7.2B: Superbobinado

Objetivos de aprendizaje

• Evaluar el papel del superenrollamiento en genomas procariotas

El superenrollamiento de ADN se refiere al sobrebobinado o subenrollamiento de una cadena de ADN, y es una expresión de la cepa en esa hebra. El superbobinado es importante en una serie de procesos biológicos, como la compactación del ADN. Adicionalmente, ciertas enzimas como las topoisomerasas son capaces de cambiar la topología del ADN para facilitar funciones como la replicación o transcripción del ADN. Las expresiones matemáticas se utilizan para describir el superenrollamiento comparando diferentes estados enrollados con ADN en forma B relajada.

Figura: Estructura superenrollada del ADN circular: Esta es una estructura superenrollada de moléculas de ADN circulares con baja torsión. Tenga en cuenta que la naturaleza helicoidal del dúplex de ADN se omite para mayor claridad.

Como regla general, el ADN de la mayoría de los organismos está superenrollado negativamente. En un segmento de doble hélice “relajado” de B-ADN, las dos hebras se retuercen alrededor del eje helicoidal una vez cada 10.4 a 10.5 pares de bases de secuencia. Sumando o restando giros, como pueden hacer algunas enzimas, impone tensión. Si un segmento de ADN bajo deformación por torsión se cerrara en un círculo uniendo sus dos extremos y luego se permitiera que se moviera libremente, el ADN circular se contorsionaría en una nueva forma, como una simple figura ocho. Tal contorsión es una superbobina.

La simple figura ocho es la superbobina más simple, y es la forma que un ADN circular asume para acomodar demasiados o uno muy pocos giros helicoidales. Los dos lóbulos de la figura ocho aparecerán girados ya sea en sentido horario o antihorario uno con respecto al otro, dependiendo de si la hélice está sobreenrollada o subenrollada. Por cada giro helicoidal adicional que se acomode, los lóbulos mostrarán una rotación más alrededor de su eje.

La forma sustantiva “supercoil” rara vez se usa en el contexto de la topología del ADN. En cambio, las contorsiones globales de un ADN circular, como la rotación de los lóbulos en forma de ocho anteriores, se denominan retorcimiento. El ejemplo anterior ilustra que twist y writhe son interconvertibles. “Superenrollamiento” es una propiedad matemática abstracta que representa la suma de giro y retorcimiento. El giro es el número de vueltas helicoidales en el ADN y el retorcimiento es el número de veces que la doble hélice cruza sobre sí misma (estas son las superbobinas).

Los giros extra helicoidales son positivos y conducen a un superbobinado positivo, mientras que la torsión sustractiva causa un superbobinado negativo. Muchas enzimas topoisomerasas perciben el superenrollamiento y lo generan o disipan a medida que cambian la topología del ADN. En parte debido a que los cromosomas pueden ser muy grandes, los segmentos en el medio pueden actuar como si sus extremos estuvieran anclados. Como resultado, pueden ser incapaces de distribuir el exceso de torsión al resto del cromosoma o de absorber la torsión para recuperarse del socavamiento, es decir, los segmentos pueden superenrollarse, es decir. En respuesta al superenrollamiento, asumirán una cantidad de retorcimiento, tal como si sus extremos estuvieran unidos.

El ADN superenrollado forma dos estructuras; un plectonema o un toroide, o una combinación de ambas. Una molécula de ADN superenrollada negativamente producirá una hélice zurda de un inicio, el toroide o una hélice diestra de dos inicios con bucles terminales, el plectonema. Los plectonemas suelen ser más comunes en la naturaleza, y esta es la forma que tomarán la mayoría de los plásmidos bacterianos. Para moléculas más grandes, es común que se formen estructuras híbridas: un bucle en un toroide puede extenderse en un plectonema. Si todos los bucles de un toroide se extienden, se convierte en un punto de ramificación en la estructura plectonémica.

La importancia del superenrollamiento de ADN

El superenrollado de ADN es importante para el empaquetamiento de ADN dentro de todas las células. Debido a que la longitud del ADN puede ser miles de veces la de una célula, empaquetar este material genético en la célula o núcleo (en eucariotas) es una hazaña difícil. El superenrollamiento del ADN reduce el espacio y permite empaquetar mucho más ADN. En procariotas predominan las superbobinas plectonémicas, debido al cromosoma circular y a la cantidad relativamente pequeña de material genético. En eucariotas, el superenrollamiento de ADN existe en muchos niveles tanto de superbobinas plectonémicas como solenoidales, siendo el superbobinado solenoidal el más efectivo para compactar el ADN. El superbobinado solenoidal se logra con histonas para formar una fibra de 10 nm. Esta fibra se enrolla adicionalmente en una fibra de 30 nm, y además se enrolla sobre sí misma numerosas veces más.

El empaquetamiento de ADN aumenta considerablemente durante eventos de división nuclear como mitosis o meiosis, donde el ADN debe compactarse y segregarse a células hijas. Las condensinas y las cohesinas son mantenimiento estructural de proteínas cromosómicas (SMC) que ayudan en la condensación de cromátidas hermanas y la unión del centrómero en cromátidas hermanas. Estas proteínas SMC inducen superbobinas positivas.

También se requiere superenrollamiento para la síntesis de ADN y ARN. Debido a que el ADN debe desenrollarse para la acción de ADN y ARN polimerasa, resultarán superbobinas. La región por delante del complejo de polimerasa se desenrollará; este estrés se compensa con superbobinas positivas por delante del complejo. Detrás del complejo, el ADN se rebobina y habrá superbobinas negativas compensatorias. Es importante señalar que las topoisomerasas como la ADN girasa (Topoisomerasa Tipo II) juegan un papel en el alivio de parte del estrés durante la síntesis de ADN y ARN.

Puntos Clave

• Como regla general, el ADN de la mayoría de los organismos está superenrollado negativamente.
• La simple figura ocho es la superbobina más simple, y es la forma que un ADN circular asume para acomodar demasiados o uno muy pocos giros helicoidales.
• El superenrollado de ADN es importante para el empaquetamiento de ADN dentro de todas las células.

Términos Clave

• superenrollamiento: El enrollamiento de la hélice de ADN sobre sí misma; puede causar alteración de la transcripción y conducir a la muerte celular.
• ADN: Un biopolímero de ácidos desoxirribonucleicos (un tipo de ácido nucleico) que tiene cuatro grupos químicos diferentes, llamados bases: adenina, guanina, citosina y timina.
• cromosoma: Una estructura en el núcleo celular que contiene ADN, proteína histona y otras proteínas estructurales.