Un par de bases ( pb ) es una unidad fundamental de los ácidos nucleicos bicatenarios que consta de dos nucleobases unidas entre sí mediante enlaces de hidrógeno . Forman los componentes básicos de la doble hélice del ADN y contribuyen a la estructura plegada tanto del ADN como del ARN . Dictados por patrones específicos de enlaces de hidrógeno , los pares de bases "Watson-Crick" (o "Watson-Crick-Franklin") ( guanina - citosina y adenina - timina ) [1] permiten que la hélice del ADN mantenga una estructura helicoidal regular que es sutilmente dependiente en su secuencia de nucleótidos . [2] La naturaleza complementaria de esta estructura basada en pares proporciona una copia redundante de la información genética codificada dentro de cada hebra de ADN. La estructura regular y la redundancia de datos proporcionada por la doble hélice del ADN hacen que el ADN sea muy adecuado para el almacenamiento de información genética, mientras que el emparejamiento de bases entre el ADN y los nucleótidos entrantes proporciona el mecanismo a través del cual la ADN polimerasa replica el ADN y la ARN polimerasa transcribe el ADN en ARN. Muchas proteínas de unión al ADN pueden reconocer patrones de emparejamiento de bases específicos que identifican regiones reguladoras particulares de genes.
Los pares de bases intramoleculares pueden ocurrir dentro de los ácidos nucleicos monocatenarios. Esto es particularmente importante en las moléculas de ARN (p. ej., ARN de transferencia ), donde los pares de bases de Watson-Crick (guanina-citosina y adenina- uracilo ) permiten la formación de hélices bicatenarias cortas y una amplia variedad de interacciones no propias de Watson-Crick. (p. ej., G – U o A – A) permiten que los ARN se plieguen en una amplia gama de estructuras tridimensionales específicas . Además, el emparejamiento de bases entre el ARN de transferencia (ARNt) y el ARN mensajero (ARNm) forma la base para los eventos de reconocimiento molecular que dan como resultado que la secuencia de nucleótidos del ARNm se traduzca en la secuencia de aminoácidos de las proteínas a través del código genético .
El tamaño de un gen individual o del genoma completo de un organismo a menudo se mide en pares de bases porque el ADN suele ser bicatenario. Por lo tanto, el número total de pares de bases es igual al número de nucleótidos en una de las cadenas (con la excepción de las regiones monocatenarias no codificantes de los telómeros ). Se estima que el genoma humano haploide (23 cromosomas ) tiene una longitud de aproximadamente 3.200 millones de bases y contiene entre 20.000 y 25.000 genes codificadores de proteínas distintos. [3] [4] [5] Una kilobase (kb) es una unidad de medida en biología molecular equivalente a 1000 pares de bases de ADN o ARN. [6] El número total de pares de bases de ADN en la Tierra se estima en 5,0 × 1037 con un peso de 50 mil millones de toneladas . [7] En comparación, se ha estimado que la masa total de la biosfera asciende a 4 TtC (billones de toneladas de carbono ). [8]
Los enlaces de hidrógeno son la interacción química que subyace a las reglas de emparejamiento de bases descritas anteriormente. La correspondencia geométrica adecuada de los donantes y aceptores de enlaces de hidrógeno permite que sólo se formen de forma estable los pares "correctos". El ADN con alto contenido de GC es más estable que el ADN con bajo contenido de GC. Sin embargo, de manera crucial, las interacciones de apilamiento son las principales responsables de estabilizar la estructura de doble hélice; La contribución del par de bases Watson-Crick a la estabilidad estructural global es mínima, pero su papel en la especificidad subyacente a la complementariedad es, por el contrario, de máxima importancia ya que subyace a los procesos dependientes de la plantilla del dogma central (por ejemplo, la replicación del ADN ). [9]
Las nucleobases más grandes , adenina y guanina, son miembros de una clase de estructuras químicas de doble anillo llamadas purinas ; las nucleobases más pequeñas, citosina y timina (y uracilo), son miembros de una clase de estructuras químicas de un solo anillo llamadas pirimidinas . Las purinas son complementarias sólo con las pirimidinas: los pares pirimidina-pirimidina son energéticamente desfavorables porque las moléculas están demasiado separadas para que se establezcan enlaces de hidrógeno; Los pares purina-purina son energéticamente desfavorables porque las moléculas están demasiado cerca, lo que lleva a una repulsión superpuesta. El emparejamiento de bases purina-pirimidina de AT, GC o UA (en ARN) da como resultado una estructura dúplex adecuada. Los únicos otros pares purina-pirimidina serían AC, GT y UG (en ARN); Estos emparejamientos no coinciden porque los patrones de donantes y aceptores de hidrógeno no se corresponden. El emparejamiento GU, con dos enlaces de hidrógeno, ocurre con bastante frecuencia en el ARN (ver par de bases oscilantes ).
Las moléculas de ADN y ARN emparejadas son comparativamente estables a temperatura ambiente, pero las dos cadenas de nucleótidos se separarán por encima de un punto de fusión que está determinado por la longitud de las moléculas, el grado de emparejamiento incorrecto (si lo hay) y el contenido de GC. Un mayor contenido de GC da como resultado temperaturas de fusión más altas; Por lo tanto, no sorprende que los genomas de organismos extremófilos como Thermus thermophilus sean particularmente ricos en GC. Por el contrario, las regiones de un genoma que necesitan separarse con frecuencia (por ejemplo, las regiones promotoras de genes que se transcriben con frecuencia ) son comparativamente pobres en GC (por ejemplo, consulte el cuadro TATA ). También se deben tener en cuenta el contenido de GC y la temperatura de fusión al diseñar cebadores para reacciones de PCR . [ cita necesaria ]
Las siguientes secuencias de ADN ilustran patrones de pares bicatenarios. Por convención, la cadena superior se escribe desde el extremo 5′ hasta el extremo 3′ ; por lo tanto, la hebra inferior se escribe de 3 ′ a 5 ′.
ATCGATTGAGCTCTAGCGTAGCTAACTCGAGATCGCAUCGAUUGAGCUCUAGCGUAGCUAACUCGAGAUCGCLos análogos químicos de los nucleótidos pueden reemplazar a los nucleótidos adecuados y establecer pares de bases no canónicos, lo que provoca errores (principalmente mutaciones puntuales ) en la replicación y la transcripción del ADN . Esto se debe a su química isostérica . Un análogo de base mutagénico común es el 5-bromouracilo , que se parece a la timina pero puede emparejarse con guanina en su forma enólica . [10]
Otras sustancias químicas, conocidas como intercaladores de ADN , encajan en el espacio entre bases adyacentes en una sola hebra e inducen mutaciones por desplazamiento del marco de lectura "enmascaradas" como una base, lo que hace que la maquinaria de replicación del ADN se salte o inserte nucleótidos adicionales en el sitio intercalado. La mayoría de los intercaladores son compuestos poliaromáticos de gran tamaño y se sabe o se sospecha que son cancerígenos . Los ejemplos incluyen bromuro de etidio y acridina . [11] [ cita necesaria ]
Los pares de bases no coincidentes pueden generarse por errores de replicación del ADN y como intermediarios durante la recombinación homóloga . El proceso de reparación de errores de coincidencia normalmente debe reconocer y reparar correctamente una pequeña cantidad de pares incorrectos de bases dentro de una secuencia larga de pares de bases de ADN normales. Para reparar los desajustes formados durante la replicación del ADN, se han desarrollado varios procesos de reparación distintivos para distinguir entre la cadena plantilla y la cadena recién formada de modo que solo se elimine el nucleótido incorrecto recién insertado (para evitar generar una mutación). [12] Las proteínas empleadas en la reparación de errores de coincidencia durante la replicación del ADN y la importancia clínica de los defectos en este proceso se describen en el artículo Reparación de errores de coincidencia de ADN . El proceso de corrección de pares incorrectos durante la recombinación se describe en el artículo conversión de genes .
Las siguientes abreviaturas se utilizan comúnmente para describir la longitud de una molécula de NA D/R :
Para ADN/ARN monocatenario, se utilizan unidades de nucleótidos , abreviadas nt (o knt, Mnt, Gnt), ya que no están apareadas. Para distinguir entre unidades de almacenamiento informático y bases, se pueden utilizar kbp, Mbp, Gbp, etc. para pares de bases.
El centimorgan también se utiliza a menudo para indicar la distancia a lo largo de un cromosoma, pero el número de pares de bases a los que corresponde varía ampliamente. En el genoma humano, el centimorgan tiene aproximadamente 1 millón de pares de bases. [14] [15]
Un par de bases no naturales (UBP) es una subunidad diseñada (o nucleobase ) de ADN que se crea en un laboratorio y no se encuentra en la naturaleza. Se han descrito secuencias de ADN que utilizan nucleobases recién creadas para formar un tercer par de bases, además de los dos pares de bases que se encuentran en la naturaleza, AT ( adenina – timina ) y GC ( guanina – citosina ). Algunos grupos de investigación han estado buscando un tercer par de bases para el ADN, incluidos equipos dirigidos por Steven A. Benner , Philippe Marliere, Floyd E. Romesberg e Ichiro Hirao. [16] Se han informado algunos pares de bases nuevos basados en enlaces de hidrógeno alternativos, interacciones hidrófobas y coordinación de metales. [17] [18] [19] [20]
En 1989, Steven Benner (que entonces trabajaba en el Instituto Federal Suizo de Tecnología en Zurich) y su equipo condujeron formas modificadas de citosina y guanina a moléculas de ADN in vitro . [21] Los nucleótidos, que codificaban ARN y proteínas, se replicaron con éxito in vitro . Desde entonces, el equipo de Benner ha estado intentando diseñar células que puedan fabricar bases extranjeras desde cero, obviando la necesidad de una materia prima. [22]
En 2002, el grupo de Ichiro Hirao en Japón desarrolló un par de bases no naturales entre 2-amino-8-(2-tienil)purina (s) y piridina-2-ona (y) que funciona en la transcripción y traducción, para el sitio específico. Incorporación de aminoácidos no estándar en proteínas. [23] En 2006, crearon 7-(2-tienil)imidazo[4,5-b]piridina (Ds) y pirrol-2-carbaldehído (Pa) como un tercer par de bases para la replicación y transcripción. [24] Posteriormente, se descubrió que Ds y 4-[3-(6-aminohexanamido)-1-propinil]-2-nitropirrol (Px) eran un par de alta fidelidad en la amplificación por PCR. [25] [26] En 2013, aplicaron el par Ds-Px a la generación de aptámeros de ADN mediante selección in vitro (SELEX) y demostraron que la expansión del alfabeto genético aumenta significativamente las afinidades de los aptámeros de ADN con las proteínas diana. [27]
En 2012, un grupo de científicos estadounidenses liderados por Floyd Romesberg, biólogo químico del Instituto de Investigación Scripps en San Diego, California, publicó que su equipo diseñó un par de bases no naturales (UBP). [19] Los dos nuevos nucleótidos artificiales o Par de Bases No Naturales (UBP) fueron denominados d5SICS y dNaM . Más técnicamente, estos nucleótidos artificiales que contienen nucleobases hidrofóbicas presentan dos anillos aromáticos fusionados que forman un complejo (d5SICS-dNaM) o par de bases en el ADN. [22] [28] Su equipo diseñó una variedad de plantillas in vitro o de "tubo de ensayo" que contenían el par de bases no naturales y confirmaron que se replicaba eficientemente con alta fidelidad en prácticamente todos los contextos de secuencia utilizando las técnicas in vitro estándar modernas , a saber Amplificación por PCR de ADN y aplicaciones basadas en PCR. [19] Sus resultados muestran que para aplicaciones basadas en PCR y PCR, el par de bases no naturales d5SICS-dNaM es funcionalmente equivalente a un par de bases naturales, y cuando se combina con los otros dos pares de bases naturales utilizados por todos los organismos, A – T y G – C, proporcionan un "alfabeto genético" de seis letras ampliado y completamente funcional. [28]
En 2014, el mismo equipo del Instituto de Investigación Scripps informó que habían sintetizado un tramo de ADN circular conocido como plásmido que contiene pares de bases naturales TA y CG junto con el mejor rendimiento que el laboratorio de UBP Romesberg había diseñado y lo había insertado en células de la bacteria común. E. coli que replicó con éxito los pares de bases no naturales a través de múltiples generaciones. [16] La transfección no obstaculizó el crecimiento de las células de E. coli y no mostró signos de perder sus pares de bases no naturales debido a sus mecanismos naturales de reparación del ADN . Este es el primer ejemplo conocido de un organismo vivo que transmite un código genético ampliado a las generaciones posteriores. [28] [29] Romesberg dijo que él y sus colegas crearon 300 variantes para refinar el diseño de nucleótidos que serían lo suficientemente estables y se replicarían tan fácilmente como los naturales cuando las células se dividan. Esto se logró en parte mediante la adición de un gen de alga de apoyo que expresa un transportador de nucleótidos trifosfato que importa eficientemente los trifosfatos tanto de d5SICSTP como de dNaMTP a la bacteria E. coli . [28] Luego, las vías de replicación bacteriana natural las utilizan para replicar con precisión un plásmido que contiene d5SICS-dNaM. Otros investigadores se sorprendieron de que las bacterias replicaran estas subunidades de ADN creadas por humanos. [30]
La incorporación exitosa de un tercer par de bases es un avance significativo hacia el objetivo de ampliar en gran medida el número de aminoácidos que puede codificar el ADN, de los 20 aminoácidos existentes a los 172 teóricamente posibles, ampliando así el potencial de los organismos vivos para producir nuevas proteínas . [16] Las cadenas artificiales de ADN aún no codifican nada, pero los científicos especulan que podrían diseñarse para fabricar nuevas proteínas que podrían tener usos industriales o farmacéuticos. [31] Los expertos dijeron que el ADN sintético que incorpora el par de bases no naturales plantea la posibilidad de que existan formas de vida basadas en un código de ADN diferente. [30] [31]
Además del emparejamiento canónico, algunas condiciones también pueden favorecer el emparejamiento de bases con una orientación de base alternativa y el número y geometría de los enlaces de hidrógeno. Estos emparejamientos van acompañados de alteraciones en la forma de la columna vertebral local. [ cita necesaria ]
El más común de ellos es el emparejamiento de bases oscilantes que se produce entre los ARNt y los ARNm en la posición de la tercera base de muchos codones durante la transcripción [33] y durante la carga de los ARNt por parte de algunas ARNt sintetasas . [34] También se han observado en las estructuras secundarias de algunas secuencias de ARN. [35]
Además, el emparejamiento de bases de Hoogsteen (normalmente escrito como A•U/T y G•C) puede existir en algunas secuencias de ADN (p. ej., dinucleótidos CA y TA) en equilibrio dinámico con el emparejamiento estándar de Watson-Crick. [32] También se han observado en algunos complejos proteína-ADN. [36]
Además de estos pares de bases alternativos, se observa una amplia gama de enlaces de hidrógeno base-base en la estructura secundaria y terciaria del ARN. [37] Estos enlaces son a menudo necesarios para la forma precisa y compleja de un ARN, así como para su unión a sus compañeros de interacción. [37]
Cada evento mutagénico en presencia de una acridina da como resultado la adición o eliminación de un único par de bases.
...en humanos, 1 centimorgan en promedio representa una distancia de aproximadamente 7,5x10 5 pares de bases.
