ADN

La molécula de ADN (ácido desoxirribonucleico) es la portadora de toda la información genética que pasa de una generación a la siguiente, y contiene todas las instrucciones necesarias para la formación de un organismo nuevo así como para el control de todas las actividades de las células durante el tiempo de vida del organismo. Está presente en todos los seres vivos, desde virus y bacterias hasta plantas y animales.

En los organismos superiores el ADN es único e invariable, a lo largo de toda la vida, para cada individuo de cada especie. Esta característica es lo que se conoce como "huella genética", y es la base de los estudios de identificación de individuos. Salvo unas pocas excepciones (glóbulos rojos en mamíferos, por ejemplo), todas las células de un organismo vivo tienen ADN. Gracias a ello es posible extraerlo a partir de cualquier muestra biológica.

Estructura ADN

Las cuatro bases nitrogenadas del ADN se encuentran distribuidas a lo largo de la "columna vertebral" que conforman los azúcares con el ácido fosfórico en un orden particular, (la secuencia del ADN). La adenina (A) se empareja con la timina (T) mientras que la citosina (C) lo hace con la guanina.

La estructura primaria del ADN está determinada por esta secuencia de bases ordenadas sobre la "columna" formada por los nucleósidos: azucar + fosfato. Este orden es en realidad lo que se transmite de generación en generación (herencia).

Estructura secundaria

Es el modelo postulado por Watson y Crick: la doble hélice, las dos hebras de ADN se matienen unidas por los puentes hidrógenos entre las bases. Los pares de bases están formados siempre por una purina y una pirimidina, de forma que ambas cadenas están siempre equidistantes, a unos 11 Å una de la otra. Los pares de bases adoptan una disposición helicoidal en el núcleo central de la molécula, ya que presentan una rotación de 36º con respecto al par adyacente, de forma que hay 10 pares de bases por cada vuelta de la hélice. La A se empareja siempre con la T mediante dos puentes de hidrógeno, mientras que la C se empareja siempre con la G por medio de 3 puentes de hidrógeno. En cada extremo de una doble hélice lineal de ADN, el extremo 3'-OH de una de las hebras es adyacente al extremo 5'-P (fosfato) de la otra. En otras palabras, las dos hebras son antiparalelas, es decir, tienen una orientación diferente. Por convención, la secuencia de bases de una hebra sencilla se escribe con el extremo 5'-P a la izquierda.

Estructura terciaria

Es la forma en que se organiza esta doble hélice. En Procariotas (así como en las mitocondrias y cloroplastos eucariotas) el ADN se presenta como una doble cadena (de cerca de 1 mm de longitud), circular y cerrada, que toma el nombre de cromosoma bacteriano. Esta "gigantesca" molécula circular tiene un peso de 3 X 10 9d (daltons). No posee las histonas del cromosoma eucariota, pero se ha comprobado la existencia de proteínas y poliaminas de bajo peso molecular y de iones magnesio que cumplirían su función. El cromosoma bacteriano se encuentra altamente condensado y ordenado ("supercoiled" o superenrrollado).

En virus, el ADN puede presentarse como una doble hélice cerrada, como una doble hélice abierta o simplemente como una única hebra lineal.

En los Eucariotas el ADN se encuentra localizado principalmente en el núcleo, apareciendo el superenrrollamiento (trenzamiento de la trenza) y la asociación con proteínas histónicas y no histónicas. El ADN se enrolla (dos vueltas) alrededor de un octeto de proteínas histónicas formando un nucleosoma, estos quedan separados por una secuencia de ADN de hasta 80 pares de bases, formando un "collar de perlas" o más correctamente denominado fibra de cromatina, siendo la estructura propia del núcleo interfásico, que no ha entrado en división. Este collar de nucleosomas vuelve a enrollarse y cada 6 nucleosomas constituyen un "paso de rosca" por medio de histoma H1 formando estructuras del tipo solenoide.

En el ciclo mitótico de las células eucariotas la cromatina se enrrolla formando cromosomas, que son complejas asociaciones de ADN y proteínas .

Tipos de moléculas de DNA

Los ácidos nucleicos pueden adoptar diferentes estructuras según factores tales como humedad, identidad de los iones presentes, así como la secuencia de bases.

DNA-B

Estudios por difracción de rayos-X han mostrado que la presencia de iones alcalinos como el Na+ y una humedad relativa del 92 % promueve que las moléculas de DNA adopten la llamada conformación B, conformación considerada como nativa ya el patrón de rayos-X es muy parecido al que fue encontrado en cabezas de espermatozoides de esperma de salmón

Características:

• Está constituido por dos hebras polinucleotídicas que se enrollan alrededor de un eje común formando una hélice de aproximadamente 20 A de diámetro que gira hacia la derecha. Las cadenas se extienden en direcciones opuestas y se encuentran enrolladas de manera que no pueden separarse sin que sea desenrollada la hélice (enrollamiento plectonémico). Las bases se encuentran hacia el interior de la hélice mientras que las cadenas de azúcar-fosfato se encuentran hacia el exterior con el fin de minimizar las repulsiones entre grupos fosfatos cargados.

• Los planos de las bases son perpendiculares al eje de la hélice. Cada base está unida a la de la hebra opuesta por enlaces de hidrógeno (apareamiento de bases complementarias)

• La hélice del DNA-B ideal posee un 10 pares de bases (bp) por vuelta, o sea, un giro helicoidal de 36 grados por bp. Las bases aromáticas tienen espesores de van der Waals de 3.4 A y estan parcialmente apiladas una sobre otra (apilamiento de bases), por lo que la hélice presenta un paso de rosca (elevación por vuelta) de 34 A.

La estructura de Watson-Crick solo admite dos conformaciones posibles para el apareamiento de bases, la adenina (A) con la timina (T) y viceversa y la guanina (G) con la citosina (C) y viceversa, estos son conocidos como pares de bases Watson-Crick. Estos pares de bases son intercambiables entre si dentro de la helice sin cambiar los atomos del carbono 1 del esqueleto azúcar-fosfato. Igual la hélice permanece inalterada cuando se intercambian los integrantes de un par de bases Watson-Crick. Por el contrario, cualquier otra combinación de bases distorsionaría la doble hélice ya que la formación de un par de bases distinto a los de Watson-Crick requeriría un reordenamiento importante de la cadena azúcar-fosfato.

La molécula de DNA- B presenta dos surcos, uno mayor y uno menor. La diferencia entre ambos surcos esta dada por dos razones:

• El borde superior de cada par de bases es estructuralmente distinto al borde inferior.
• Los residuos de desoxirribosa son asimétricos.

Desviaciones del modelo Watson-Crick del DNA-B auténtico

A finales de los anos 70 el estudio de oligonucleótidos de estructuras bien definidas cristalizados y visualizados mediante rayos X permitió un estudio mas detallado de estas moléculas. El dodecámero autocomplementario CGCGAATTCGCG, oligonucleótido sometido a estudio, cristaliza en la conformación B.

Esta molécula presenta una elevación media por residuo de 3,4 A y 10.1 bp por vuelta (un giro helicoidal de 35,6 grados por bp) que es casi lo mismo que lo observado para el DNA-B ideal. No obstante, los residuos individuales se apartan de esta conformación media de una forma que parece ser dependiente de la secuencia.

Por ejemplo, en este dodecámero, el giro helicoidal por par de bases oscila entre 28 y 42°. Cada par de bases se desvía de su conformación ideal debido a deformaciones como el giro de helice (rotación de las bases apareadas en sentidos opuestos alrededor del eje mayor) y el balanceo del par de bases (inclinación del par de bases como un todo con respecto a su eje mayor).

Estudios recientes de otros oligómeros han mostrado que la estructura del DNA es sorprendentemente irregular y que depende de la secuencia. Este fenómeno es particularmente importante para la unión a secuencias específicas del DNA de determinadas proteínas relacionadas con el procesamiento de la información genética.

DNA-C

Existe otra estructura llamada DNA-C que se produce a partir del DNA-B en presencia de soluciones de sales concentradas y etilén glicol (sal de litio y 6 % de humedad relativa). Esta forma presenta un giro de la hélice por bp de 38.6 º por lo que exhibe 9.33 bp por vuelta. Presenta una elevación por bp de 3.32 A siendo el paso de rosca de aproximadamente 31 A. El diámetro de esta hélice es de aproximadamente 19 A.

DNA-A

Cuando la humedad relativa se reduce al 75 % el DNA-B sufre un cambio conformacional reversible hacia la llamada forma A. Estudios de fibras por rayos X han mostrado que la hélice del DNA-A, arrollada también hacia la derecha, es más ancha y más aplastada que la del DNA-B. El DNA-A posee 11 bp por vuelta y un paso de rosca de 28 A. Los pares de bases se encuentran inclinados 20° con respecto al eje de la hélice lo que provoca que el surco mayor sea profundo y el surco menor sea muy poco profundo. Al igual que el DNA-B estas moléculas muestran una variabilidad conformacional dependiente de cada secuencia. No se ha demostrado que exista el DNA-A in vivo sin embargo observaciones experimentales sugieren que ciertos segmentos de DNA asumen normalmente la conformación A. In vitro, se ha observado que las proteínas pequeñas de esporas solubles en acido (SASPs) de bacterias Gram-positivas inducen al DNA-B a adoptar la conformación A.

DNA-Z

Unos 25 años después del descubrimiento de la estructura del DNA por Watson y Crick, el análisis de la estructura cristalina de d(CGCGCG) reveló una doble hélice levógira. Esta estructura fue denominada DNA-Z, posee 12 bp por vuelta y un paso de rosca de 45 A, y a diferencia del DNA-A un surco menor muy profundo y un surco mayor casi imperceptible.

En el DNA-Z los pares de bases se encuentran desplazados 180° con respecto a los del DNA-B. Como consecuencia la unidad repetitiva en este caso es un dinucleótido d(XpYp) y no un nucleótido como en las otras hélices, donde X es un residuo de purina y Y es un residuo de pirimidina.

Esta alternancia de purinas y pirimidinas esta dada por la conformación que adoptan estas bases con respecto al azúcar en la estructura (purinas en posición sin y pirimidinas en posición trans. Esto provoca que el recorrido del esqueleto azúcar-fosfato sea zigzagueante, de ahí el nombre de DNA-Z.

Estudios por difracción de fibras han demostrado que los polinucleótidos complementarios con purinas y pirimidinas alternantes tales como poli d(GC), poli d(AT) y poli d(GT), adoptan la conformación de DNA-Z a elevadas concentraciones de sales. Una alta concentración de sales estabiliza el DNA-Z con respecto al DNA-B ya que minimiza las repulsiones electrostáticas de los grupos fosfatos de hebras opuestas, que están mucho más cercanos en la conformación Z que en la B (8 A en DNA-Z contra 12 A en DNA-B).

La metilación de la citosina en C(5), modificación biológica común, también promueve la formación de DNA-Z debido a que un grupo hidrofóbico en esta posición esta menos expuesto al solvente que en el DNA-B.

La existencia de DNA-Z in vivo ha sido difícil de probar, sobre todo porque no se puede demostrar que la utilización de una sonda para DNA-Z (un anticuerpo por ejemplo), no podría por sí misma inducir al DNA-B a adoptar la forma Z. Se ha propuesto que en circunstancias apropiadas la conversión reversible de secuencias específicas de DNA-B en Z pudiera actuar como interruptor regulando la expresión genética,