En biología molecular , la complementariedad describe una relación entre dos estructuras, cada una de las cuales sigue el principio de llave y candado. En la naturaleza, la complementariedad es el principio básico de la replicación y transcripción del ADN, ya que es una propiedad compartida entre dos secuencias de ADN o ARN , de modo que cuando están alineadas de manera antiparalela entre sí, las bases de nucleótidos en cada posición en las secuencias serán complementarias , mucho como mirarse en el espejo y ver el revés de las cosas. Este emparejamiento de bases complementarias permite a las células copiar información de una generación a otra e incluso encontrar y reparar daños en la información almacenada en las secuencias.
El grado de complementariedad entre dos cadenas de ácido nucleico puede variar, desde una complementariedad completa (cada nucleótido está frente a su opuesto) hasta ninguna complementariedad (cada nucleótido no está frente a su opuesto) y determina la estabilidad de las secuencias para estar juntas. Además, diversas funciones de reparación del ADN, así como funciones reguladoras, se basan en la complementariedad de los pares de bases. En biotecnología, el principio de complementariedad de pares de bases permite la generación de híbridos de ADN entre ARN y ADN, y abre la puerta a herramientas modernas como las bibliotecas de ADNc . Si bien la mayor complementariedad se observa entre dos cadenas separadas de ADN o ARN, también es posible que una secuencia tenga complementariedad interna, lo que da como resultado que la secuencia se una a sí misma en una configuración plegada.
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La complementariedad se logra mediante distintas interacciones entre nucleobases : adenina , timina ( uracilo en el ARN ), guanina y citosina . La adenina y la guanina son purinas , mientras que la timina, la citosina y el uracilo son pirimidinas . Las purinas son más grandes que las pirimidinas. Ambos tipos de moléculas se complementan entre sí y solo pueden emparejarse con el tipo opuesto de nucleobase. En el ácido nucleico, las nucleobases se mantienen unidas mediante enlaces de hidrógeno , que sólo funcionan de manera eficiente entre adenina y timina y entre guanina y citosina. El complemento de bases A = T comparte dos enlaces de hidrógeno, mientras que el par de bases G ≡ C tiene tres enlaces de hidrógeno. Todas las demás configuraciones entre nucleobases dificultarían la formación de doble hélice. Las cadenas de ADN están orientadas en direcciones opuestas, se dice que son antiparalelas . [1]
Se puede construir una cadena complementaria de ADN o ARN basándose en la complementariedad de nucleobases. [2] Cada par de bases, A = T frente a G ≡ C, ocupa aproximadamente el mismo espacio, lo que permite la formación de una doble hélice de ADN retorcido sin distorsiones espaciales. Los enlaces de hidrógeno entre las nucleobases también estabilizan la doble hélice del ADN. [3]
La complementariedad de las cadenas de ADN en una doble hélice hace posible utilizar una cadena como plantilla para construir la otra. Este principio juega un papel importante en la replicación del ADN , sentando las bases de la herencia al explicar cómo la información genética puede transmitirse a la siguiente generación. La complementariedad también se utiliza en la transcripción del ADN , que genera una cadena de ARN a partir de una plantilla de ADN. [4] Además, el virus de la inmunodeficiencia humana , un virus de ARN monocatenario , codifica una ADN polimerasa dependiente de ARN ( transcriptasa inversa ) que utiliza la complementariedad para catalizar la replicación del genoma. La transcriptasa inversa puede cambiar entre dos genomas de ARN parentales mediante recombinación de elección de copia durante la replicación. [5]
Los mecanismos de reparación del ADN, como la corrección de pruebas, se basan en la complementariedad y permiten la corrección de errores durante la replicación del ADN mediante la eliminación de nucleobases no coincidentes. [1] En general, los daños en una hebra de ADN pueden repararse mediante la eliminación de la sección dañada y su reemplazo mediante el uso de complementariedad para copiar información de la otra hebra, como ocurre en los procesos de reparación de desajustes , reparación por escisión de nucleótidos y escisión de bases. reparar . [6]
Las cadenas de ácidos nucleicos también pueden formar híbridos en los que el ADN monocatenario puede hibridarse fácilmente con ADN o ARN complementario. Este principio es la base de técnicas de laboratorio comúnmente realizadas como la reacción en cadena de la polimerasa , PCR. [1]
Dos cadenas de secuencia complementaria se denominan sentido y antisentido . La cadena sentido es, generalmente, la secuencia transcrita de ADN o ARN que se generó en la transcripción, mientras que la cadena antisentido es la cadena que es complementaria a la secuencia sentido.
La autocomplementariedad se refiere al hecho de que una secuencia de ADN o ARN puede plegarse sobre sí misma, creando una estructura similar a una doble hebra. Dependiendo de qué tan juntas estén las partes de la secuencia que son autocomplementarias, la hebra puede formar bucles en horquilla, uniones, protuberancias o bucles internos. [1] Es más probable que el ARN forme este tipo de estructuras debido a la unión de pares de bases que no se observa en el ADN, como la unión de guanina con uracilo. [1]
Se puede encontrar complementariedad entre tramos cortos de ácido nucleico y una región codificante o un gen transcrito, y da como resultado el emparejamiento de bases. Estas secuencias cortas de ácidos nucleicos se encuentran comúnmente en la naturaleza y tienen funciones reguladoras como el silenciamiento de genes. [1]
Los transcritos antisentido son tramos de ARNm no codificante que son complementarios a la secuencia codificante. [7] Estudios de todo el genoma han demostrado que las transcripciones de ARN antisentido ocurren comúnmente en la naturaleza. En general, se cree que aumentan el potencial de codificación del código genético y añaden una capa general de complejidad a la regulación genética. Hasta ahora, se sabe que el 40% del genoma humano se transcribe en ambas direcciones, lo que subraya la importancia potencial de la transcripción inversa. [8] Se ha sugerido que las regiones complementarias entre transcripciones sentido y antisentido permitirían la generación de híbridos de ARN bicatenario, que pueden desempeñar un papel importante en la regulación genética. Por ejemplo, el ARNm del factor 1α y la β-secretasa inducidos por hipoxia se transcriben bidireccionalmente y se ha demostrado que el transcrito antisentido actúa como estabilizador de la secuencia de comandos sensorial. [9]
Los miARN , microARN, son secuencias cortas de ARN que son complementarias a regiones de un gen transcrito y tienen funciones reguladoras. Las investigaciones actuales indican que los miARN circulantes pueden utilizarse como nuevos biomarcadores, por lo que muestran evidencia prometedora para su uso en el diagnóstico de enfermedades. [10] Los miARN se forman a partir de secuencias más largas de ARN que se liberan mediante una enzima Dicer de una secuencia de ARN que es de un gen regulador. Estas hebras cortas se unen a un complejo RISC . Coinciden con secuencias en la región aguas arriba de un gen transcrito debido a su complementariedad para actuar como silenciador del gen de tres maneras. Una es impidiendo que un ribosoma se una e inicie la traducción. La segunda es degradar el ARNm al que se ha unido el complejo. Y la tercera es proporcionar una nueva secuencia de ARN bicatenario (ARNds) sobre la que Dicer puede actuar para crear más miARN para encontrar y degradar más copias del gen. Los pequeños ARN de interferencia (ARNip) tienen una función similar a la de los miARN; Provienen de otras fuentes de ARN, pero tienen un propósito similar al de los miARN. [1] Dada su corta duración, las reglas de complementariedad significan que aún pueden ser muy discriminatorias en sus objetivos de elección. Dado que hay cuatro opciones para cada base en la cadena y una longitud de 20 pb - 22 pb para un mi/siRNA, eso conduce a más de1 × 10 12 combinaciones posibles . Dado que el genoma humano tiene ~3,1 mil millones de bases de longitud, [11] esto significa que cada miARN solo debería encontrar una coincidencia una vez en todo el genoma humano por accidente.
Las horquillas que se besan se forman cuando una sola hebra de ácido nucleico se complementa consigo misma creando bucles de ARN en forma de horquilla. [12] Cuando dos horquillas entran en contacto entre sí in vivo , las bases complementarias de las dos hebras se forman y comienzan a desenrollarse las horquillas hasta que se forma un complejo de ARN bicatenario (ARNbc) o el complejo se desenrolla de nuevo en dos horquillas separadas. hebras debido a desajustes en las horquillas. La estructura secundaria de la horquilla antes del beso permite una estructura estable con un cambio de energía relativamente fijo. [13] El propósito de estas estructuras es equilibrar la estabilidad del bucle de horquilla frente a la fuerza de unión con una hebra complementaria. Una unión inicial demasiado fuerte en una mala ubicación hará que los hilos no se desenrollen lo suficientemente rápido; Una unión inicial demasiado débil y las hebras nunca formarán completamente el complejo deseado. Estas estructuras de horquilla permiten la exposición de suficientes bases para proporcionar un control lo suficientemente fuerte sobre la unión inicial y una unión interna lo suficientemente débil como para permitir el despliegue una vez que se ha encontrado una coincidencia favorable. [13]
---C G--- CG---C G--- UACG GCUA CGGC AGCG AAAG CUAA U CUU ---CCUGCAACUUAGGCAGG--- AGA ---GGACGUUGAAUCCGUCC--- GAUU UUUC UCGC GCCG CGAU AUGC GC---G C------G----Las horquillas besándose se juntan en la parte superior de los bucles. La complementariedadde las dos cabezas anima a la horquilla a desplegarse y enderezarse paraconvertirse en una secuencia plana de dos mechones en lugar de dos horquillas.
La complementariedad permite que la información que se encuentra en el ADN o el ARN se almacene en una sola cadena. La cadena complementaria se puede determinar a partir del molde y viceversa como en las bibliotecas de ADNc. Esto también permite realizar análisis, como comparar las secuencias de dos especies diferentes. Se han desarrollado taquigrafías para escribir secuencias cuando hay discrepancias (códigos de ambigüedad) o para acelerar la lectura de la secuencia opuesta en el complemento (ambigramas).
Una biblioteca de ADNc es una colección de genes de ADN expresados que se consideran una herramienta de referencia útil en los procesos de identificación y clonación de genes. Las bibliotecas de ADNc se construyen a partir de ARNm utilizando la transcriptasa inversa (RT) de ADN polimerasa dependiente de ARN, que transcribe una plantilla de ARNm en ADN. Por lo tanto, una biblioteca de ADNc sólo puede contener inserciones destinadas a transcribirse en ARNm. Este proceso se basa en el principio de complementariedad ADN/ARN. El producto final de las bibliotecas es ADN bicatenario, que puede insertarse en plásmidos. Por tanto, las bibliotecas de ADNc son una herramienta poderosa en la investigación moderna. [1] [14]
Al escribir secuencias para biología sistemática , puede ser necesario tener códigos IUPAC que signifiquen "cualquiera de los dos" o "cualquiera de los tres". El código IUPAC R (cualquier purina ) es complementario de Y (cualquier pirimidina ) y M (amino) de K (ceto). W (débil) y S (fuerte) generalmente no se intercambian [15] , pero algunas herramientas lo han hecho en el pasado. [16] W y S denotan "débil" y "fuerte", respectivamente, e indican varios de los enlaces de hidrógeno que utiliza un nucleótido para emparejarse con su pareja complementaria. Un socio usa el mismo número de enlaces para formar un par complementario. [17]
Un código IUPAC que excluye específicamente uno de los tres nucleótidos puede ser complementario de un código IUPAC que excluye el nucleótido complementario. Por ejemplo, V (A, C o G - "no T") puede ser complementario de B (C, G o T - "no A").
Se pueden utilizar caracteres específicos para crear una notación de ácido nucleico ( ambigráfica ) adecuada para bases complementarias (es decir, guanina = b , citosina = q , adenina = n y timina = u ), lo que hace posible complementar secuencias completas de ADN simplemente girando el texto "al revés". [19] Por ejemplo, con el alfabeto anterior, buqn (GTCA) se leería como ubnq (TGAC, complemento inverso) si se volteara al revés.
Las notaciones ambigráficas visualizan fácilmente tramos de ácidos nucleicos complementarios, como secuencias palindrómicas. [20] Esta característica se mejora cuando se utilizan fuentes o símbolos personalizados en lugar de caracteres ASCII ordinarios o incluso Unicode. [20]
{{cite book}}: Mantenimiento CS1: varios nombres: lista de autores ( enlace ){{cite journal}}: Mantenimiento CS1: nombres numéricos: lista de autores ( enlace )