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La estructura del ácido nucleico se refiere a la estructura de los ácidos nucleicos como el ADN y el ARN . Químicamente hablando, el ADN y el ARN son muy similares. La estructura del ácido nucleico a menudo se divide en cuatro niveles diferentes: primario, secundario, terciario y cuaternario.
La estructura primaria consta de una secuencia lineal de nucleótidos que están unidos entre sí mediante un enlace fosfodiéster . Es esta secuencia lineal de nucleótidos la que constituye la estructura primaria del ADN o ARN . Los nucleótidos constan de 3 componentes:
Las bases nitrogenadas adenina y guanina tienen una estructura purina y forman un enlace glicosídico entre su nitrógeno 9 y el grupo 1'-OH de la desoxirribosa. La citosina, la timina y el uracilo son pirimidinas , de ahí que se formen enlaces glicosídicos entre su 1 nitrógeno y el 1'-OH de la desoxirribosa. Tanto para las bases púricas 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 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 columna vertebral. Los ácidos nucleicos se forman cuando los nucleótidos se unen mediante enlaces fosfodiéster entre los átomos de carbono 5' y 3'. [3] Una secuencia de ácido nucleico 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 de otra secuencia en el sentido de que la base en cada posición es complementaria y también en orden inverso. Un ejemplo de secuencia complementaria a AGCT es TCGA. El ADN es bicatenario y contiene tanto una cadena sentido como una cadena antisentido . Por tanto, la secuencia complementaria será la hebra sentido. [4]
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Hay tres posibles grupos de unión a metales en los ácidos nucleicos: fosfato, azúcar y restos básicos. Se ha revisado la estructura en estado sólido de complejos con iones de metales alcalinos. [6]
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 mediante enlaces de hidrógeno . Los nucleótidos de una base de cadena se emparejan con el nucleótido de la otra cadena. La estructura secundaria es responsable de la forma que asume el ácido nucleico. Las bases del ADN se clasifican en purinas y pirimidinas . Las purinas son adenina y guanina . Las purinas constan de una estructura de doble anillo, un anillo de seis y cinco miembros que contiene nitrógeno. Las pirimidinas son citosina y timina . Tiene una estructura de anillo único, un anillo de seis miembros que contiene nitrógeno. Una base purina siempre se empareja con una base pirimidina (la guanina (G) se empareja con la citosina (C) y la adenina (A) se empareja con la timina (T) o el uracilo (U)). La estructura secundaria del ADN está determinada predominantemente por el emparejamiento de bases de las dos cadenas de polinucleótidos enrolladas entre sí para formar una doble hélice . Aunque las dos hebras están alineadas mediante 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 están estabilizadas por 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.
La estructura secundaria del ARN consta de un solo polinucleótido. El emparejamiento de bases en el ARN ocurre 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 de la estructura secundaria del ARN son:
Los hilos antiparalelos forman una forma helicoidal. [3] Los abultamientos y bucles internos se forman mediante la separación del tracto de doble hélice en una hebra (abultamiento) o en ambas hebras (bucles internos) por nucleótidos no apareados.
El bucle de tallo o el 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 helicoidal doble llamado "tallo", los nucleótidos desapareados forman una región monocatenaria llamada "bucle". Un tetrabucle es una estructura de ARN en forma de 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 de ARN identificada por primera vez en el virus del mosaico amarillo nabo . [10] Los pseudonudos se forman cuando los nucleótidos de la horquilla-bucle se emparejan con una región monocatenaria fuera de la horquilla para formar un segmento helicoidal. Los pseudonudos de pliegue tipo H se caracterizan mejor. En el pliegue tipo H, los nucleótidos en el bucle de horquilla se emparejan con las bases fuera del tallo de 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 funciones diversas y se encuentran en la mayoría de las clases de ARN.
La estructura secundaria del ARN se puede predecir mediante 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. El punto principal del método DotKnot-PW es puntuar las similitudes encontradas en tallos, elementos secundarios y pseudonudos tipo H. [12]
La estructura terciaria se refiere a la ubicación de los átomos en el espacio tridimensional, teniendo en cuenta restricciones geométricas y estéricas . Es un orden superior a la estructura secundaria, en la que se produce un plegado 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.
La disposición terciaria de la doble hélice del ADN en el espacio incluye ADN-B , ADN-A y ADN-Z . Se han demostrado estructuras de ADN de triple cadena en secuencias repetitivas de microsatélites de polipurina: polipirimidina 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 principal lo hace más accesible a las proteínas. Por otro lado, tiene un surco menor estrecho. Las conformaciones preferidas del ADN-B se producen en altas concentraciones de agua; la hidratación del surco menor parece favorecer el ADN-B. Los pares de bases del ADN B son casi perpendiculares al eje de la hélice. El fruncimiento de azúcar que determina la forma de la hélice a, ya sea que la hélice exista en forma A o en forma B, ocurre en el endo C2'. [13]
A-DNA , es una forma del dúplex de ADN que se observa en condiciones de deshidratación. Es más corto y 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 principal estrecho y profundo 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 menor contenido de información que el surco mayor. Su conformación favorecida es en bajas concentraciones de agua. Los pares de bases del ADN-A están inclinados con respecto al eje de la hélice y desplazados del eje. El fruncimiento del azúcar se produce en el C3'-endo y en el ARN 2'-OH inhibe la conformación del C2'-endo. [13] Considerado durante mucho tiempo poco más que un artificio de laboratorio, ahora se sabe que el ADN-A tiene varias funciones biológicas .
El ADN Z es una doble hélice zurda relativamente rara. Dada la secuencia adecuada y la tensión superhélice, se puede formar in vivo pero su función no está clara. Tiene una hélice más estrecha y alargada que A o B. El surco mayor del Z-DNA 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 alterna de purina-pirimidina. El N2-amino de G H se une a 5' PO, lo que explica el lento intercambio de protones y la necesidad de la G purina. Los pares de bases del ADN Z son casi perpendiculares al eje de la hélice. El ADN Z no contiene pares de bases únicos, sino más bien una repetición de GpC con distancias de 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 columna vertebral en zigzag del Z-DNA se debe a la conformación del azúcar C que compensa la conformación del enlace glicosídico G. La conformación de G es syn, C2'-endo; para C es anti, C3'-endo. [13]
Una molécula de ADN lineal con extremos libres puede girar para adaptarse a los cambios de diversos procesos dinámicos en la célula, cambiando el número de veces que se retuercen las dos cadenas de su doble hélice. Algunas moléculas de ADN son circulares y están topológicamente limitadas. Más recientemente, también se describió que el ARN circular es una clase natural omnipresente de ácidos nucleicos, expresados en muchos organismos (ver CircRNA ).
Un ADN circular covalentemente cerrado (también conocido como ADNcc) está topológicamente restringido ya que el número de veces que las cadenas enrolladas entre sí no pueden cambiar. Este cccDNA puede estar superenrollado , que es la estructura terciaria del ADN. El superenrollamiento se caracteriza por el número de enlaces, torsión y contorsión. El número de enlace (Lk) para el ADN circular se define como el número de veces que una cadena tendría que pasar a través de la otra para separar completamente las dos cadenas. El número de enlace del ADN circular sólo puede cambiarse rompiendo un enlace covalente en una de las dos cadenas. Siempre un número entero, el número de enlace de un ADNcc es la suma de dos componentes: giros (Tw) y contorsiones (Wr). [dieciséis]
Los giros son el número de veces que las dos hebras de ADN se retuercen entre sí. Las contorsiones son el número de veces que la hélice del ADN se cruza sobre sí misma. El ADN de las células está superenrollado negativamente y tiene tendencia a desenrollarse. Por tanto, la separación de hebras es más fácil en el ADN superenrollado negativamente que en el ADN relajado. Los dos componentes del ADN superenrollado son solenoides y plectonémicos. El superenrollamiento plectonémico se encuentra en procariotas, mientras que el superenrollamiento solenoidal se observa principalmente en eucariotas.
La estructura cuaternaria de los ácidos nucleicos es similar a la de la estructura cuaternaria de las proteínas . Aunque algunos de los conceptos no son exactamente iguales, la estructura cuaternaria se refiere a un nivel superior de organización de los ácidos nucleicos. Además, se refiere a interacciones de los ácidos nucleicos con otras moléculas. La forma más común de organización de alto nivel de los ácidos nucleicos se observa en 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 espliceosoma . [17]
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