En biología molecular , el término doble hélice [1] hace referencia a la estructura formada por moléculas bicatenarias de ácidos nucleicos como el ADN . La estructura de doble hélice de un complejo de ácido nucleico surge como consecuencia de su estructura secundaria , y es un componente fundamental en la determinación de su estructura terciaria . La estructura fue descubierta por Rosalind Franklin y su alumno Raymond Gosling , [2] pero el término "doble hélice" entró en la cultura popular con la publicación en 1968 de The Double Helix: A Personal Account of the Discovery of the Structure of DNA de James Watson. .
El biopolímero de ácido nucleico de doble hélice de ADN se mantiene unido mediante nucleótidos cuyas bases se emparejan . [3] En el ADN-B , la estructura de doble hélice más común que se encuentra en la naturaleza, la doble hélice es diestra con alrededor de 10 a 10,5 pares de bases por vuelta. [4] La estructura de doble hélice del ADN contiene un surco mayor y un surco menor . En el ADN-B, el surco mayor es más ancho que el surco menor. [3] Dada la diferencia en el ancho del surco mayor y del surco menor, muchas proteínas que se unen al ADN-B lo hacen a través del surco mayor más ancho. [5]
El modelo de doble hélice de la estructura del ADN fue publicado por primera vez en la revista Nature por James Watson y Francis Crick en 1953, [6] (coordenadas X,Y,Z en 1954 [7] ) basado en el trabajo de Rosalind Franklin y su alumno. Raymond Gosling, quien tomó la crucial imagen de difracción de rayos X del ADN etiquetada como " Foto 51 ", [8] [9] y Maurice Wilkins , Alexander Stokes y Herbert Wilson , [10] y la información química y bioquímica del emparejamiento de bases mediante Erwin Chargaff . [11] [12] [13] [14] [15] [16] Antes de esto, Linus Pauling —quien ya había caracterizado con precisión la conformación de los motivos de la estructura secundaria de las proteínas— y su colaborador Robert Corey habían postulado, erróneamente, que el ADN adoptar una conformación de triple hebra . [17]
La comprensión de que la estructura del ADN es la de una doble hélice aclaró el mecanismo de emparejamiento de bases mediante el cual la información genética se almacena y copia en los organismos vivos y es ampliamente considerado uno de los descubrimientos científicos más importantes del siglo XX. Crick, Wilkins y Watson recibieron cada uno un tercio del Premio Nobel de Fisiología o Medicina de 1962 por sus contribuciones al descubrimiento. [18]
La hibridación es el proceso de unión de pares de bases complementarias para formar una doble hélice. La fusión es el proceso por el cual se rompen las interacciones entre las hebras de la doble hélice, separando las dos hebras de ácido nucleico. Estos enlaces son débiles y se separan fácilmente mediante un calentamiento suave, enzimas o fuerza mecánica. La fusión se produce preferentemente en determinados puntos del ácido nucleico. [19] Las regiones ricas en T y A se funden más fácilmente que las regiones ricas en C y G. Algunos pasos (pares) de bases también son susceptibles a la fusión del ADN, como TA y TG . [20] Estas características mecánicas se reflejan en el uso de secuencias como TATA al inicio de muchos genes para ayudar a la ARN polimerasa a fundir el ADN para la transcripción.
La separación de hebras mediante calentamiento suave, como se usa en la reacción en cadena de la polimerasa (PCR), es simple, siempre que las moléculas tengan menos de aproximadamente 10.000 pares de bases (10 kilopares de bases o 10 kpb). El entrelazamiento de las cadenas de ADN hace que los segmentos largos sean difíciles de separar. [21] La célula evita este problema permitiendo que sus enzimas que funden el ADN ( helicasas ) trabajen simultáneamente con las topoisomerasas , que pueden escindir químicamente la columna vertebral de fosfato de una de las hebras para que pueda girar alrededor de la otra. [22] Las helicasas desenrollan las hebras para facilitar el avance de enzimas de lectura de secuencias como la ADN polimerasa . [23]
La geometría de una base, o un escalón de par de bases, se puede caracterizar por 6 coordenadas: desplazamiento, deslizamiento, elevación, inclinación, giro y giro. Estos valores definen con precisión la ubicación y orientación en el espacio de cada base o par de bases en una molécula de ácido nucleico con respecto a su predecesora a lo largo del eje de la hélice. Juntos, caracterizan la estructura helicoidal de la molécula. En regiones de ADN o ARN donde se altera la estructura normal , el cambio en estos valores se puede utilizar para describir dicha alteración.
Para cada par de bases, considerado en relación con su predecesor, existen las siguientes geometrías de pares de bases a considerar: [24] [25] [26]
La elevación y la torsión determinan la dirección y el paso de la hélice. Las otras coordenadas, por el contrario, pueden ser cero. El deslizamiento y el desplazamiento suelen ser pequeños en el ADN B, pero son sustanciales en el ADN A y Z. El giro y la inclinación hacen que los pares de bases sucesivos sean menos paralelos y, por lo general, son pequeños.
"Inclinación" se ha utilizado a menudo de manera diferente en la literatura científica, refiriéndose a la desviación del primer eje del par de bases entre hebras desde la perpendicularidad al eje de la hélice. Esto corresponde al deslizamiento entre una sucesión de pares de bases, y en coordenadas basadas en hélice se denomina propiamente "inclinación".
Se cree que al menos tres conformaciones de ADN se encuentran en la naturaleza: ADN-A , ADN-B y ADN-Z . Se cree que la forma B descrita por James Watson y Francis Crick predomina en las células. [27] Tiene 23,7 Å de ancho y se extiende 34 Å por 10 pb de secuencia. La doble hélice da una vuelta completa alrededor de su eje cada 10,4 a 10,5 pares de bases en solución. Esta frecuencia de torsión (denominada paso helicoidal ) depende en gran medida de las fuerzas de apilamiento que cada base ejerce sobre sus vecinas en la cadena. La configuración absoluta de las bases determina la dirección de la curva helicoidal para una conformación determinada.
El ADN-A y el ADN-Z difieren significativamente en su geometría y dimensiones del ADN-B, aunque todavía forman estructuras helicoidales. Durante mucho tiempo se pensó que la forma A sólo se presenta en muestras deshidratadas de ADN en el laboratorio, como las utilizadas en experimentos cristalográficos , y en pares híbridos de cadenas de ADN y ARN , pero la deshidratación del ADN ocurre in vivo , y el ADN-A se produce en el laboratorio. ahora se sabe que tiene funciones biológicas . Los segmentos de ADN que las células han metilado con fines regulatorios pueden adoptar la geometría Z, en la que las hebras giran alrededor del eje helicoidal en sentido opuesto al ADN-A y al ADN-B. También hay evidencia de complejos de proteína-ADN que forman estructuras de ADN-Z.
Son posibles otras conformaciones; A-DNA, B-DNA, C-DNA , E-DNA, [28] L -DNA (la forma enantiomérica de D -DNA), [29] P-DNA, [30] S-DNA, Z-DNA, etc. se han descrito hasta ahora. [31] De hecho, ahora sólo las letras F, Q, U, V e Y están [actualizar]disponibles para describir cualquier nueva estructura de ADN que pueda aparecer en el futuro. [32] [33] Sin embargo, la mayoría de estas formas se han creado sintéticamente y no se han observado en sistemas biológicos naturales. [ cita necesaria ] También hay formas de ADN de triple hebra y formas cuádruplex, como el G-quadruplex y el i-motif .
Las hebras helicoidales gemelas forman la columna vertebral del ADN. Se puede encontrar otra doble hélice trazando los espacios o ranuras entre las hebras. Estos huecos son adyacentes a los pares de bases y pueden proporcionar un sitio de unión . [37] Como los hilos no están directamente opuestos entre sí, las ranuras tienen tamaños desiguales. Un surco, el surco mayor, tiene 22 Å de ancho y el otro, el surco menor, tiene 12 Å de ancho. [38] La estrechez del surco menor significa que los bordes de las bases son más accesibles en el surco mayor. Como resultado, las proteínas como los factores de transcripción que pueden unirse a secuencias específicas en el ADN bicatenario generalmente hacen contactos con los lados de las bases expuestas en el surco principal. [5] Esta situación varía en conformaciones inusuales del ADN dentro de la célula (ver más abajo) , pero los surcos mayor y menor siempre se nombran para reflejar las diferencias de tamaño que se verían si el ADN se retorciera nuevamente a la forma B ordinaria. [39]
A finales de la década de 1970 se consideraron brevemente modelos alternativos no helicoidales 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 avances experimentales posteriores, como la cristalografía de rayos X de los dúplex de ADN y más tarde de la partícula central del nucleosoma , y el descubrimiento de las topoisomerasas . Además, los modelos sin doble hélice no son actualmente aceptados por la comunidad científica convencional. [40] [41]
El ADN es un polímero relativamente rígido, típicamente modelado como una cadena similar a un gusano . Tiene tres grados de libertad importantes; flexión, torsión y compresión, cada una de las cuales causa ciertos límites en lo que es posible con el ADN dentro de una célula. La rigidez torsional es importante para la circularización del ADN y la orientación de las proteínas unidas al ADN entre sí, y la rigidez axial a la flexión es importante para la envoltura y circularización del ADN y las interacciones de proteínas. La compresión-extensión es relativamente poco importante en ausencia de tensión alta.
El ADN en solución no adopta una estructura rígida, sino que cambia continuamente de conformación debido a la vibración térmica y las colisiones con las moléculas de agua, lo que hace que las medidas clásicas de rigidez sean imposibles de aplicar. Por lo tanto, la rigidez a la flexión del ADN se mide por la longitud de persistencia, definida como:
La flexibilidad a la flexión de un polímero se cuantifica convencionalmente en términos de su longitud de persistencia, Lp, una escala de longitud por debajo de la cual el polímero se comporta más o menos como una varilla rígida. Específicamente, Lp se define como la longitud del segmento de polímero sobre el cual la orientación promediada en el tiempo del polímero deja de estar correlacionada... [42]
Este valor se puede medir directamente utilizando un microscopio de fuerza atómica para obtener imágenes directas de moléculas de ADN de varias longitudes. En una solución acuosa, la longitud media de persistencia es de 46 a 50 nm o de 140 a 150 pares de bases (el diámetro del ADN es de 2 nm), aunque puede variar significativamente. Esto hace que el ADN sea una molécula moderadamente rígida.
La longitud de persistencia de una sección de ADN depende en cierta medida de su secuencia, y esto puede provocar una variación significativa. La variación se debe en gran medida a las energías de apilamiento de la base y a los residuos que se extienden hacia los surcos mayores y menores .
En escalas de longitud mayores que la longitud de persistencia , la flexibilidad entrópica del ADN es notablemente consistente con los modelos estándar de física de polímeros , como el modelo de cadena similar a un gusano de Kratky-Porod . [44] Consistente con el modelo de cadena tipo gusano es la observación de que la curvatura del ADN también se describe mediante la ley de Hooke ante fuerzas muy pequeñas (subpiconewton ) . Para segmentos de ADN menores que la longitud de persistencia, la fuerza de flexión es aproximadamente constante y el comportamiento se desvía de las predicciones de la cadena tipo gusano.
Este efecto da como resultado una facilidad inusual para circular pequeñas moléculas de ADN y una mayor probabilidad de encontrar secciones de ADN muy dobladas. [45]
Las moléculas de ADN a menudo tienen una dirección preferida para doblarse, es decir, curvatura anisotrópica . Esto se debe, nuevamente, a las propiedades de las bases que forman la secuencia de ADN: una secuencia aleatoria no tendrá una dirección de curvatura preferida, es decir, una curvatura isotrópica.
La dirección de curvatura del ADN preferida está determinada por la estabilidad de apilar cada base encima de la siguiente. Si siempre se encuentran pasos de apilamiento de bases inestables en un lado de la hélice del ADN, entonces el ADN se doblará preferentemente en esa dirección. A medida que aumenta el ángulo de curvatura, los obstáculos estéricos y la capacidad de hacer rodar los residuos entre sí también desempeñan un papel, especialmente en el surco menor. Los residuos A y T se encontrarán preferentemente en las ranuras menores del interior de las curvas. Este efecto se observa particularmente en la unión ADN-proteína donde se induce una fuerte flexión del ADN, como en las partículas de nucleosoma . Vea las distorsiones del paso base arriba.
Las moléculas de ADN con una preferencia de flexión excepcional pueden doblarse intrínsecamente. Esto se observó por primera vez en el ADN del cinetoplasto de tripanosomátidos . Las secuencias típicas que causan esto contienen tramos de 4 a 6 residuos T y A separados por secciones ricas en G y C que mantienen los residuos A y T en fase con el surco menor en un lado de la molécula. Por ejemplo:
La estructura intrínsecamente curvada es inducida por el "giro de la hélice" de los pares de bases entre sí, lo que permite enlaces de hidrógeno bifurcados inusuales entre los pasos de bases. A temperaturas más altas, esta estructura se desnaturaliza y, por tanto, se pierde la curvatura intrínseca.
Todo el ADN que se dobla anisotrópicamente tiene, en promedio, una longitud de persistencia más larga y una mayor rigidez axial. Este aumento de rigidez es necesario para evitar la flexión aleatoria que haría que la molécula actuara isotrópicamente.
La circularización del ADN depende tanto de la rigidez axial (flexión) como de la rigidez torsional (rotacional) de la molécula. Para que una molécula de ADN se circularice con éxito, debe ser lo suficientemente larga como para doblarse fácilmente en el círculo completo y debe tener el número correcto de bases para que los extremos estén en la rotación correcta para permitir que se produzca la unión. La longitud óptima para la circularización del ADN es de alrededor de 400 pares de bases (136 nm) [ cita necesaria ] , con un número entero de vueltas de la hélice del ADN, es decir, múltiplos de 10,4 pares de bases. Tener un número de vueltas no integral presenta una barrera de energía significativa para la circularización, por ejemplo, una molécula de 10,4 x 30 = 312 pares de bases circulará cientos de veces más rápido que una molécula de 10,4 x 30,5 ≈ 317 pares de bases. [46]
La curvatura de segmentos cortos de ADN circularizados no es uniforme. Más bien, para segmentos de ADN circularizados menores que la longitud de persistencia, la flexión del ADN se localiza en 1 o 2 torceduras que se forman preferentemente en segmentos ricos en AT. Si hay una mella , la flexión se localizará en el sitio de la mella. [45]
Los tramos más largos de ADN son entrópicamente elásticos bajo tensión. Cuando el ADN está en solución, sufre continuas variaciones estructurales debido a la energía disponible en el baño térmico del disolvente. Esto se debe a la vibración térmica de la molécula combinada con continuas colisiones con las moléculas de agua. Por razones entrópicas , los estados relajados más compactos son térmicamente accesibles que los estados estirados, por lo que las moléculas de ADN se encuentran casi universalmente en diseños relajados enredados. Por esta razón, una molécula de ADN se estirará bajo una fuerza, enderezándola. Utilizando pinzas ópticas , se ha estudiado y analizado el comportamiento de estiramiento entrópico del ADN desde una perspectiva de la física de polímeros , y se ha descubierto que el ADN se comporta en gran medida como el modelo de cadena similar a un gusano de Kratky-Porod bajo escalas de energía fisiológicamente accesibles.
Bajo suficiente tensión y torque positivo, se cree que el ADN sufre una transición de fase con las bases expandiéndose hacia afuera y los fosfatos moviéndose hacia el centro. Esta estructura propuesta para el ADN sobrecargado se ha denominado ADN en forma P , en honor a Linus Pauling , quien originalmente la presentó como una posible estructura del ADN. [30]
La evidencia del estiramiento mecánico del ADN en ausencia de torsión impuesta apunta a una transición o transiciones que conducen a estructuras adicionales que generalmente se denominan ADN en forma S. Estas estructuras aún no se han caracterizado definitivamente debido a la dificultad de realizar imágenes de resolución atómica en solución mientras se aplica fuerza, aunque se han realizado muchos estudios de simulación por computadora (por ejemplo, [47] [48] ).
Las estructuras de S-DNA propuestas incluyen aquellas que preservan el apilamiento de pares de bases y los enlaces de hidrógeno (ricos en GC), al tiempo que liberan la extensión mediante la inclinación, así como estructuras en las que se produce la fusión parcial de la pila de bases, mientras que la asociación base-base es no obstante, en general conservado (rico en AT).
La fractura periódica de la pila de pares de bases con una ruptura que ocurre una vez cada tres pb (por lo tanto, uno de cada tres pasos pb-pb) se ha propuesto como una estructura regular que preserva la planaridad del apilamiento de bases y libera la cantidad adecuada de extensión. , [49] con el término "Σ-DNA" introducido como mnemónico, con los tres puntos orientados hacia la derecha del carácter Sigma sirviendo como recordatorio de los tres pares de bases agrupados. Se ha demostrado que la forma Σ tiene una preferencia de secuencia por motivos GNC que, según la hipótesis de GNC, se cree que son de importancia evolutiva. [50]
La forma B de la hélice del ADN gira 360° cada 10,4-10,5 pb en ausencia de tensión torsional. Pero muchos procesos biológicos moleculares pueden inducir tensión torsional. Un segmento de ADN con torsión helicoidal excesiva o insuficiente se denomina, respectivamente, superenrollado positiva o negativamente . El ADN in vivo suele estar superenrollado negativamente, lo que facilita el desenrollado (fusión) de la doble hélice necesaria para la transcripción del ARN .
Dentro de la célula, la mayor parte del ADN está topológicamente restringido. El ADN se encuentra típicamente en bucles cerrados (como los plásmidos en procariotas) que están topológicamente cerrados, o como moléculas muy largas cuyos coeficientes de difusión producen dominios topológicamente cerrados de manera efectiva. Las secciones lineales de ADN también suelen estar unidas a proteínas o estructuras físicas (como membranas) para formar bucles topológicos cerrados.
Francis Crick fue uno de los primeros en proponer la importancia de vincular números al considerar las superenrollamientos del ADN. En un artículo publicado en 1976, Crick describió el problema de la siguiente manera:
Al considerar los superenrollamientos formados por moléculas cerradas de ADN de doble cadena, se necesitan ciertos conceptos matemáticos, como el número de enlace y la torsión. Se explica el significado de estos para una cinta cerrada y también el número que se retuerce en una curva cerrada. Se dan algunos ejemplos sencillos, algunos de los cuales pueden ser relevantes para la estructura de la cromatina. [51]
El análisis de la topología del ADN utiliza tres valores:
Cualquier cambio de T en un dominio topológico cerrado debe equilibrarse con un cambio en W, y viceversa. Esto da como resultado una estructura de orden superior del ADN. Una molécula de ADN circular con una contorsión de 0 será circular. Si la torsión de esta molécula aumenta o disminuye posteriormente mediante superenrollamiento, entonces la contorsión se alterará apropiadamente, haciendo que la molécula experimente un enrollamiento superhélice plectonémico o toroidal.
Cuando los extremos de un trozo de ADN helicoidal bicatenario se unen para formar un círculo, las hebras se anudan topológicamente . Esto significa que las hebras individuales no se pueden separar en ningún proceso que no implique romper una hebra (como el calentamiento). La tarea de desenredar cadenas de ADN topológicamente unidas recae en unas enzimas denominadas topoisomerasas . Estas enzimas se dedican a desanudar el ADN circular escindiendo una o ambas hebras para que pueda pasar otro segmento bicatenario o monocatenario. Este desanudado es necesario para la replicación del ADN circular y varios tipos de recombinación en ADN lineal que tienen restricciones topológicas similares.
Durante muchos años, el origen del superenrollamiento residual en los genomas eucariotas no estuvo claro. Algunos se refirieron a este rompecabezas topológico como la "paradoja del número vinculante". [52] Sin embargo, cuando las estructuras del nucleosoma determinadas experimentalmente mostraron una envoltura de ADN demasiado retorcida hacia la izquierda alrededor del octámero de histonas , [53] [54] la comunidad científica consideró que esta paradoja estaba resuelta.
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 monocristalina de rayos X 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 la de Watson-Crick. modelo.
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 permanente ]