2.5: Forma B, Forma A y Forma Z del ADN

Tres formas principales de ADN son bicatenarias y conectadas por interacciones entre pares de bases complementarias. Estos son los términos forma A, forma B y forma Z ADN.

ADN en forma B

La información de la composición base del ADN, el conocimiento de la estructura de dinucleótidos y la idea de que la cristalografía de rayos X sugería una periodicidad helicoidal fueron combinados por Watson y Crick en 1953 en su modelo propuesto para una estructura helicoidal doble para el ADN. Propusieron dos hebras de ADN —cada una en una hélice a la derecha— enrolladas alrededor del mismo eje. Las dos hebras se mantienen unidas por unión H entre las bases (en anti conformación) como se muestra en la Figura\(\PageIndex{1}\).

Ranura mayor Ranura mayor

Ranura menor Ranura menor

Figura\(\PageIndex{1}\): (izquierda) Un par de bases A: T y (derecha) un par de bases G:C

Las bases encajan en el modelo de doble hélice si la pirimidina en una cadena siempre está emparejada con purina en la otra. De las reglas de Chargaff, las dos hebras se emparejarán A con T y G con C. Esto empareja una base keto con una base amino, una purina con una pirimidina. Se pueden formar dos enlaces H entre A y T, y tres se pueden formar entre G y C. Este tercer enlace H en el par de bases G:C se encuentra entre el grupo amino exocíclico adicional en G y el grupo ceto C2 en C. El grupo ceto de pirimidina C2 no está involucrado en los enlaces de hidrógeno en el par de bases A:T.

Estos son los pares de bases complementarios. El esquema de emparejamiento base sugiere inmediatamente una manera de replicar y copiar la información genética.

Figura\(\PageIndex{2}\): Filas de ADN antiparalelas (a), plectonémicamente enrolladas (b, c, d). Las flechas en a están apuntadas de 3' a 5', pero ilustran la naturaleza antiparalela del dúplex. Las dos hebras del dúplex son antiparalelas y plectonémicamente enrolladas. Los nucleótidos dispuestos en una orientación 5' a 3' en una cadena se alinean con nucleótidos complementarios en la orientación 3' a 5' de la cadena opuesta.

Los dos hilos no están en una simple disposición lado a lado, lo que se llamaría articulación paranémica (Figura\(\PageIndex{3}\)). (Esto se encontrará durante la recombinación en el Capítulo 8.) Más bien, las dos hebras se enrollan alrededor del mismo eje helicoidal y se entrelazan con ellas mismas (que se conoce como una bobina plectonémica). Una consecuencia de este entrelazamiento es que las dos cadenas no se pueden separar sin que el ADN gire, una vuelta del ADN por cada “destorsión” de las dos cadenas.

Figura\(\PageIndex{3}\): El ADN dúplex tiene las dos hebras envueltas una alrededor de la otra en una espiral plectonémica (izquierda), no un dúplex paranémico (derecha).

Dimensiones de la forma B (la más común) del ADN

• 0.34 nm entre pb, 3.4 nm por giro, aproximadamente 10 pb por giro
• 1.9 nm (aproximadamente 2.0 nm o 20 Angstroms) de diámetro

Ranura mayor y menor

El surco mayor es más ancho que el surco menor en el ADN (Figura\(\PageIndex{2d}\)), y muchas proteínas específicas de secuencia interactúan en el surco mayor. Los grupos N7 y C6 de purinas y los grupos C4 y C5 de pirimidinas se enfrentan al surco mayor, por lo que pueden hacer contactos específicos con aminoácidos en las proteínas de unión al ADN. Así, los aminoácidos específicos sirven como donantes y aceptores de enlaces H para formar enlaces H con nucleótidos específicos en el ADN. Los donantes y aceptores de enlaces H también están en el surco menor, y de hecho algunas proteínas se unen específicamente en el surco menor. Los pares de bases se apilan, con cierta rotación entre ellos.

Ácidos nucleicos en forma A y Z‑DNA

Se han descrito tres formas diferentes de ácido nucleico dúplex. La forma más común, presente en la mayoría del ADN a pH neutro y concentraciones salinas fisiológicas, es la forma B. Esa es la clásica estructura helicoidal doble diestra que hemos estado discutiendo. Se ha descrito un dúplex diestro más grueso con una distancia más corta entre los pares de bases para dúplex ARN-ADN y dúplex ARN-ARN. Esto se llama ácido nucleico de forma A.

Una tercera forma de ADN dúplex tiene una estructura helicoidal sorprendentemente diferente para zurdos. Este ADN Z está formado por tramos de purinas y pirimidinas alternas, por ejemplo GCGCGC, especialmente en ADN superenrollado negativamente. Una pequeña cantidad del ADN en una célula existe en la forma Z. Ha sido tentador proponer que esta estructura diferente esté involucrada de alguna manera en la regulación de alguna función celular, como la transcripción o regulación, pero aún no se dispone de pruebas concluyentes a favor o en contra de esta propuesta.

Diferencias entre ácido nucleico de forma A y forma B

La diferencia principal entre el ácido nucleico de la forma A y la forma B está en la conformación del anillo de azúcar de desoxirribosa. Está en la endoconformación C2' para la forma B, mientras que está en la endoconformación C3' en forma A. Como se muestra en la Figura\(\PageIndex{4}\), si se considera el plano definido por los átomos C4'-O-C1' de la desoxirribosa, en la endoconformación C2', el átomo C2' está por encima del plano, mientras que el átomo C3' está por encima del plano en la endoconformación C3'. Esta última conformación acerca a los hidroxilos 5' y 3' (ambos esterificados a los fosfatos que se unen a los siguientes nucleótidos) de lo que se ve en la endoconfromación C2' (Figura 2.16). Así, la distancia entre nucleótidos adyacentes se reduce en aproximadamente 1 Angstrom en forma A con respecto al ácido nucleico de forma B (Figura\(\PageIndex{4}\)).

Figura\(\PageIndex{4}\): Syn y anti conformaciones de la base respecto al azúcar en nucleótidos.

Una segunda diferencia importante entre el ácido nucleico de la forma A y la forma B es la colocación de pares de bases dentro del dúplex. En forma B, los pares de bases están casi centrados sobre el eje helicoidal (Figura\(\PageIndex{4}\)), pero en forma A, se desplazan alejándose del eje central y más cerca de la ranura mayor. El resultado es una hélice en forma de cinta con un núcleo cilíndrico más abierto en forma A.

ADN en forma Z

Z-DNA es una estructura dúplex radicalmente diferente, con las dos hebras enrolladas en hélices zurdas y un patrón pronunciado en zig-zag (de ahí el nombre) en la cadena principal del fosfodiéster. Como se mencionó anteriormente, el Z-ADN se puede formar cuando el ADN está en una secuencia alternante de purina-pirimidina tal como GCGCGC, y de hecho los nucleótidos G y C están en diferentes conformaciones, conduciendo al patrón en zig-zag. La gran diferencia está en el nucleótido G. Tiene el azúcar en la endoconformación C3' (como el ácido nucleico en forma A, y en contraste con el ADN en forma B) y la base guanina está en la sinconformación. Esto coloca la guanina de nuevo sobre el anillo de azúcar, en contraste con la anticonformación habitual observada en el ácido nucleico en forma A y B. Obsérvese que tener la base en la anticonformación la coloca en la posición donde puede formar fácilmente enlaces H con la base complementaria en la hebra opuesta. El dúplex en Z-DNA tiene que acomodar la distorsión de este nucleótido G en la sinconformación. La citosina en el nucleótido adyacente del Z-ADN se encuentra en la endo-anticonformación C2' “normal”.

Figura\(\PageIndex{5}\): Forma B (izquierda), forma A (centro) y Z-ADN (derecha). (CC BY-SA 4.0; Mauroesguerroto)

Incluso el B-DNA clásico no es completamente uniforme en su estructura. El análisis de difracción de rayos X de cristales de oligonucleótidos dúplex muestra que una secuencia dada adoptará una estructura distintiva. Estas variaciones en el B-ADN pueden diferir en la torsión de la hélice (entre bases dentro de un par) para optimizar el apilamiento de bases, o en las 3 formas en que 2 pares de bases sucesivos pueden moverse entre sí: torsión, balanceo o deslizamiento.

Tabla\(\PageIndex{1}\) Comparaciones de la forma B, la forma A y el Z-ADN

	Forma B	Forma A	Forma Z
sentido de hélice	Diestro	Diestro	Zurdo
pares de bases por giro	10	11	12
subida vertical por pb	3.4 Å	2.56 Å	19 Å
rotación por pb	+36°	+33°	-30°
diámetro helicoidal	19 Å	19 Å	19 Å