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3.4: Ácidos nucleicos

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    La determinación de la estructura de la forma más común de ADN, conocida como la forma B, fue uno de los avances científicos más importantes del siglo XX. Utilizando datos de Rosalind Franklin, James Watson y Francis Crick iniciaron la era moderna de la biología molecular con su artículo en la edición del 25 de abril de 1953 de Nature. Podría decirse que ese artículo de una sola 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 conoce la estructura helicoidal doble en la que G se empareja con C y A se empareja con T. La molécula de ADN es un polímero de nucleósidos monofosfatos con enlaces fosfodiéster entre el fosfato y el extremo 5' de una desoxirribosa y el extremo 3' de la siguiente. En la forma B, la hélice de ADN tiene una repetición de 10.5 pares de bases por turno, con azúcares y fosfato formando la “cadena principal” 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 parecen los peldaños de una escalera.

    Figura\(\PageIndex{1}\) : Pares de bases A-T (arriba) y pares de bases G-C (abajo).

    Los enlaces de hidrógeno ayudan a mantener unidos los pares de bases, con dos enlaces de hidrógeno por par A-T y tres enlaces de hidrógeno por par G-C. Las dos cadenas de un dúplex de ADN se ejecutan en direcciones opuestas. El extremo 5' de una cadena está emparejado con el extremo 3' de la otra cadena y viceversa en el otro extremo del dúplex. La forma B del ADN tiene un surco mayor prominente y un surco menor que traza el camino de la hélice (mostrado a la izquierda). 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\(\PageIndex{2}\): Doble hélice de ADN.

    Se conocen otras formas de ADN además de la forma B. Uno de ellos, el formulario 'A', fue identificado por Rosalind Franklin en el mismo número de Nature que el artículo de Watson y Crick. Aunque la estructura 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.

    Estos contrastan con otra forma de ADN, conocida como la forma Z. Z-DNA, 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\(\PageIndex{3}\)). La forma Z tiene una especie de forma zig-zag, dando al nombre Z ADN. Además, la hélice está bastante estirada en comparación con las formas A y B. ¿Por qué hay diferentes formas 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 la forma B en otras formas. Las formas Z de ADN se ven favorecidas por largos tramos de Gs y Cs alternantes.

    Figura\(\PageIndex{3}\): Formas A, B y Z del ADN

    Superhelicidad

    Los tramos cortos de dúplex lineales de ADN existen en 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\(\PageIndex{4}\): Topoisómeros de ADN

    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. En este método, los hilos del dúplex pueden cruzarse repetidamente, 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.

    Estructuras de ARN

    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. La estructura de los ARNt y ARNr son excelentes ejemplos. Las reglas de emparejamiento de bases del ADN son las mismas en el ARN (con U en el ARN reemplazando la T del ADN), pero además, el emparejamiento de bases entre G y U también puede ocurrir en el ARN. Este último hecho conduce a muchas más regiones dúplex posibles en el ARN que pueden existir en comparación con cadenas simples de ADN.

    Figura\(\PageIndex{5}\): Estructura 3D de ARNt (izquierda) y proyección 2D (derecha).

    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. 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 importante para que las enzimas que unen aminoácidos a ellos lo hagan correctamente. 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 troceadas 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.

    Ácidos nucleicos desnaturalizantes

    Al igual que las proteínas, los ácidos nucleicos pueden desnaturalizarse. 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 (efecto hipercrómico), lo que permite seguir fácilmente la desnaturalización. Para el ADN, la separación de cadenas y la hibridación de cadenas son aspectos importantes de 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 cadenas simples complementarias para “encontrarse” entre sí y formar un dúplex. Así, los ADN (y los ARN también) pueden renaturalizarse fácilmente, a diferencia de la mayoría de las proteínas. Las consideraciones para una hibridación eficiente (también llamada hibridación) incluyen temperatura, concentración de sal, concentración de cadena y niveles de iones magnesio.

    Figura\(\PageIndex{6}\): Efecto hipercrómico.

    Colaboradores


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