Estructura de los Ácidos Nucleicos

Estructura de los Ácidos Nucleicos
Miguel Angel Ordorica Vargas & María de la Luz Velázquez Monroy
Introducción
El estudio de los ácidos nucleicos es la disciplina que domina hoy en día la investigación científica
en el campo de las Ciencias Biológicas. Tal relevancia es comprensible cuando reconocemos que
“los ácidos nucleicos son los compuestos químicos responsables de almacenar, transmitir y expresar la infromación genética en todos los seres vivos”. Sin embargo, como se describe a continuación, el papel de los ácidos nucleícos como material genético, no fue aceptado en forma universal sino hasta la segunda mitad del siglo XX.
Historia
1869. El químico suizo Johann Friedrich Miescher (1844-1895) aísla
del núcleo celular de los leucocitos una “sustancia nitrogenada, rica en
fosfatos y soluble en álcalis pero no en ácidos”, a la que llama Nucleína. Hasta donde sabemos, Miescher creía que la función de la nucleína
era almacenar fosfato.
Treinta años después, en 1899, el químico alemán Richard Altmann
(1852-1901) desarrolla métodos para obtener la nucleína libre de proteínas y propone el cambio del nombre Nucleína por Ácido Nucleico.
Durante la década de 1920, el químico Phoebus Aaron Theodor Levene
(1869-1940) analiza los componentes de la molécula de ácido desoxirribonucleico; encuentra que contienen cuatro bases nitrogenadas Adenina, Guanina, Citosina y Timina; el azúcar Desoxirribosa y Fosfato.
Figura 1. Friederich
Miescher
Correctamente, dedujo que los nucleótidos eran las unidades estructurales
del DNA y que a su vez estabán formados por una base y fosfato, ambos
unidos al azúcar. Desafortunadamente, en forma equivocada, concluyó que
los cuatro nucleótidos se encontraban en cantidades iguales y postuló la
Teoría del Tetra-Nucleótido como unidad básica del DNA, considerándolo una molécula repetitiva, sin capacidad para ser el material genético.
En 1928, el microbiólogo inglés Frederick Griffith
(?-1940) descubre la transformación de las cepas no
patógenas de Streptococcus pneumoniae usando restos de cepas patógenas muertas, y propone la exisFigura 2. P. A. T.
tencia de un Principio Transformador, responsable
Leven
del cambio, pero no hace ninguna sugerencia respecto de la naturaleza química del mismo.
En 1944, los investigadores Oswald Theodore Avery (1877-1955) Colin M.
MacLeod y Maclyn McCarty (1912-2003) mediante la destrucción secuencial de las macromoléculas de las células de la cepa patógene de S. neumonie, aportan pruebas de que el DNA es el Principio Transformador de
Griffith. A pesar de lo cual, para muchos investigadores, aún permanecía la
duda sobre la naturaleza química del material genético.
Figura 3. Frederick
Griffith
maov/mlvm/julio de 2009
Acidos Nucleicos
Figura 4. De izquierda a derecha, Avery, MacLeod y McCarty
Entre 1950 y 1953 el bioquímico austriaco Erwin Chargaff (1905-1997) y sus colaboradores descubren la equivalencia de bases en el DNA. [A] = [T], [G] = [C], [Purina]/[Pirimidina] = 1 y
[A+T]/[G+C] característico de especie. Sus descubrimientos destruyen la teoría del tetra - nucleótido y aportan información importante sobre la estructura del DNA, en especial la variación de
composición entre especies, que apoya el papel del DNA como material genético, aunque no constituye evidencia definitiva.
1951. Rosalind Elsie Franklin (1920-1958) descubre las estructuras helicoidales del DNA conocidas como DNA-A y DNA-B, mediante difracciones de rayos X de fibras hidratadas.
1952. Alfred Day Hersey (1908-1997) y Martha Chase demuestran que la infección viral se realiza con DNA. Los resulados de este experimento, junto con los datos de Chargaff, convencen a la
mayoría de los investigadores de que el DNA es el material genético.
Figura 5. De izquierda a derecha, Chargaff, Franklin, Chase y Hersey
1953. James Dewey Watson (1928-) y Francis Harrry Compton Crick (1916-) proponen la
complementariedad de bases y usando métodos de modelado molecular, los datos de Chargaff y
Franklin, postulan el modelo de la Doble Hélice del DNA.
Figura 6. Watson (izquierda) y Crick (derecha)
maov/mlvm/2
Acidos Nucleicos
1958. Matthew Meselson y Franklin W. Stahl aportan pruebas de la Replicación Semiconservativa del DNA según el modelo de Watson y Crick
1961. Jacques Monod (1910-1976) y Francis Jacob (1920-) publican el modelo del Operón para la regulación de la síntesis de proteínas.
Entre 1961 y 1965, Marshall W. Nirenberg, Heinrich Matthaei, Har Gobind Khorana, Severo
Ochoa y otros, decifran el Código Genético completo.
1974. Sung-Hou Kim y Alexander Rich determinan la Estructura Tridimensional del tRNA.
1977. Frederick Sanger y colaboradores secuencian el DNA de cadena simple del virus  174.
1977. Phil Sharp del MIT y Rich Roberts del Cold Sprig Harbor, descubren las secuencias internas no codificantes de los genes eucarióticos o Intrones.
1981. Thomas R. Cech y colaboradores, descubren la autohidrólisis del Intron I del RNA en el
protozoario Tetrahymena thermophila.
1983. Sidney Altman y su grupo reportan la Actividad Catalítica del RNA de la Ribonucleasa P
de Escherichia coli y Bacillus subtilis.
1987. Se inicia el proyecto del Genoma Humano, que produce sus primeros resultados en 1999
cuando se publica la secuencia completa del cromosoma humano 22. A finales del año 2000 se publica el primer “borrador” completo del genoma humano y en abril de 2003, la secuencia completa
final.
1997. Se define el mecanismo del fenómeno de Represión Genética Postranscripcional o Interferencia del RNA
Definición
Desde el punto de vista químico, los ácidos nucleicos son: macromoléculas formadas por polímeros lineales de nucleótidos, unidos por enlaces ester de fosfato, sin periodicidad aparente.
La semejanza entre esta definción y la de las proteínas, es consecuencia de la relación funcional de
ambas macromoléculas.
En el terreno biológico, la secuencia de nucleótidos del polímero, contiene la información genética
de los seres vivos.
Clasificación
Como se explicó, los ácidos nucleicos son el material genético de todos los seres vivos, esta función es compartida por dos tipos de ácidos nucleicos que difieren entre si en pequeños detalles de
su estructura, propiedades y composición química y gran parte de su función: el Ácido Ribonucleico (RNA o ARN) y el Ácido Desoxirribonucleico (DNA o ADN).
Una propieda química diferente entre DNA y RNA, debida a la diferencia en composición químca,
es la sensibilidad a la hidrólisis, el DNA es estable en medio alcalino y sólo se hidroliza en medio
ácido mientras que el RNA puede hidrolizar tanto en medio ácido como alcalino.
La distribución de los ácidos nucleicos en las células eucarióticas es característica, el 95% del
DNA se encuentra en el núcleo, y el remanente en mitocondrias y cloroplastos, mientras que sólo
el 20% del RNA se encuentra en el núcleo y el resto en el citoplasma. También hay diferencia en
maov/mlvm/3
Acidos Nucleicos
cantidad, en las células existe de 2 a 8 veces más RNA que DNA. Por otro lado, mientras que hay
un solo tipo de DNA, encargado de almacenar y transmitir la información genética, existen al menos tres tipos de RNA con funciones distintas en la síntesis de proteínas y otros procesos. El RNA
mensajero (mRNA o ARNm), que transporta el mensaje genético del DNA a los ribosomas, para
dirigir la síntesis de proteínas; representa el 5% del RNA total. El RNA ribosomal (rRNA o
ARNr), formando parte de la estructura del los ribosomas. Este tipo de RNA está formados por
un grupo de moléculas que se clasifican en base a sus coeficientes de sedimentación como 23s, 16s
y 5s en procariotes y 28s, 17s, 7s y 5s en eucariotes. Este es el RNA que se encuentra en mayor
proporción pues constituye el 80% del total. El RNA de transferencia (tRNA o ARNt), está
constituido por una familia de moléculas, las más pequeñas de los ácidos nucleicos, cuya función
es acoplar la información del mRNA con los aminoácidos. Constituye el 15% restante. Además, en
el núcleo exite un grupo heterogeneo de moléculas de RNA (hnRNA) que cumplen funciones catalíticas en diversos procesos.
La mayor parte de las formas de vida, incluyendo organismos unicelulares, multicelulares y muchos virus, utilizan DNA como material genético. En otros virus, el RNA es el material genético;
algunos de ellos lo usan para transmitir directamente la información mediante el proceso de Replicación de RNA, mientras que otros, llamados retrovirus, usan RNA pero, para poder expresar su
información genética, primero la convierten a DNA.
Nucleótidos
Los nucleótidos son las unidades estructurales de los ácidos nucleicos, se liberan mediante hidrólisis controlada y están formados de tres moléculas, una base nitrogenada, un monosacárido y un
grupo fosfato.
a) Bases Nitrogenadas. Son compuestos aromáticos heterocíclicos derivados de las bases orgánicas Purina y Pirimidina.
3
N
HC
2
H
C
4
N
5
CH
1
CH
HC
6
N
2
1
H
C
7
6
5
3
Pirimidina
CH
N9
H
4
N
N
8
Purina
Figura 7. Estructura y numeración de Purina y Pirimidina
Las bases derivadas de Pirimidina se denomina Pirimídicas; las más abundantes en los ácido nucleicos son Citosina, Uracilo y Timina. Las bases derivadas de Purina se llaman Púricas y las
más abundantes son Adenina y Guanina.
NH2
O
N
O
CH3
HN
N
H
Citosina
O
O
N
H
Timina
HN
O
N
H
Uracilo
NH2
O
N
N
N
N
H
Adenina
N
HN
H2N
N
N
H
Guanina
Figura 8. Bases Nitrogenadas más frecuentes en los Ácidos Nucleicos
maov/mlvm/4
Acidos Nucleicos
La primera diferencia en composición química entre los dos tipos de ácidos nucleicos es la distribución de las bases. Adenina, Guanina y Citosina se encuentran tanto en DNA como RNA mientras que la Timina se encuentra casi exclusivamente en DNA y el Uracilo sólo en RNA. Además de
la anteriores, es frecuente encontrar bases modificadas, tanto púricas como pirimídicas, entre las
más abundantes están la 5-metilcitosina, la 5-hidroximetilcitosina y la 6-Metiladenina que se
han relacionado con la regulación de la expresión del DNA, la 7-metilguanina y el dihidrouracilo que forman parte de la estructura de los RNA, e hipoxantina y xantina como intermediarios
metabólicos y productos de reacción del DNA con sustancias mutagénicas.
NH2
NH2
CH3
N
O
5-Metilcitosina
HN
CH3
N
H
N
5-HidroximetilCitosina
N
H2N
6-Metiladenina
CH2
N
H
Dihidrouracilo
N
7-Metilguanina
O
N
HN
N
H
N
CH2
O
CH3
HN
HN
O
N
H
O
N
N
CH2 OH
N
O
N
H
O
N
HN
N
H
O
Hipoxantina
N
N
H
H
Xantina
Figura 9. Bases modificadas del DNA y RNA
Como son aromáticas, tanto las bases púricas como las pirimídicas son planas, lo cual es importante en la estructura de los ácidos nucleicos. También son insolubles en agua y pueden establecer interacciones hidrófobas entre ellas; estas interacciones sirven para estabilizar la estructura tridimensional de los ácidos nucleicos. Las bases nitrogenadas absorben luz en el rango ultravioleta (250280 nm), propiedad que se usa para su estudio y cuantificación.
A pesar de su nombre, su carácter básico es muy débil, así tenemos que los valores de pKa para
los grupos amino en las posiciones 4 de Citosina, 6 de Adenina y 2 de Guanina son 4.5, 4.2 y 3.2
respectivamente, mientras que para los nitrógenos del anillo las constantes son de 9.5 y 9.9 para el
Nitrógeno 1 de Uracilo y Timina respectivamente, y 9.5 para el Nitrógeno 6 de Guanina.
Toda las bases nitrogenadas pueden presentar tautomería; la forma enólica es favorecida a pH alcalino.
NH2
N
O
OH
NH
N
H
O
Citosina
CH3
N
HN
N
H
O
O
N
H
CH3
HN
O
N
H
Timina
Figura 10. Tautomería de las bases Pirimídicas
b) Monosacáridos. La segunda diferencia en composición entre los ácidos nucleicos es la aldopentosa que forma parte de los nucleótidos, y además da nombre a los ácidos, la ribosa en el RNA y
desoxirribosa en el DNA.
maov/mlvm/5
Acidos Nucleicos
HO H2C 5
4
H
H
3
OH
O
H
2
HO H2C 5
1
4
H
OH OH
-D-Ribofuranosa
H
H
OH
O
H
3
2
1
H
OH H
-D-2-Desoxirribofuranosa
Figura 11. Pentosas del DNA y RNA
Ambos monosacáridos son solubles en agua y se encuentran en la forma cíclica de furanosa por lo
que también son casi planas y en los nucleótidos, presentan anomería .
c) Fosfato. Este componente deriva del ácido fosfórico, en los nucleótidos es responsable de su
carácter ácido y gran parte de la solubilidad. Participa en la formación de los enlaces éster que
mantienen unidos los nucleótidos.
d) Nucleósidos. La unión entre un monosacárido y una
base, se denomina nucleósido. La unión base-azúcar se
efectúa a través de un enlace glicosídico, con configuración beta () entre el carbono uno de ribosa o desoxirribosa, y un nitrógeno de las base, el 1 en las pirimidinas, y el 9 en las purinas. Para evitar confusiones en la nomenclatura de nucleósidos y nucleótidos,
los átomos de la molécula de monosacárido se designan con números seguidos de un apóstrofe (1’, 2’,
etc.), para distinguirlos de los de la base, por lo que los
enlaces de los nucleósidos se designan como (1’-1) en
las pirimidinas y (1’-9) en las purinas.
NH2
NH2
N
N
N
HO H2C
H
H
N
N
N
HO H2C
O
H
H
OH OH
Adenosina
H
H
O
O
H
H
OH OH
Citidina
Figura 12. Nucleosido de Adenina en
conformación syn y de Citosina en conformación anti
Los nucleósidos son más solubles que las bases libres y
los planos de la base y el azúcar son perpendiculares
entre si. Como el enlace glicosidico es sencillo, las bases pueden presentar dos conformaciones diferentes: anti cuando el plano de la base está alejada del plano del azucar y syn, cuando las bases
están sobre el plano del azucar. Los nucleósidos puricos pueden presentar ambas conformaciones,
aunque la anti es más estable; los pirimidicos sólo pueden existir en anti, porque el Oxígeno en el
carbono 2 no permite que se forme la syn.
Nucleósidos Modificados. En los tRNA existen en forma caracerística, nucleósidos modificados
como la seudouridina, formada por uracilo y ribosa unidos a través de un enlace (1’-5). También se encuentra un nucleósido de timina y ribosa, la ribotimidina. Otro nucleósido presente en
el tRNA es la Dihidrouridina, formado por ribosa y dihidrouracilo unidos por enlace (1’-1).
En el metabolismo de las bases púricas se forma un nucleósido con Hipoxantina y Ribosa llamado
Inosina. Los nucleósidos y los nucleótidos, se nombran según la base que contienen como se ilustra en la Tabla I.
maov/mlvm/6
Acidos Nucleicos
O
O
N
N
N
HO H2C
H
H
N
O
H
H
OH OH
Inosina
H
H
O
NH
H
H
HO H2C
H
H
N
O
H
H
OH OH
Dihidrouridina
H
H
H3C
NH
HN
O
HO H2C
O
NH
O
HO H2C
O
H
H
OH OH
Seudouridina
H
H
N
O
O
H
H
OH OH
Ribotimidina
Figura 13. Nucleósidos modificados
e) Nucleótidos. Los nucleótidos se forman cuando se une ácido fosfórico a un nucleósido mediante un enlace éster, en alguno de los grupos -OH del monosacárido. Aunque la ribosa tiene tres posiciones en las que se puede unir el fosfato (2’, 3’ y 5’), y en la desoxirribosa dos (3’ y 5’), los nucleótidos naturales más abundantes son los que tienen fosfato en la posición 5’. Nucleótidos con
fosfato en 3’ aparecen en la degradación de los ácidos nucleicos.
Además de formar la estructura de los ácidos nucleicos los nucleótidos tienen otras funciones relevantes:
1. El nucleósido Adenosina tiene funcines de neurotransmisor.
2. ATP es la molécula universal para transferencia de energía;
3. UDP y el CDP sirven como transportadores en el metabolismo de glúcidos, lípidos y otras moléculas;
4. AMPc, GMPc y el propio ATP cumplen funciones reguladoras;
5. AMP forma parte de la estructura de coenzimas como FAD, NAD+, NADP+ y CoA.
Tabla I. Nomenclatura de Nucleósidos y Nucleótidos
Base
Nucleósido
Nucleótido
RNA
Adenina (A)
Adenosina
Adenosin-5’-monofosfato (AMP)
Guanina (G)
Guanosina
Guanosin-5’-monofosfato (GMP)
Citosina (C)
Citidina
Citidin-5’-monofosfato (CMP)
Uracilo (U)
Uridina
Uridin-5’-monofosfato (UMP)
Timina (T)
Ribotimidina
Ribotimidin-5’-monofosfato (dTMP)
DNA
Adenina (A)
Desoxiadenosina Desoxiadenosin-5’-monofosfato (dAMP)
Guanina (G)
Desoxiguanosina Desoxiguanosin-5’-monofosfato (dGMP)
Citosina (C)
Desoxicitidina
Desoxicitidin-5’-monofosfato (dCMP)
Uracilo (U)
Desoxiuridina
Desoxiuridin-5’-monofosfato (dUMP)
Timina (T)
Timidina
Desoxitimidin-5’-monofosfato (dTMP)
maov/mlvm/7
Acidos Nucleicos
Estructura Primaria
Los ácidos nucleicos se forman cuando el grupos fosfato de un nucleótido se une al OH en 3’ del azúcar de
otro nucleótidos, mediante un enlace éster. Como la
unión entre nucleótidos depende de dos enlaces éster
con una misma molécula de fosfato, se acostumbra designarlo como enlace “diester de fosfato” ó “fosfodiester”. La cadena resultante recibe el nombre de polinucleótido y pueden ser de tamaños muy variados, desde
los aproximadamente 70 nucleótidos de los tRNA hasta cientos de millones de ellos en el DNA.
Las cadenas de polinucleótidos, igual que las de proteínas y polisacáridos, tienen dos extremos distintos. El
extremo 5’, en el cual esta posición del azúcar no participa en enlace con ningún otro nucleótido, y el extremo 3’ en el que dicho carbono del nucleótido es el
que se encuentra libre. Por convención, se acostumbra
a representar las cadenas de nucleótidos, en dirección
5’ a 3’ de izquierda a derecha.
NH2
N
O
O
P
O
O
O
N
N
N
NH2
N
O
O
P
O
O
O
O
N
O
N
O
O
P
O
O
O
NH
N
N
O
105
CH3
NH
O
O
P
O
O
O
NH2
N
O
O
Figura 14. Estructura primaria de los
ácidos nucleicos
Como se puede ver en la Figura 14, representar en
forma desarrollada la estructura de los ácidos nucleicos, aún los más pequeños, resulta engorroso y no es necesario pues la parte importante de ella, la
secuencia de bases, se puede representar en forma abreviada como una secuencia de letras mayúsculas haciendo A=AMP, G=GMP, C=CMP, U=UMP y T=TMP. Cuando se trata de desoxirribonucleótidos, se antepone una “d” como en dA= desoxi AMP, etc. Para interpretar este tipo de representación hay que recordar que las secuencias siempre se escriben con en el extremo 5’ a la izquierda y que los fragmentos de DNA y RNA se pueden distinguir por la “d” que se antepone a
los desoxinucleótidos, o por la presencia de uridina (U) en el RNA y timidina (T) en el DNA.
A. DNA. La estructura primaria del DNA está formada por desoxinucleótidos de Adenina, Guanina, Citosina y Timina. En los eucariotes también se encuentra 6-Metiladenina, 5-metilcitosina, y en
procariotes y virus 5-hidroximetilcitosina. La principal característica de la estructura primaria del
DNA es su gran tamaño; los más pequeños son cadenas formadas por 4 a 5 mil de pares de bases
o kilopares de bases (kb), que forman el material genético de los virus, pero las más grandes tienen
cientos de millones de bases.
Los cromosomas de muchos virus y procariotes son moléculas circulares cerradas, mientras que en
los Eucariotes son cadenas abiertas. En los extremos de los cromosomas lineales de Eucariotes, se
encuentra como parte de la estructura primaria zonas con secuencias repetitivas, llamadas Telomeros. La secuencia de los telomeros es característica de especie.
B. RNA. La estructura primaria de los RNA está formada por desoxinucleótidos de Adenina, Guanina, Citosina y Uracilo. La mayor parte de los RNA tiene bases y nucleótidos modificados, que
probablemente les permiten resistir la acción de las nucleasas del citoplasma. La mayor abundancia
se encuentra en los rRNA.
maov/mlvm/8
Acidos Nucleicos
Los tRNA que son los ácidos nucleicos más pequeños (70 a 95 nucleótidos) tienen ribotimidina,
seudourudina (), dihidrouridina (DHU), 5-metilcitosina y 7-metilguanina, en posiciones específicas. Además, en el extremo 3’ terminal se encuentra una secuencia constante CCA que es el sitio
de unión del aminoácido.
Los mRNA tienen también citosina y guanina metiladas, y además una secuencia de poliadenilato
con 100 a 200 nucleótidos, en el extremo 3’ y en 5’ el nucleótido 7-metilguanosina trifosfato, que
se conoce como el “Cap”, y que identificar al RNA como mensajero.
Por su parte los rRNA tienen muchas bases metiladas y la longitud de sus cadenas depende del tipo, el rRNA 5s tiene alrededor de 120 nucleótidos mientras el rRNA 28s tiene más o menos 4000
nucleótidos.
Estructura Secundaria
Se llama estructura secundaria de los ácidos nucleicos, a la asociación que se forman entre zonas
de una misma cadena odos cadenas distintas. Esta asociación depende de la complementariedad
entre las bases púricas y pirimidicas.
La complementariedad de las bases está dada por el número y posición de los puentes de Hidrógeno que pueden formar, dos entre ADENINA y TIMINA (A=T), y tres entre GUANINA y CITOSINA (GC). En el RNA el URACILO toma el lugar de la timina. Estos apareamientos no son los
únicos posibles pero si los más estables.
H
H
N
N
H
N
Cadena
N
H
CH 3
Cadena
H
O
Cadena
Timina
H
O
N
H
N
N
N
N
Adenina
O
H
N
H
N
N
N
N
Guanina
N
H
H
Cadena
O
Citosina
Figura 15. Complementariedad de bases del DNA
A. DNA. El DNA es una molécula fibrosa de peso molecular elevado (hasta 109). En todas las células y la mayoría de los virus, está formada por dos cadenas de nucléotidos con secuencias complementarias.
Además de complementarias, las cadenas son antiparalelas; esto es, una cadena corre en dirección 5’ a 3’ mientras la otra lo hace de 3’ a 5’. Las cadenas giran alrededor de un eje común
formando una espiral doble conocida como Doble Hélice. Las cadenas se mantienen unidas por interacciones hidrófobas entre las bases que al ser planas se apilan una sobre otra, en el interior de la
hélice.
Aunque los puentes de hidrógeno tienen una contribución menor a la estabilidad de la doble hélice,
pues su función principal es asegurar la complementariedad, la diferencia en el número de puentes
de hidrógeno de los pares AT y GC influye en la llamada “Desnaturalización del DNA”, que consiste en la separación de las cadenas de la doble hélice para quedar como hebras sencillas. La
“Temperatura de Fusión del DNA”, que es la temperatura a la cual una molécula de DNA se ha
desnaturalizado al 50%, aumenta mientra mayor cantidad de pares GC hay en la molécula.
maov/mlvm/9
Acidos Nucleicos
Figura 16. Doble hélice del DNA-B
Existen varias estructuras secundarias del DNA, la primera fue propuesta por Watson y Crick en
1953 y se conoce como forma B del DNA (DNA-B). En este modelo, la doble hélice da un giro
completo a la derecha (en el sentido de las manecillas del reloj) cada 10 pares de base, recorriendo
una distancia de 3.4 nm y tiene un diámetro de 2 nm.
Otras estructuras secundarias de DNA (Tabla II), varían en el número de bases por cada vuelta
completa de la hélice, la distancia recorrida por vuelta y hasta en el sentido de giro, el Z-DNA gira
a la izquierda, Sin embargo, todas las estructuras secundarias del DNA conservan las características generales del modelo de Watson y Crick, son cadenas dobles, antiparalelas, complementarias y con forma de hélices.
Figura 17. Estructuras secundarias del DNA. De izquierda a derecha A, B y Z
maov/mlvm/10
Acidos Nucleicos
Tabla II. Características de las estructuras secundarias cristalinas del DNA.
Modelo
Parámetro
A
B
Z
Dirección de giro
Derecha
Derecha
Izquierda
Pares de bases / giro
11
10
12
Distancia entre pares*
0.23
0.34
0.37
Distancia / giro*
2.46
3.4
4.46
Diámetro*
2.3
2.0
1.8
Angulo / par de bases
33.6º
36º
-60º en dos
Nucleótidos / unidad
1
1
2
* Distancias en nm
B. RNA. Al contrario del DNA, la estructura secundaria del RNA siempre esta formada por una
sola cadena de nucleótidos que puede presentar zonas de doble hélice. La estructura secundaria de
los mRNA, es difícil de determinar, debido al elevado peso molecular y la baja concentración de
estas moléculas. Las fracciones 5s, 16s y 23s del rRNA, tienen muchas regiones con secuencias
complementarias, que forman estructuras secundarias con asas de doble cadena (50% en 5s,) con
pares A=U y GC.
Por otro lado, para los tRNA se conoce bien una estructura secundaria denominada “hoja de trébol”, porque está formada por un “tallo” con tres, y ocasionalmente cuatro “brazos”. El tallo, los
tres brazos constantes, y el brazo variable, cuando tiene longitud suficiente, presentan zonas de
doble cadena, con pares A=U y GC, que ocupan aproximadamente el 60% de las bases.
En el tallo se encuentran los dos extremos terminales, uno
de los cuales el 3’ corresponde al sitio de unión del aminoácido. Los brazos o asas constantes se numeran del I a
III, a partir del extremo 5’. El brazo II se conoce como el
“Asa del anticodon”, porque en él se encuentra la secuencia de nucleótidos que forma el anticodón, complementario del codón del mRNA. En los otros dos brazos constantes I y III, se encuentran siempre en posiciones equivalentes algunos nucleótidos modificados como dihidrouridina (DHU) en el brazo I o “asa de la dihidrouridina”, y
ribotimidina y seudouridina en el “asa de la ribotimidina”
o brazo III. El brazo IV tiene un número de nucleótidos
variable y algunos tRNA no lo presentan.
Estructura Terciaria
A.DNA. El DNA de cualquier célula tiene un longitud que
excede con mucho el tamaño total de esta, resulta enton- Figura 18. Estructura secundaria en
ces indispensable plegar la molécula, en una estructura
"hoja de trebol" del
compacta que pueda acomodarse dentro de la célula o del
tRNA
núcleo. En las células eucarióticas, este plegamiento depende de la interacción del DNA con proteínas, para formar la Cromatina. Las proteínas de condensación más abundantes son las Histonas, moléculas pequeñas con gran cantidad de lisina y armaov/mlvm/11
Acidos Nucleicos
ginina, aminoácidos con carga positiva, que interactuan con las cargas negativas del fosfato del
DNA. El grado de condensación de la cromatina depende de la región del genoma, las partes que
no se expresan están más compactas.
El primer paso en la compactación del genoma consiste en la formación de los Nucleosomas. Para
ello la cadena de DNA da dos vueltas, que ocupan aproximadamente 146 pares de bases, alrededor de un núcleo formado por cuatro tipos de histonas (H2A, H2B, H3 y H4), la integridad del
nucleosoma se mantiene mediante la histona H1.
Figura 19. Estructura del nucleosoma, vista frontal (izquierda) y lateral (derecha)
Los nucleosomas están separados entre si por 60 pares de bases del DNA y se pueden compactar
más, formando un solenoide, con 6 nucleosomas por vuelta, de aproximadamente 30 nm de diámetro. El túbulo formado por el solenoide se pliega formado asas ancladas en una matriz de proteínas no histónicas. El complejo resultante se puede plegar aún más enrollándose, para formar una
espiral con 18 asas en cada vuelta, estas estructuras forman las minibandas de los cromosomas.
Figura 20. Primeros pasos en la formación de la estructura terciaria del DNA
B. RNA. De todos los tipos de RNA sólo se conoce con detalle la estructura terciaria de los rRNA
y el tRNA. La estructura terciaria de los rRNA fue resuelta recientemente por difracción de Rayos
X; su forma general se presenta en la Figura 21.
La forma tridimensional de los tRNA resueltos por difracción de Rayos X hasta hoy se aproxima a
una “L”. En el extremo de uno de los brazos de la L se encuentra el sitio de unión del aminoácido
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Acidos Nucleicos
y en el extremo del otro el anticodón. La bisagra de la L está formada por las brazos I y III de la
“hoja de trébol”, y también el IV cuando está presente.
Figura 21. Estructura terciaria del RNA. De izquierda a derecha rRNA 16s, rRNA 23s+5s y
tRNA
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