Mundo de ARN

    El descubrimiento, en 1990, de que los ARN podrían desempeñar un papel en la catálisis, una función que alguna vez se pensó que era únicamente el dominio de las proteínas, fue seguido por el descubrimiento de muchos más llamados ribozimas- ARN que funcionaban como enzimas. Esto sugirió la respuesta a un rompecabezas de pollo o huevo de larga data: si el ADN codifica proteínas, pero la replicación del ADN requiere proteínas, ¿cómo surgió un sistema replicante? Este problema podría resolverse si el primer replicador fuera el ARN, una molécula que puede tanto codificar información como llevar a cabo catálisis. Esta idea, llamada la hipótesis del “mundo del ARN”, sugiere que el ADN como material genético y las proteínas como catalizadores surgieron más tarde, y finalmente prevalecieron por las ventajas que ofrecen. La falta de 2'OH en la desoxirribosa hace que el ADN sea más estable que el ARN. La estructura bicatenaria del ADN también proporciona una manera elegante de replicarlo fácilmente. Los catalizadores de ARN, sin embargo, permanecen, como remanentes de ese mundo temprano. De hecho, la formación de enlaces peptídicos, esenciales para la síntesis de proteínas, es catalizada por el ARN.

    Estructura secundaria

    Figura 2.138 - Imágenes de ARNt - Proyección 3D (izquierda) y proyección 2D (recuadro) Wikipedia

    Con respecto a la estructura, los ARN son más variados que sus primos de ADN. Creados copiando regiones de ADN, los ARN celulares se sintetizan como cadenas simples, pero a menudo tienen regiones autocomplementarias que conducen a “plegadas” que contienen regiones dúplex. Estos se visualizan más fácilmente en los ARN ribosómicos (ARNr) y los ARN de transferencia (ARNt) (Figura 2.138), aunque otros ARN, incluidos los ARN mensajeros (ARNm), los ARN nucleares pequeños (ARNsns), los microARN (Figura 2.139) y los ARN interferentes pequeños (ARNip) pueden tener regiones helicoidales dobles.

    Figura 2.139 - Bucles de tallo de microARN. Wikipedia

    Emparejamiento de bases

    El apareamiento de bases en el ARN es ligeramente diferente al ADN. Esto se debe a la presencia de la base uracilo en el ARN en lugar de la timina en el ADN. Al igual que la timina, el uracilo forma pares de bases con adenina, pero a diferencia de la timina, el uracilo puede, en cierta medida, también emparejarse con guanina, dando lugar a muchas más posibilidades de emparejamiento dentro de una sola cadena de ARN.

    Estas posibilidades adicionales de emparejamiento de bases significan que el ARN tiene muchas formas en que puede plegarse sobre sí mismo que el ADN monocatenario no puede. El plegamiento, por supuesto, es crítico para la función de las proteínas, y ahora sabemos que, al igual que las proteínas, algunos ARN en su forma plegada pueden catalizar reacciones al igual que las enzimas. Dichos ARN se denominan ribozimas. Es por ello que los científicos piensan que el ARN fue el primer material genético, pues no sólo podía llevar información, sino también catalizar reacciones. Tal esquema podría permitir que ciertos ARN hicieran copias de sí mismos, lo que, a su vez, haría más copias de sí mismos, proporcionando una selección positiva.

    Estabilidad

    El ARN es menos estable químicamente que el ADN. La presencia del hidroxilo 2' en la ribosa hace que el ARN sea mucho más propenso a la hidrólisis que el ADN, que tiene un hidrógeno en lugar de un hidroxilo. Además, el ARN tiene uracilo en lugar de timina. Resulta que la citosina es la base menos estable químicamente en los ácidos nucleicos. Se puede desaminar espontáneamente y a su vez se convierte en un uracilo. Esta reacción ocurre tanto en el ADN como en el ARN, pero como el ADN normalmente tiene timina en lugar de uracilo, la presencia de uracilo en el ADN indica que se ha producido la desaminación de la citosina y que el uracilo necesita ser reemplazado por una citosina. Tal evento que ocurre en el ARN sería esencialmente indetectable, ya que el uracilo es un componente normal del ARN. Las mutaciones en el ARN tienen muchas menos consecuencias que las mutaciones en el ADN porque no se pasan entre células en división.

    Catálisis

    La estructura del ARN, al igual que la estructura proteica, tiene importancia, en algunos casos, para la función catalítica. Al igual que las bobinas aleatorias en proteínas que dan lugar a estructura terciaria, las regiones monocatenarias de ARN que enlazan regiones dúplex dan a estas moléculas una estructura terciaria, también. Los ARN catalíticos, llamados ribozimas, catalizan importantes reacciones celulares, incluyendo la formación de enlaces peptídicos en ribosomas (Figura 2.114). El ADN, que suele estar presente en las células en formas estrictamente dúplex (sin estructura terciaria, per se), no se sabe que esté involucrado en la catálisis.

    Las estructuras de ARN son importantes por razones distintas a la catálisis. La disposición 3D de los ARNt es necesaria para que las enzimas que unen aminoácidos a ellos lo hagan correctamente. Además, los ARN pequeños llamados ARNip que se encuentran en el núcleo de las células parecen desempeñar un papel tanto en la regulación génica como en las defensas celulares contra los virus. La clave de los mecanismos de estas acciones es la formación de estructuras cortas de ARN plegadas que son reconocidas por las proteínas celulares y luego cortadas en unidades más pequeñas. Una cadena se copia y se usa para emparejar bases con ARNm específicos para evitar la síntesis de proteínas a partir de ellos.

    Figura 2.140 - Estructura de la subunidad ribosómica 50S. ARNr mostrado en marrón. Sitio activo en rojo Wikipedia

    Ácidos nucleicos desnaturalizantes

    Figura 2.141 - El efecto hipercrómico Wikipedia

    Al igual que las proteínas, los ácidos nucleicos se pueden desnaturalizar. Las fuerzas que mantienen unidos los dúplex incluyen enlaces de hidrógeno entre las bases de cada hebra que, al igual que los enlaces de hidrógeno en las proteínas, pueden romperse con calor o urea. (Otra fuerza estabilizadora importante para el ADN surge de las interacciones de apilamiento entre las bases en una cadena). Las hebras simples absorben la luz a 260 nm más fuertemente que las hebras dobles. Esto se conoce como el efecto hipercrómico (Figura 2.141) y es consecuencia de la interrupción de las interacciones entre las bases apiladas. Los cambios en la absorbancia permiten seguir fácilmente el curso de la desnaturalización del ADN. Los dúplex desnaturalizados pueden renaturalizarse fácilmente cuando la temperatura baja por debajo de la “temperatura de fusión” o Tm, la temperatura a la que la mitad de las cadenas de ADN están en forma dúplex. Bajo tales condiciones, las dos cadenas pueden volver a formar enlaces de hidrógeno entre las secuencias complementarias, devolviendo el dúplex a su estado original. Para el ADN, la separación de cadenas y la rehibridación son importantes para la técnica conocida como reacción en cadena de la polimerasa (PCR). La separación de hebras de los dúplex de ADN se logra en el método calentándolos a ebullición. La hibridación es un aspecto importante del método que requiere cebadores monocatenarios para “encontrar” secuencias coincidentes en el ADN molde y formar un dúplex. Las consideraciones para una hibridación eficiente (también llamada hibridación) incluyen temperatura, concentración de sal, concentración de cadena y niveles de iones magnesio (para más información sobre PCR, consulte AQUÍ).

    Envasado de ADN

    El ADN es fácilmente la macromolécula más grande de una célula. El cromosoma único en células bacterianas pequeñas, por ejemplo, puede tener un peso molecular de más de mil millones de Daltons. Si uno tomara todo el ADN de los cromosomas humanos de una sola célula y los pusiera de extremo a extremo, tendrían más de 7 pies de largo. Una molécula tan enorme exige un empaquetado cuidadoso para encajar dentro de los confines de un núcleo (eucariotas) o una célula diminuta (bacteria). El sistema de cromatina de los eucariotas es el más conocido, pero las bacterias, también, tienen un sistema para compactar el ADN.

    ADN en bacterias

    En las bacterias, no hay núcleo para el ADN. En cambio, el ADN está contenido en una estructura llamada nucleoide (Figura 2.142). Contiene aproximadamente 60% de ADN con gran parte del resto compuesto por ARN y factores de transcripción. Las bacterias no tienen proteínas histonas que el ADN envuelva, pero sí tienen proteínas que ayudan a organizar el ADN en la célula, principalmente al hacer estructuras en forma de lazo.

    Figura 2.142 - Anatomía de una célula bacteriana.

    Estas proteínas son conocidas como Proteínas Asociadas a Nucleoides e incluyen las llamadas HU, H-NS, Fis, CbPa y Dps. De estos, HU se parece más a la histona eucariota H2B y se une al ADN de forma no específica. Las proteínas se asocian con el ADN y también pueden agruparse, lo que puede ser el origen de los bucles. Es probable que estas proteínas jueguen un papel en ayudar a regular la transcripción y responder al daño del ADN. También pueden estar involucrados en la recombinación.

    Eucariotas

    Figura 2.143 - Estructura de un nucleosoma Wikipedia

    El método que usan los eucariotas para compactar el ADN en el núcleo es considerablemente diferente, y con una buena razón: los ADN eucariotas suelen ser mucho más grandes que los ADN procariotas, pero deben encajar en un núcleo que no es mucho más grande que una célula procariota. El ADN humano, por ejemplo, es aproximadamente 1000 veces más largo que el ADN c. La estrategia empleada en las células eucariotas es la de enrollar: el ADN se enrolla alrededor de proteínas cargadas positivamente llamadas histonas. Estas proteínas, cuya secuencia es muy similar en células tan diversas como la levadura y los humanos, vienen en cuatro tipos, denominados H1, H2a, H2b, H3 y H4. Un sexto tipo, denominado H5 es en realidad una isoforma de H1 y es raro. Dos de cada uno de H2a, H2b, H3 y H4 se encuentran en la estructura central de lo que se llama la unidad fundamental de la cromatina: el nucleosoma (Figura 2.143).

    Octámero

    Figura 2.144 - Estructura detallada de la partícula central - ADN en gris, histonas en rojo, amarillo, verde, azul Wikipedia

    El núcleo de 8 proteínas se llama octámero. El tramo de ADN envuelto alrededor del octámero totaliza alrededor de 147 pares de bases y hace 1 2/3 vueltas alrededor de él. Este complejo se conoce como una partícula central (Figura 2.144). Una región enlazadora de aproximadamente 50-80 pares de bases separa las partículas del núcleo. El término nucleosoma se refiere entonces a una partícula central más una región enlazadora (Figura 2.143). La histona H1 se encuentra cerca de la unión del ADN entrante y el núcleo de histona. A menudo se le conoce como el enlazador histona. En ausencia de H1, los nucleosomas no condensados se asemejan a “perlas en una cuerda” cuando se ven en un microscopio electrónico.

    Histonas

    Figura 2.145 - Secuencia de aminoácidos (código de 1 letra) de la histona H3 de S. cerevisiae. Argininas (R) y lisinas (K) se muestran en rojo.

    Las proteínas histonas son similares en estructura y son ricas en aminoácidos básicos, como la lisina y la arginina (Figura 2.145). Estos aminoácidos están cargados positivamente a pH fisiológico, lo que les permite formar enlaces iónicos estrechos con la cadena principal de fosfato cargada negativamente del ADN.

    Para el ADN, la compresión viene en diferentes niveles (Figura 2.146). El primer nivel se encuentra en el nivel nucleosómico. Los nucleosomas se apilan y enrollan en estructuras de orden superior. Las fibras de 10 nm son la estructura de orden superior más simple (perlas en una cuerda) y crecen en complejidad. Las fibras de 30 nm consisten en nucleosomas apilados y están empaquetadas firmemente. El empaque de mayor nivel produce el cromosoma metafásico que se encuentra en la meiosis y mitosis.

    Figura 2.146 Envasado de ADN en un cromosoma

    El complejo de cromatina es una preocupación logística para los procesos de replicación del ADN y (particularmente) expresión génica donde se deben transcribir regiones específicas del ADN. Por lo tanto, alterar la estructura de la cromatina es una función esencial para la activación transcripcional en eucariotas. Una estrategia consiste en agregar grupos acetilo a las cadenas laterales de lisina con carga positiva para “aflojar su agarre” en el ADN cargado negativamente, permitiendo así un mayor acceso de las proteínas involucradas en la activación de la transcripción para obtener acceso al ADN. Los mecanismos implicados en la expresión de genes eucariotas son

    Prueba Ames

    La prueba de Ames (Figura 2.147) es un método analítico que permite determinar si un compuesto causa mutaciones en el ADN (es mutagénico) o no. La prueba lleva el nombre del Dr. Bruce Ames, un profesor emérito de UC Berkeley que fue instrumental en su creación. En el procedimiento, un solo par de bases de un marcador seleccionable de un organismo se muta en un plásmido para hacerlo no funcional. En el ejemplo, se crea una cepa de Salmonella que carece de la capacidad de crecer en ausencia de histidina. Sin histidina, el organismo no crecerá, pero si esa base en el gen de histidina del plásmido se vuelve a cambiar a su base original, se elaborará un gen funcional y el organismo podrá crecer sin histidina.

    Un cultivo de la bacteria carente del gen funcional se cultiva con el aporte de histidina que requiere. Se divide en dos viales. A uno de los viales se le agrega un compuesto del que se quiere probar la mutagenicidad. Al otro vial, no se le agrega nada. Las bacterias en cada vial se esparcen sobre placas que carecen de histidina. En ausencia de mutación, ninguna bacteria crecerá. Cuantas más colonias de bacterias crecen, más mutación ocurrió. Obsérvese que incluso el vial sin el posible compuesto mutagénico tendrá algunas colonias creciendo, como resultado de mutaciones desligadas al potencial mutágeno.

    Figura 2.147 - La prueba de Ames Wikipedia

    La mutación ocurre en todas las células a un nivel bajo. Si la placa con las células del vial con el compuesto tiene más colonias que las células del vial de control (sin compuesto), entonces eso sería evidencia de que el compuesto causa más mutaciones de las que normalmente ocurrirían y por lo tanto es un mutágeno. Por otro lado, si no hubo diferencia significativa en el número de colonias en cada placa, entonces eso sugeriría que no es mutagénica. La prueba no es perfecta -identifica alrededor del 90% de los mutágenos conocidos- pero su simplicidad y diseño económico la convierten en una excelente opción para una selección inicial de un compuesto.


    This page titled 2.6: Estructura y Función - Ácidos Nucleicos is shared under a CC BY-NC-SA license and was authored, remixed, and/or curated by Kevin Ahern, Indira Rajagopal, & Taralyn Tan.