Los modelos moleculares de estructuras de ADN son representaciones de la geometría molecular y la topología de las moléculas de ácido desoxirribonucleico ( ADN ) utilizando uno de varios medios, con el objetivo de simplificar y presentar las propiedades físicas y químicas esenciales de las estructuras moleculares de ADN, ya sea in vivo o in vitro . Estas representaciones incluyen esferas compactas ( modelos CPK ) hechas de plástico, alambres de metal para modelos esqueléticos , cálculos gráficos y animaciones por computadora, representación artística. Los modelos moleculares por computadora también permiten animaciones y simulaciones de dinámica molecular que son muy importantes para comprender cómo funciona el ADN in vivo .
Los modelos moleculares de ADN más avanzados basados en computadora implican simulaciones de dinámica molecular y cálculos de mecánica cuántica de vibrorotaciones, orbitales moleculares deslocalizados (OM), momentos dipolares eléctricos , enlaces de hidrógeno , etc. El modelado de dinámica molecular de ADN implica simular los cambios de topología y geometría molecular del ácido desoxirribonucleico ( ADN ) con el tiempo como resultado de interacciones intra e intermoleculares del ADN. Mientras que los modelos moleculares de moléculas de ADN, como esferas compactas (modelos CPK) hechas de alambres de plástico o metal para modelos esqueléticos , son representaciones útiles de estructuras de ADN estáticas, su utilidad es muy limitada para representar dinámicas complejas de ADN. El modelado molecular por computadora permite tanto animaciones como simulaciones de dinámica molecular que son muy importantes para comprender cómo funciona el ADN in vivo .
Desde las primeras etapas de los estudios estructurales del ADN por difracción de rayos X y medios bioquímicos, se emplearon con éxito modelos moleculares como el modelo de doble hélice de ácidos nucleicos de Watson-Crick para resolver el "rompecabezas" de la estructura del ADN y también para encontrar cómo se relaciona esta última con sus funciones clave en las células vivas. Los primeros patrones de difracción de rayos X de alta calidad del ADN-A fueron informados por Rosalind Franklin y Raymond Gosling en 1953. [1] Rosalind Franklin hizo la observación crítica de que el ADN existe en dos formas distintas, A y B, y produjo las imágenes más nítidas de ambas mediante la técnica de difracción de rayos X. [2] Los primeros cálculos de la transformada de Fourier de una hélice atómica fueron informados un año antes por Cochran, Crick y Vand, [3] y fueron seguidos en 1953 por el cálculo de la transformada de Fourier de una hélice enrollada por Crick. [4]
La información estructural se genera a partir de estudios de difracción de rayos X de fibras de ADN orientadas con la ayuda de modelos moleculares de ADN que se combinan con análisis cristalográfico y matemático de los patrones de rayos X.
Los primeros informes de un modelo molecular de doble hélice de la estructura del B-ADN fueron realizados por James Watson y Francis Crick en 1953. [5] [6] Ese mismo año, Maurice F. Wilkins, A. Stokes y HR Wilson informaron los primeros patrones de rayos X del B-ADN in vivo en cabezas de esperma de salmón parcialmente orientadas. [7]
El desarrollo del primer modelo molecular correcto de doble hélice del ADN por Crick y Watson puede que no hubiera sido posible sin la evidencia bioquímica del apareamiento de bases de nucleótidos ([A---T]; [C---G]), o las reglas de Chargaff . [8] [9] [10] [11] [12] [13] Aunque tales estudios iniciales de estructuras de ADN con la ayuda de modelos moleculares fueron esencialmente estáticos, sus consecuencias para explicar las funciones in vivo del ADN fueron significativas en las áreas de biosíntesis de proteínas y la cuasi-universalidad del código genético. Sin embargo, los estudios de transformación epigenética del ADN in vivo fueron mucho más lentos en desarrollarse a pesar de su importancia para la embriología, la morfogénesis y la investigación del cáncer. Tales dinámicas químicas y reacciones bioquímicas del ADN son mucho más complejas que la dinámica molecular de las interacciones físicas del ADN con agua, iones y proteínas/enzimas en células vivas.
Un problema dinámico que se plantea desde hace mucho tiempo es el de cómo se produce la "autorreplicación" del ADN en las células vivas, lo que debería implicar un desenrollado transitorio de las fibras de ADN superenrolladas. Aunque el ADN está formado por moléculas de biopolímeros alargadas, relativamente rígidas y muy grandes, llamadas fibras o cadenas (que están formadas por unidades de nucleótidos repetidas de cuatro tipos básicos, unidas a grupos desoxirribosa y fosfato), su estructura molecular in vivo sufre cambios de configuración dinámicos que implican moléculas de agua e iones unidos dinámicamente. El superenrollamiento, el empaquetamiento con histonas en las estructuras cromosómicas y otros aspectos supramoleculares similares también implican la topología del ADN in vivo , que es incluso más compleja que la geometría molecular del ADN, lo que convierte el modelado molecular del ADN en un problema especialmente desafiante tanto para los biólogos moleculares como para los biotecnólogos. Al igual que otras moléculas grandes y biopolímeros, el ADN a menudo existe en múltiples geometrías estables (es decir, presenta isomería conformacional ) y estados cuánticos configuracionales que están próximos entre sí en energía en la superficie de energía potencial de la molécula de ADN.
Estas geometrías moleculares variables también se pueden calcular, al menos en principio, empleando métodos de química cuántica ab initio que pueden alcanzar una alta precisión para moléculas pequeñas, aunque recientemente se han hecho afirmaciones de que también se puede lograr una precisión aceptable para polinucleótidos y conformaciones de ADN, basándose en datos espectrales de dicroísmo circular vibracional (VCD). Estas geometrías cuánticas definen una clase importante de modelos moleculares ab initio de ADN cuya exploración apenas ha comenzado, especialmente en relación con los resultados obtenidos por VCD en soluciones. En principio, se pueden obtener comparaciones más detalladas con estos cálculos cuánticos ab initio mediante espectroscopia de RMN 2D-FT y estudios de relajación de soluciones de polinucleótidos o ADN marcado específicamente, como por ejemplo con marcas de deuterio.
En un interesante giro de roles, se propuso el uso de la molécula de ADN para la computación cuántica a través del ADN. Se han construido tanto nanoestructuras de ADN como biochips para la computación del ADN .
La estructura química del ADN no es suficiente para comprender la complejidad de las estructuras 3D del ADN. Por el contrario, los modelos moleculares animados permiten explorar visualmente la estructura tridimensional (3D) del ADN. El modelo de ADN que se muestra (a la derecha) es un modelo de relleno de espacio, o CPK , de la doble hélice del ADN. Los modelos moleculares animados, como el tipo de alambre o esquelético que se muestra en la parte superior de este artículo, permiten explorar visualmente la estructura tridimensional (3D) del ADN. Otro tipo de modelo de ADN es el modelo de relleno de espacio, o CPK.
La dinámica de los enlaces de hidrógeno y el intercambio de protones es muy diferente en muchos órdenes de magnitud entre los dos sistemas de ADN completamente hidratado y moléculas de agua en el hielo. Por lo tanto, la dinámica del ADN es compleja, involucrando escalas de tiempo de nanosegundos y varias decenas de picosegundos, mientras que la del hielo líquido está en la escala de tiempo de picosegundos, y la del intercambio de protones en el hielo está en la escala de tiempo de milisegundos. Las tasas de intercambio de protones en el ADN y las proteínas unidas pueden variar de picosegundos a nanosegundos, minutos o años, dependiendo de las ubicaciones exactas de los protones intercambiados en los grandes biopolímeros.
Una simple "vibración" de un oscilador armónico es sólo una representación dinámica simplificada de las vibraciones longitudinales de las hélices entrelazadas del ADN, que resultaron ser anarmónicas en lugar de armónicas, como a menudo se supone en las simulaciones dinámicas cuánticas del ADN.
La estructura del ADN presenta una variedad de formas, tanto de doble cadena como de cadena sencilla. Las propiedades mecánicas del ADN, que están directamente relacionadas con su estructura, son un problema importante para las células . Todo proceso que une o lee el ADN es capaz de utilizar o modificar las propiedades mecánicas del ADN con fines de reconocimiento, empaquetamiento y modificación. La longitud extrema (un cromosoma puede contener una cadena de ADN de 10 cm de longitud), la rigidez relativa y la estructura helicoidal del ADN han llevado a la evolución de las histonas y de enzimas como las topoisomerasas y las helicasas para gestionar el ADN de una célula. Las propiedades del ADN están estrechamente relacionadas con su estructura molecular y secuencia, en particular la debilidad de los enlaces de hidrógeno y las interacciones electrónicas que mantienen unidas las cadenas de ADN en comparación con la fuerza de los enlaces dentro de cada cadena.
Los métodos experimentales que permiten medir directamente las propiedades mecánicas del ADN son relativamente nuevos y, a menudo, la visualización en alta resolución en solución resulta difícil. Sin embargo, los científicos han descubierto una gran cantidad de datos sobre las propiedades mecánicas de este polímero y las implicaciones de las propiedades mecánicas del ADN en los procesos celulares son un tema de investigación actual.
El ADN que se encuentra en muchas células puede tener una longitud macroscópica: unos pocos centímetros para cada cromosoma humano. En consecuencia, las células deben compactar o empaquetar el ADN para transportarlo dentro de ellas. En los eucariotas, este transporte se realiza mediante proteínas en forma de carrete llamadas histonas , alrededor de las cuales se enrolla el ADN. Es la compactación adicional de este complejo de ADN y proteína lo que produce los conocidos cromosomas eucariotas mitóticos .
A finales de la década de 1970, se consideraron brevemente modelos alternativos no helicoidales de la estructura del ADN como una posible solución a los problemas de replicación del ADN en plásmidos y cromatina . Sin embargo, los modelos se dejaron de lado en favor del modelo de doble hélice debido a los avances experimentales posteriores, como la cristalografía de rayos X de los dúplex de ADN, y más tarde la partícula central del nucleosoma , y el descubrimiento de las topoisomerasas . Estos modelos no doblemente helicoidales no son aceptados actualmente por la comunidad científica convencional. [14] [15]
Una vez que el ADN se ha separado y purificado mediante métodos bioquímicos estándar, se obtiene una muestra en un frasco similar a la que se muestra en la figura que encabeza este artículo. A continuación se presentan los pasos principales que se deben seguir para generar información estructural a partir de estudios de difracción de rayos X de fibras de ADN orientadas que se extraen de la muestra de ADN hidratada con la ayuda de modelos moleculares de ADN que se combinan con análisis cristalográficos y matemáticos de los patrones de rayos X.
Una red paracristalina , o paracristal, es una red molecular o atómica con cantidades significativas (por ejemplo, mayores que un pequeño porcentaje) de desorden parcial de las disposiciones moleculares. Los casos límite del modelo paracristalino son las nanoestructuras , como los vidrios , los líquidos , etc., que pueden poseer solo un orden local y ningún orden global. En la siguiente figura se muestra un ejemplo simple de una red paracristalina para un vidrio de sílice:
Los cristales líquidos también tienen estructuras paracristalinas en lugar de cristalinas .
El B-ADN altamente hidratado se produce de forma natural en las células vivas en un estado paracristalino, que es dinámico a pesar de la doble hélice de ADN relativamente rígida estabilizada por enlaces de hidrógeno paralelos entre los pares de bases de nucleótidos en las dos cadenas de ADN helicoidales complementarias (ver figuras). Para simplificar, la mayoría de los modelos moleculares de ADN omiten tanto el agua como los iones unidos dinámicamente al B-ADN y, por lo tanto, son menos útiles para comprender los comportamientos dinámicos del B-ADN in vivo . El análisis físico y matemático de los rayos X [16] [17] y los datos espectroscópicos para el B-ADN paracristalino es, por lo tanto, mucho más complejo que el de los patrones de difracción de rayos X del A-ADN cristalino. El modelo paracristalino también es importante para aplicaciones tecnológicas del ADN, como la nanotecnología del ADN . Ahora también se están desarrollando nuevos métodos que combinan la difracción de rayos X del ADN con la microscopía de rayos X en células vivas hidratadas. [18]
Existen diversos usos del modelado molecular del ADN en aplicaciones de investigación en genómica y biotecnología, desde la reparación del ADN hasta la PCR y las nanoestructuras del ADN . Se han visualizado matrices de uniones de ADN bidimensionales mediante microscopía de fuerza atómica . [19]
El modelado molecular del ADN tiene diversos usos en genómica y biotecnología , con aplicaciones de investigación que van desde la reparación del ADN hasta la PCR y las nanoestructuras del ADN. Entre ellas se incluyen modelos moleculares informáticos de moléculas tan variadas como la ARN polimerasa, una plantilla de ADN primasa bacteriana de E. coli que sugiere dinámicas muy complejas en las interfaces entre las enzimas y la plantilla de ADN, y modelos moleculares de la interacción química mutagénica de potentes moléculas cancerígenas con el ADN. Todos ellos están representados en la galería que aparece a continuación.
Las aplicaciones tecnológicas incluyen un biochip de ADN y nanoestructuras de ADN diseñadas para la computación de ADN y otras aplicaciones dinámicas de la nanotecnología de ADN . [20] [21] [22] [23] [24] [25] La imagen de la derecha es de nanoestructuras de ADN autoensambladas. La estructura de "mosaico" de ADN en esta imagen consta de cuatro uniones ramificadas orientadas en ángulos de 90°. Cada mosaico consta de nueve oligonucleótidos de ADN como se muestra; dichos mosaicos sirven como el "bloque de construcción" primario para el ensamblaje de las nanomallas de ADN que se muestran en la micrografía AFM.
El ADN cuádruplex puede estar involucrado en ciertos tipos de cáncer. [26] [27] Las imágenes del ADN cuádruplex se encuentran en la galería a continuación.
80-model.png/1280px-DNA-(A)80-model.png){kind=small}
{{cite journal}}: CS1 maint: multiple names: authors list (link){{cite journal}}: CS1 maint: multiple names: authors list (link){{cite journal}}: CS1 maint: multiple names: authors list (link){{cite journal}}: CS1 maint: multiple names: authors list (link), .{{cite journal}}: CS1 maint: multiple names: authors list (link)Sin embargo, el descubrimiento de las topoisomerasas eliminó "el aguijón" de la objeción topológica a la doble hélice plectonémica. La solución más reciente de la estructura de rayos X del monocristal de la partícula central del nucleosoma mostró casi 150 pares de bases del ADN (es decir, alrededor de 15 vueltas completas), con una estructura que es en todos los aspectos esenciales la misma que el modelo de Watson-Crick. Esto asestó un golpe mortal a la idea de que otras formas de ADN, particularmente el ADN de doble hélice, existen como algo más que estructuras locales o transitorias.[ enlace muerto ]