Content

ADN:estructura molecular

*

Elácido desoxirribonucleico (ADN) CONTIENE lainformación genética de la mayor parte de losorganismos vivos (una excepción son algunos virus, denominadosretrovirus, que utilizan el ARN o ácido ribonucleico paraguardar su información genética).
- El ADN puedeser copiado a través de las sucesivas generaciones decélulas:
- El ADN puede ser traducido a proteínas: ,más lejos traducido en proteènas,
- El ADN puedeser reparado cuando sea necesario: .
Los ácidosribonucléicos (ARNs) son descritos en otro capítulo( , )

-El ADN es un polímero, compuesto de unidades denominadasnucleótidos (o mononucleótidos).
- Los nucleótidostienen también otras funciones: (transportadores de energía:ATP, GTP; respiración celular: NAD, FAD; transducciónde señales: AMP cíclico; coenzimas: CoA, UDP;vitaminas: nicotinamida mononucleótido,
Vit B2).

Utilizandola nomenclatura de las proteínas, podemos hablar en terminusde estructura primaria, secundaria, terciaria y cuaternaria de lamolécula:

I Estructuraprimaria de la molécula: esqueleto covalente y bases laterales

Unnucleósido está hecho de un azúcar + una basenitrogenada.
Un nucleótido está hecho de un grupofosfato + un azúcar + una base nitrogenada. En el ADN, elnucleotide es un desoxirribonucleótido (en el ARN, elnucleótido es un ribonucleótido).

I-1Ácido fosfórico

Suministraun grupo fosfato.

Fig. 1

I-2Azúcar:

Desoxirribosa,que es una pentosa cíclica (azúcar de 5 carbonos).Nota: el azúcar en el ARN es una ribosa.

Loscarbonos del azúcar se numeran de 1' a 5'. El a´tomo denitrógeno de la base nitrogenada se une a C1' (por un enlaceglicosídico), y el grupo fosfato se une al C5' (enlace éster)para formar el nucleótido. El nucleotide es, por lo tanto:fosfato - C5' azúcar C1' – base nitrogenada.

Fig. 2

I-3Bases nitrogenadas:

Sonheterociclos aromáticos; hay purinas y pirimidinas.
-Purinas: adenina (A) y guanina (G).
- Pirimidinas: citosina (C)y timina (T) (Nota: la timina es reemplazadas
por uracilo (U) enel ARN).

Nota:pueden existir otras bases nitrogenadas, en particular basesmetiladas
derivadas de las anteriores; este tipo de basestienen un papel funcional (ver capítulo correspondiente).

Fig. 3

Glosario:
-Nombres de nucleósidos: desoxirribonucleósidos en elADN: desoxiadenosina,
desoxiguanosina, desoxicitidina,desoxitimidina (ribonucleótidos en el ARN: adenosina,guanosina, citidina, uridina).
- Nombres de nucleótidos:desoxirribonucleótidos en el ADN: ácidodesoxiadenílico, ácido desoxiguanílico, ácidodesoxicitidílico, ácido desoxitimidílico(ribonucleótidos en el ARN: ácido adenílico,ácido guanílico, ácido citidílico, ácidouridílico).

Fig.4

IIEstructuras secundaria y terciaria de la molécula–Conformación tridimensional del ADN

II.1Dinucleótidos

Losdinucleótidos se forman a través de un enlacefosfodiéster entre dos mononucléotidos. Este enlace seforma entre el grupo fosfato de un mononucleótido (en C5' desu azúcar) y el C3' del azúcar del anteriormononucleótido. Así, comenzando con un grupo fosfato,tenemos un azúcar en 5' (+ su base) y cuyo extremo en 3', estáunido a un segundo grupo fosfato en 5' de otro azúcar, cuyoextremo 3' está libre para un siguiente enlace. La unión– y la orientación de la molécula es, por tanto5' -> 3'.

Lospolinucleótidos están formados por la sucesiva adiciónde monómeros en una configuración general 5' -> 3'.El esqueleto de la molécula está hecho por una sucesiónde grupo fosfato-azúcar (n nucleótidos) – fosfato- azúcar (nucleótido n+1), y así sucesivamente,unidos covalentemente, con las bases nitrogenadas situadaslateralmente.

Fig. 5

II.2Molécula de ADN

ElADN está formado de dos ("ADN dúplex")cadenas o hebras dextrógiras (como un tornillo; con giro haciala derecha) enrolladas alrededor de un eje formando una hélicedoble de 20A° de diámetro ("la doble hélice").
Lasdos cadenas son antiparalelas (esto es: sus orientaciones 5'->3'están en direcciones opuestas). La apariencia general delpolímero muestra una periodicidad de 3,4 A°,correspondiente a la distancia entre dos bases, y otra de 34 A°,correspondiente a una vuelta completa de la hélice (y tambiéna 10 pares de bases).

Fig. 6

II.2.1Puentes de hidrógeno: emparejamiento entre las bases

Lasbases nitrogenadas (hidrofóbicas) se encuentran apiladas en elinterior de la doble hélice, en planos perpendiculares a sueje. La parte exterior (grupos fosfato y azúcares) eshidrofílica.
Las bases de una de las cadenas o hebrasestán unidas mediante puentes de hidrógeno con lasbases nitrogenadas de la otra cadena o hebra, uniendo ambas cadenas(líneas discontinuas en la figura).

Deesta manera, una purina de una de las cadenas se encuentra enfrentaday unida a una pirimidina en la otra cadena. Por ello, el númerode purinas es igual al número de pirimidinas.

A seune a T (con dos puentes de hidrógeno).
G se une a C (contres puentes de hidrógeno: enlace más estable: 5,5 kcalvs 3,5 kcal).

Nota: el contenido de A en el ADN es por lotanto igual al contenido en T, y el contenido en G es igual alcontenido en C.
Esta correspondencia estricta (A<->T yG<->C) hace a las dos cadenas o hebras complementarias. Una esel molde para la otra, y recíprocamente también: estapropiedad permitirá una replicación exacta (replicaciónsemi-conservativa: una cadena -la molde- se conserva, mientras que laotra se sintetiza de nuevo por completo, y lo mismo ocurre con laotra cadena complementaria, se conserva, que hace de molde tambiénpara la síntesis de otra nueva; ver capítulocorrespondiente).

Fig. 7

Notas:
Lospuentes de hidrógeno existentes en el emparejamiento entre lasbases nitrogenadas son a veces distintos de los descritos arriba parael modelo de Watson y Crick, utilizando el átomo N7 de lapurina en lugar del N1 (modelo de Hoogsteen).

Fig. 8

Fig. 9

II.2.2Surco mayor y surco menor

Ladoble hélice es una molécula bastante rígida yviscosa de una longitud inmensa y un diámetro pequeño.En esta molécula se puede observar un surco mayor y un surcomenor.
El surco mayor es profundo y amplio, el surco menor espoco profundo y estrecho.

Las interacciones ADN-proteínason procesos esenciales en la vida de la célula (activacióno represión de la transcripción, replicación delADN y reparación).
Las proteínas se unen a laparte interior de los surcos del ADN, mediante uniones específicas:puentes de hidrógeno, y uniones no específicas:interacciones de van der Waals, y otras interacciones electrostáticasgenerales.
Las proteínas reconocen donantes y aceptoresde puentes de hidrógeno, grupos metilo (hidrofóbicos),éstos últimos exclusivos del surco mayor; hay cuatropatrones posibles de reconocimiento en del surco mayor , y sólodos en el surco menor (ver figuras).

Algunas proteínasse unen al ADN por el surco mayor, algunas otras por el surco menor,y algunas necesitan unirse a ambos.

Fig. 10

Notas:
-Las dos cadenas se denominan "positiva" y "negativa",o "directa" y "reversa". En una posicióndeterminada una de las cadenas (cualquiera de las dos) contieneinformación codificante para un producto, es improbable(aunque no imposible) que la cadena complementaria tambiéncontenga en esa posición información codificante.
-El ADN se ioniza in vivo y se comporta como un polianión.

Ladoble hélice descrita arriba es la forma "B" delADN; ésta es la forma más frecuente in vivo, aunquepueden existir in vivo o in vitro otras formas (ver abajo). La forma"A" se parece a la forma ADN-B aunque está menoshidratada, la forma "A" no se encuentra in vivo.

II.3ADN no-B

ElADN es una molécula que se mueve continuamente, se pliega comohaciendo gimnasia y baila. Las estructuras que se citan másabajo se ha comprobado que tienen ciertos papeles funcionales; y porotra parte, pueden favorecer las roturas y posteriors pérdidasde segmentos de ADN, y fenómenos de amplificación,recombinación y mutaciones.

Glosario:
Palíndromos:palabras o frases que se leen igual en ambas direcciones (porejemplo. "DNA LAND"). El ADN suele jugar con palíndromos:ver más abajo).

II.3.1ADN-Z

-La forma Z es una forma de doble hélice levógira (congiro hacia la izquierda) con una conformación del esqueleto enzig-zag (menos lisa que la forma ADN-B). Sólo se observa unsurco, semejante al surco menor, el emparejamiento entre las bases(que forman el surco mayor -cercano al eje- en la forma ADN-B) estáhacia un lateral, en la superficie exterior, lejos del eje. Losgrupos fosfato se encuentran más cerca entre ellos que en laforma ADN-B. El ADN-Z no puede formar nucleosomas.
- Laconformación Z está favorecida por un elevado contenidoen G-C. La metilación de citosinas, y moléculas quepueden encontrase presentes in vivo como la espermina y espermidinapueden estabilizar la conformación Z.
- Las secuencias deADN pueden pasar de la forma B hacia la forma Z y viceversa: el ADN-Zes una forma transitoria in vivo.

- La formación deADN-Z se produce durante la transcripción de genes, en lospuntos de inicio de la transcripción cerca de los promotoresde genes que se transcriben de manera activa. Durante latranscripción, el movimiento de la ARN polimerasa induce unasuperhelicoidización negativa en la parte anterior o corrientearriba y una superhelicoidización en la parte posterior ocorriente debajo de la transcripción. La superhelicoidizaciónnegativa corriente arriba favorece la formación de ADN-Z; unafunción posible del ADN-Z podría ser absorber estasuperhelicoidización negativa. Al final de la transcripción,la topoisomerasa relaja la estructura del ADN volviendo a laconformación B.
- Ciertas proteínas se unen alADN-Z, particularmente la adenosina desaminasa de ARN de doble cadena(ADAR1), una enzima de edición de ARN; esta enzima transformade adenina en inopina en el pre-ARNm. Posteriormente, los ribosomasinterpretarán la inosina como guanina, por lo que la proteínacodificada por esta modificación epigenética serádistinta (ver capítulo correspondiente ).

Notas:
-Se han encontrado anticuerpos frente al ADN-Z en el lupus eritematosoy en otras enfermedades autoinmunes.
- El ARN de doble cadena(ARNdc) puede adoptar una conformación Z.

II.3.2ADN cruciforme y ADN horquilla

-Las estructuras de Holliday (formadas durante la recombinación)son estructuras cruciformes. Las repeticiones (palíndromos)invertidas (o especulares) de segmentos depolipurinas/polipirimidinas también pueden formas estructurascruciformes o en horquilla mediante la formación deemparejamientos intracatenarios.
- Se han encontradorepeticiones palindrómicas ricas en AT en los puntos de roturade la t(11;22)(q23;q11), la única translocaciónrecíproca constitucional conocida.
- Las nucleadas seunen y rompen las estructuras de Holliday tras la recombinación.Otras proteínas conocidas capaces de unirse a ADN cruciformeson HMG y MLL (para más detalles ver: MLL).

Fig. 11

Fig. 12

II.3.3ADN-H o ADN tríplex

-Las repeticiones invertidas (palíndromos) de fragmentos de ADNde polipurinas/polipirimidinas pueden formar estructuras tríplex(hélices triples). De esta manera se forma una hélicetriple junto a una cadena monocatenaria de ADN.
- El ADN-H puedetener un papel funcional en la regulación de la expresióngénica y sobre los ARNs (por ejemplo, en la represiónde la transcripción).

Fig. 13

II.3.4ADN-G4

-El ADN-G4 o ADN cuádruplex: se forma una estructura altamenteestable por el plegamiento de una secuencia bicatenaria rica en GCconsigo mismo a través de emparejamientos de Hoogsteen entre 4guaninas ("G4"). Este tipo de ADN se encuentra a menudocerca de promotores de genes y en los telómeros.
- Tieneun papel en la meiosis y en la recombinación, pueden serelementos reguladores.
- La familia de helicasas RecQ soncapaces de deshacer la estructura G4 (por ejemplo, BLM, el gen mutadoen el síndrome de Bloom (para más informaciónver: Bloomsyndrome).

Fig. 14

Fig. 15

IIIEstructura cuaternaria de la molécula - Cromatina

ElADN se asocia a proteínas: histonas y no histonas, para formarla cromatina. El ADN en su conjunto es ácido (cargadonegativamente) y se une a proteínas básicas (cargadaspositivamente) denominadas histonas: ver capítulo Cromatina .
Hay3 x 10 ⁹ paresde nucleótidos en el genoma humano haploide que contiene unos30 000 genes dispersos sobre los 23 cromosomas que conforman un juegohaploide.

IVOtros

IV.1ADN y mitocondria

Vertambién Herenciamitocondrial

-El ADN se encuentra en el núcleo de la célula, aunqueen las mitocondrias también hay una pequeña cantidad.
-Las mitocondrias se originaron a partir de arqueobacteriasendosimbiontes en células eucariotas.
- Su códigogenético es distinto del llamado código “universal”(UGA, AUA, AGA, AGG: respectivamente STOP, Ile, Arg, Arg en el códigouniversal, y Trp, Met, STOP, STOP en el mitocondrial de mamíferos,y otros significados en el mitocondrial de otras especies).
- Elnúmero de copias de ADN en una mitocondria determinada esvariable.
- El ADN mitocondrial es circular, con una cadenapesada y otra ligera, no tiene intrones, ni secuencias nocodificantes.
- Los genes del genoma mitocondrial codifican paraproteínas que intervienen en la cadema transportadora deelectrones, ARN ribosomales (ARNr) y ARN de transferencia (ARNt).
-Cada una de las cadenas de ADN se transcribe y posteriormente escortada en los distintos ARNm, ARNr y ARNt.

Nota:la mitocondria también utiliza proteínas importadas delcitoplasma de la célula (y codificadas por el genoma nuclear);sin embargo, las proteínas de la mitocondria no son exportadasal citoplasma salvo excepciones como las relacionadas conla apoptósis.

IV.2Desnaturalización del ADN:

Ladoble hélice puede desespiralizarse in vitro mediante calor,pH extremos y otras condiciones (urea, …) en un procesodenominado fusión. Se puede calcular su punto de fusion, quees característico y dependiente de la proporción A/Tversus G/C, debido al hecho que hay sólo dos puentes dehidrógeno en la unión A/T, y tres en la G/C, uniónmás estable. Con la desnaturalización, las propiedadesfísicas del ADN cambian; por ejemplo, hay un efectohipercrómico ya que la absorción de la luz a 260 nm esmayor en el ADN desnaturalizado que en el ADN bicatenario. Laabosrción de la luz también varía con laproporción A/T vs G/C y es mayor en secuencias ricas en A/Tque en secuencias ricas en G/C.
La desnaturalización delADN es importante porque:
1- permite medir el contenido A/T vsG/C;
2- es la base de las técnicas de hibridación(hibridación in situ, blots, ver Métodosen Genética).

Traduccion: José Luis Vizmanos (Departamento de Genética,Facultad de Ciencias. Universidad de Navarra. Pamplona, Spain)