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Estructura del ácido nucleico

Nucleic acid primary structureNucleic acid secondary structureNucleic acid tertiary structureNucleic acid quaternary structure
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Imagen interactiva de la estructura de los ácidos nucleicos (primario, secundario, terciario y cuaternario) utilizando hélices de ADN y ejemplos de la ribozima VS , la telomerasa y el nucleosoma . ( PDB : ADNA, 1BNA, 4OCB, 4R4V, 1YMO, 1EQZ )

La estructura de los ácidos nucleicos se refiere a la estructura de los ácidos nucleicos , como el ADN y el ARN . Desde el punto de vista químico, el ADN y el ARN son muy similares. La estructura de los ácidos nucleicos suele dividirse en cuatro niveles diferentes: primario, secundario, terciario y cuaternario.

Estructura primaria

Estructura química del ADN

La estructura primaria consiste en una secuencia lineal de nucleótidos que están unidos entre sí por un enlace fosfodiéster . Es esta secuencia lineal de nucleótidos la que compone la estructura primaria del ADN o ARN . Los nucleótidos constan de 3 componentes:

  1. Base nitrogenada
    1. Adenina
    2. Guanina
    3. Citosina
    4. Timina (presente sólo en el ADN )
    5. Uracilo (presente sólo en el ARN )
  2. Azúcar de 5 carbonos que se llama desoxirribosa (que se encuentra en el ADN) y ribosa (que se encuentra en el ARN).
  3. Uno o más grupos fosfato . [1]

Las bases nitrogenadas adenina y guanina tienen una estructura purina y forman un enlace glucosídico entre su nitrógeno 9 y el grupo 1' -OH de la desoxirribosa. La citosina, la timina y el uracilo son pirimidinas , por lo tanto, los enlaces glucosídicos se forman entre su nitrógeno 1 y el 1' -OH de la desoxirribosa. Tanto para las bases purínicas como para las pirimidínicas, el grupo fosfato forma un enlace con el azúcar desoxirribosa a través de un enlace éster entre uno de sus grupos de oxígeno cargados negativamente y el 5' -OH del azúcar. [2] La polaridad en el ADN y el ARN se deriva de los átomos de oxígeno y nitrógeno en la cadena principal. Los ácidos nucleicos se forman cuando los nucleótidos se unen a través de enlaces fosfodiéster entre los átomos de carbono 5' y 3'. [3] Una secuencia de ácidos nucleicos es el orden de los nucleótidos dentro de una molécula de ADN (GACT) o ARN (GACU) que está determinado por una serie de letras. Las secuencias se presentan desde el extremo 5' al 3' y determinan la estructura covalente de toda la molécula. Las secuencias pueden ser complementarias a otra secuencia en el sentido de que la base en cada posición es complementaria, así como en el orden inverso. Un ejemplo de una secuencia complementaria a AGCT es TCGA. El ADN es bicatenario y contiene tanto una cadena con sentido como una cadena antisentido . Por lo tanto, la secuencia complementaria será a la cadena con sentido. [4]

El diseño de ácidos nucleicos se puede utilizar para crear complejos de ácidos nucleicos con estructuras secundarias complicadas, como esta unión de cuatro brazos. Estas cuatro cadenas se asocian en esta estructura porque maximiza la cantidad de pares de bases correctos , con As emparejado con Ts y Cs emparejado con Gs . Imagen de Mao, 2004. [5]

Complejos con iones de metales alcalinos

Existen tres grupos de unión de metales potenciales en los ácidos nucleicos: fosfato, azúcar y bases. Se ha revisado la estructura en estado sólido de complejos con iones de metales alcalinos. [6]

Estructura secundaria

ADN

La estructura secundaria es el conjunto de interacciones entre bases, es decir, qué partes de las hebras están unidas entre sí. En la doble hélice del ADN, las dos hebras de ADN se mantienen unidas por enlaces de hidrógeno . Los nucleótidos de una hebra se aparean con el nucleótido de la otra hebra. La estructura secundaria es responsable de la forma que asume el ácido nucleico. Las bases del ADN se clasifican como purinas y pirimidinas . Las purinas son adenina y guanina . Las purinas consisten en una estructura de doble anillo, un anillo de seis miembros y otro de cinco miembros que contienen nitrógeno. Las pirimidinas son citosina y timina . Tiene una estructura de anillo único, un anillo de seis miembros que contiene nitrógeno. Una base de purina siempre se aparea con una base de pirimidina (la guanina (G) se aparea con la citosina (C) y la adenina (A) se aparea con la timina (T) o el uracilo (U)). La estructura secundaria del ADN está determinada predominantemente por el apareamiento de bases de las dos hebras de polinucleótidos enrolladas una alrededor de la otra para formar una doble hélice . Aunque las dos hebras están alineadas por enlaces de hidrógeno en pares de bases, las fuerzas más fuertes que mantienen unidas las dos hebras son interacciones de apilamiento entre las bases. Estas interacciones de apilamiento se estabilizan mediante fuerzas de Van der Waals e interacciones hidrofóbicas, y muestran una gran cantidad de variabilidad estructural local. [7] También hay dos surcos en la doble hélice, que se denominan surco mayor y surco menor según su tamaño relativo.

ARN

Un ejemplo de la estructura secundaria del ARN. Esta imagen incluye varios elementos estructurales, entre ellos, áreas monocatenarias y bicatenarias, protuberancias, bucles internos y bucles en horquilla. El ARN bicatenario forma una estructura helicoidal de tipo A, a diferencia de la conformación de tipo B común que adoptan las moléculas de ADN bicatenario.

La estructura secundaria del ARN consiste en un único polinucleótido. El apareamiento de bases en el ARN se produce cuando el ARN se pliega entre regiones de complementariedad. En las moléculas de ARN se encuentran a menudo regiones tanto monocatenarias como bicatenarias.

Los cuatro elementos básicos en la estructura secundaria del ARN son:

Las hebras antiparalelas forman una forma helicoidal. [3] Los abultamientos y los bucles internos se forman por la separación del tracto doble helicoidal en una hebra (abultamiento) o en ambas hebras (bucles internos) por nucleótidos no apareados.

El tallo-bucle o bucle de horquilla es el elemento más común de la estructura secundaria del ARN. [8] El tallo-bucle se forma cuando las cadenas de ARN se pliegan sobre sí mismas para formar un tracto de doble hélice llamado "tallo", los nucleótidos desapareados forman una región monocatenaria llamada "bucle". Un tetraloop es una estructura de ARN en horquilla de cuatro pares de bases. Hay tres familias comunes de tetraloop en el ARN ribosómico: UNCG , GNRA y CUUG ( N es uno de los cuatro nucleótidos y R es una purina). UNCG es el tetraloop más estable. [9]

El pseudonudo es una estructura secundaria del ARN identificada por primera vez en el virus del mosaico amarillo del nabo . [10] Está compuesto mínimamente por dos segmentos helicoidales conectados por regiones monocatenarias o bucles. Los pseudonudos de pliegue de tipo H son los mejor caracterizados. En el pliegue de tipo H, los nucleótidos en el bucle de horquilla se aparean con las bases fuera del tallo de la horquilla formando un segundo tallo y bucle. Esto provoca la formación de pseudonudos con dos tallos y dos bucles. [11] Los pseudonudos son elementos funcionales en la estructura del ARN que tienen diversas funciones y se encuentran en la mayoría de las clases de ARN.

La estructura secundaria del ARN se puede predecir a partir de datos experimentales sobre los elementos de la estructura secundaria, hélices, bucles y protuberancias. El método DotKnot-PW se utiliza para la predicción comparativa de pseudonudos. Los puntos principales del método DotKnot-PW son la puntuación de las similitudes encontradas en los tallos, los elementos secundarios y los pseudonudos de tipo H. [12]

Estructura terciaria

Estructura y bases del ADN
Vista lateral del ADN ABZ

La estructura terciaria se refiere a la ubicación de los átomos en el espacio tridimensional, teniendo en cuenta las restricciones geométricas y estéricas . Es un orden superior a la estructura secundaria, en la que se produce un plegamiento a gran escala en un polímero lineal y toda la cadena se pliega en una forma tridimensional específica. Hay 4 áreas en las que las formas estructurales del ADN pueden diferir.

  1. Lateralidad: derecha o izquierda
  2. Longitud de la vuelta de la hélice
  3. Número de pares de bases por vuelta
  4. Diferencia de tamaño entre las ranuras mayores y menores [3]

La disposición terciaria de la doble hélice del ADN en el espacio incluye B-ADN , A-ADN y Z-ADN . Se han demostrado estructuras de ADN de triple cadena en secuencias microsatélites de polipurina:polipirimidina repetitivas y ADN satélite .

El ADN-B es la forma más común de ADN in vivo y es una hélice más estrecha y alargada que el ADN-A. Su amplio surco mayor lo hace más accesible a las proteínas. Por otro lado, tiene un surco menor estrecho. Las conformaciones favorecidas del ADN-B se dan en altas concentraciones de agua; la hidratación del surco menor parece favorecer al ADN-B. Los pares de bases del ADN-B son casi perpendiculares al eje de la hélice. El pliegue de azúcar que determina la forma de la hélice-A, ya sea que la hélice exista en la forma A o en la forma B, se produce en el C2'-endo. [13]

El ADN-A es una forma del dúplex de ADN que se observa en condiciones de deshidratación. Es más corto y más ancho que el ADN-B. El ARN adopta esta forma de doble hélice, y los dúplex de ARN-ADN son en su mayoría de forma A, pero se han observado dúplex de ARN-ADN de forma B. [14] En contextos de dinucleótidos monocatenarios localizados, el ARN también puede adoptar la forma B sin aparearse con el ADN. [15] El ADN-A tiene un surco mayor profundo y estrecho que no lo hace fácilmente accesible a las proteínas. Por otro lado, su surco menor ancho y poco profundo lo hace accesible a las proteínas pero con un contenido de información menor que el surco mayor. Su conformación favorecida es a bajas concentraciones de agua. Los pares de bases del ADN-A están inclinados con respecto al eje de la hélice y se desplazan del eje. El fruncimiento de azúcar se produce en el C3'-endo y en el ARN 2'-OH inhibe la conformación C2'-endo. [13] Durante mucho tiempo se consideró que el ADN-A era poco más que un artificio de laboratorio, pero ahora se sabe que tiene varias funciones biológicas .

El ADN-Z es una doble hélice levógira relativamente rara. Si se da la secuencia adecuada y la tensión superhelicoidal, se puede formar in vivo, pero su función no está clara. Tiene una hélice más estrecha y alargada que la de A o B. El surco mayor del ADN-Z no es realmente un surco, y tiene un surco menor estrecho. La conformación más favorecida se produce cuando hay altas concentraciones de sal. Hay algunas sustituciones de bases, pero requieren una secuencia alternante de purina-pirimidina. El amino N2 de G se une a H en 5' PO, lo que explica el lento intercambio de protones y la necesidad de la purina G. Los pares de bases del ADN-Z son casi perpendiculares al eje de la hélice. El ADN-Z no contiene pares de bases individuales, sino una repetición GpC con distancias PP que varían para GpC y CpG. En la pila GpC hay una buena superposición de bases, mientras que en la pila CpG hay menos superposición. La estructura en zigzag del ADN-Z se debe a la conformación del azúcar C que compensa la conformación del enlace glucosídico G. La conformación de G es syn, C2'-endo; para C es anti, C3'-endo. [13]

Una molécula de ADN lineal que tiene extremos libres puede rotar para adaptarse a los cambios de varios procesos dinámicos en la célula, modificando la cantidad de veces que las dos cadenas de su doble hélice se retuercen una alrededor de la otra. Algunas moléculas de ADN son circulares y están limitadas topológicamente. Más recientemente, se describió también al ARN circular como una clase natural y generalizada de ácidos nucleicos, expresados ​​en muchos organismos (véase CircRNA ).

Un ADN circular cerrado covalentemente (también conocido como cccDNA) está limitado topológicamente ya que el número de veces que las cadenas se enrollan unas sobre otras no puede cambiar. Este cccDNA puede estar superenrollado , que es la estructura terciaria del ADN. El superenrollamiento se caracteriza por el número de enlace, giro y contorsión. El número de enlace (Lk) para el ADN circular se define como el número de veces que una hebra tendría que pasar a través de la otra hebra para separar completamente las dos hebras. El número de enlace para el ADN circular solo se puede cambiar rompiendo un enlace covalente en una de las dos hebras. Siempre un número entero, el número de enlace de un cccDNA es la suma de dos componentes: giros (Tw) y contorsiones (Wr). [16]

Los giros son el número de veces que las dos hebras de ADN se retuercen una alrededor de la otra. Los retorcimientos son el número de veces que la hélice de ADN se cruza sobre sí misma. El ADN en las células está superenrollado negativamente y tiene tendencia a desenrollarse. Por lo tanto, la separación de las hebras es más fácil en el ADN superenrollado negativamente que en el ADN relajado. Los dos componentes del ADN superenrollado son el solenoide y el plectonémico . El superenrollamiento plectonémico se encuentra en procariotas, mientras que el superenrollamiento solenoidal se observa principalmente en eucariotas.

Estructura cuaternaria

La estructura cuaternaria de los ácidos nucleicos es similar a la de las proteínas . Aunque algunos conceptos no son exactamente iguales, la estructura cuaternaria se refiere a un nivel superior de organización de los ácidos nucleicos. Además, se refiere a las interacciones de los ácidos nucleicos con otras moléculas. La forma más común de organización de alto nivel de los ácidos nucleicos se observa en la forma de cromatina , que conduce a sus interacciones con las pequeñas proteínas histonas . Además, la estructura cuaternaria se refiere a las interacciones entre unidades de ARN separadas en el ribosoma o el espliceosoma . [17]

Véase también

Referencias

  1. ^ Krieger M, Scott MP, Matsudaira PT, Lodish HF, Darnell JE, Lawrence Z, Kaiser C, Berk A (2004). "Sección 4.1: Estructura de los ácidos nucleicos". Biología celular molecular . Nueva York: WH Freeman and CO. ISBN 978-0-7167-4366-8.
  2. ^ "Estructura de los ácidos nucleicos". SparkNotes .
  3. ^ abc Anthony-Cahill SJ, Mathews CK, van Holde KE, Appling DR (2012). Bioquímica (4.ª ed.). Englewood Cliffs, Nueva Jersey: Prentice Hall. ISBN 978-0-13-800464-4.
  4. ^ Alberts B, Johnson A, Lewis J, Raff M, Roberts K, Wlater P (2002). Biología molecular de la célula (4.ª ed.) . Nueva York, NY: Garland Science. ISBN 978-0-8153-3218-3.
  5. ^ Mao C (diciembre de 2004). "El surgimiento de la complejidad: lecciones del ADN". PLOS Biology . 2 (12): e431. doi : 10.1371/journal.pbio.0020431 . PMC 535573 . PMID  15597116. 
  6. ^ Katsuyuki, Aoki; Kazutaka, Murayama; Hu, Ning-Hai (2016). "Estructuras en estado sólido de complejos de iones de metales alcalinos formados por ligandos de bajo peso molecular de relevancia biológica". En Astrid, Sigel; Helmut, Sigel; Roland KO, Sigel (eds.). Los iones de metales alcalinos: su papel en la vida . Iones metálicos en las ciencias de la vida. Vol. 16. Springer. págs. 43–66. doi :10.1007/978-3-319-21756-7_3. ISBN 978-3-319-21755-0. Número de identificación personal  26860299.
  7. ^ Sedova A, Banavali NK (2017). "Patrones geométricos para bases vecinas cerca del estado apilado en cadenas de ácidos nucleicos". Bioquímica . 56 (10): 1426–1443. doi :10.1021/acs.biochem.6b01101. PMID  28187685.
  8. ^ Tinoco I, Bustamante C (octubre de 1999). "Cómo se pliega el ARN". Journal of Molecular Biology . 293 (2): 271–81. doi :10.1006/jmbi.1999.3001. PMID  10550208.
  9. ^ Hollyfield JG, Besharse JC, Rayborn ME (diciembre de 1976). "El efecto de la luz sobre la cantidad de fagosomas en el epitelio pigmentario". Experimental Eye Research . 23 (6): 623–35. doi :10.1016/0014-4835(76)90221-9. PMID  1087245.
  10. ^ Rietveld K, Van Poelgeest R, Pleij CW, Van Boom JH, Bosch L (marzo de 1982). "La estructura similar al ARNt en el extremo 3' del ARN del virus del mosaico amarillo del nabo. Diferencias y similitudes con el ARNt canónico". Nucleic Acids Research . 10 (6): 1929–46. doi :10.1093/nar/10.6.1929. PMC 320581 . PMID  7079175. 
  11. ^ Staple DW, Butcher SE (junio de 2005). "Pseudonudos: estructuras de ARN con diversas funciones". PLOS Biology . 3 (6): e213. doi : 10.1371/journal.pbio.0030213 . PMC 1149493 . PMID  15941360. 
  12. ^ Sperschneider J, Datta A, Wise MJ (diciembre de 2012). "Predicción de estructuras pseudoanudadas en dos secuencias de ARN". Bioinformática . 28 (23): 3058–65. doi :10.1093/bioinformatics/bts575. PMC 3516145 . PMID  23044552. 
  13. ^ abc Dickerson RE, Drew HR, Conner BN, Wing RM, Fratini AV, Kopka ML (abril de 1982). "La anatomía del ADN A, B y Z". Science . 216 (4545): 475–85. Bibcode :1982Sci...216..475D. doi :10.1126/science.7071593. PMID  7071593.
  14. ^ Chen X; Ramakrishnan B; Sundaralingam M (1995). "Estructuras cristalinas de quimeros de ADN-ARN de forma B complejados con distamicina". Nature Structural Biology . 2 (9): 733–735. doi :10.1038/nsb0995-733. PMID  7552741. S2CID  6886088.
  15. ^ Sedova A, Banavali NK (2016). "El ARN se acerca a la forma B en contextos de dinucleótidos monocatenarios apilados". Biopolímeros . 105 (2): 65–82. doi :10.1002/bip.22750. PMID  26443416. S2CID  35949700.
  16. ^ Mirkin SM (2001). "Topología del ADN: fundamentos". eLS . doi :10.1038/npg.els.0001038. ISBN 978-0470016176. {{cite book}}: |journal=ignorado ( ayuda )
  17. ^ "Bioquímica estructural/Ácido nucleico/ADN/Estructura del ADN" . Consultado el 11 de diciembre de 2012 .