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La estructura secundaria del ácido nucleico son las interacciones de pares de bases dentro de un único polímero de ácido nucleico o entre dos polímeros. Puede representarse como una lista de bases que están emparejadas en una molécula de ácido nucleico. [1]
Las estructuras secundarias de los ADN y ARN biológicos tienden a ser diferentes: el ADN biológico existe principalmente como dobles hélices con pares de bases completos , mientras que el ARN biológico es monocatenario y a menudo forma interacciones complejas e intrincadas de pares de bases debido a su mayor capacidad para formar enlaces de hidrógeno que surgen del grupo hidroxilo adicional en el azúcar ribosa . [ cita necesaria ]
En un contexto no biológico, la estructura secundaria es una consideración vital en el diseño de estructuras de ácido nucleico para la nanotecnología y la computación del ADN , ya que el patrón de emparejamiento de bases determina en última instancia la estructura general de las moléculas.
En biología molecular , dos nucleótidos en cadenas opuestas de ADN o ARN complementarios que están conectados mediante enlaces de hidrógeno se denominan par de bases (a menudo abreviado pb). En el emparejamiento de bases canónico de Watson-Crick, la adenina (A) forma un par de bases con timina (T) y la guanina (G) forma uno con la citosina (C) en el ADN. En el ARN, la timina se reemplaza por uracilo (U). También se producen patrones alternativos de enlaces de hidrógeno, como el par de bases oscilantes y el par de bases de Hoogsteen , particularmente en el ARN, dando lugar a estructuras terciarias complejas y funcionales . Es importante destacar que el emparejamiento es el mecanismo por el cual los codones de las moléculas de ARN mensajero son reconocidos por los anticodones del ARN de transferencia durante la traducción de proteínas . Algunas enzimas de unión a ADN o ARN pueden reconocer patrones de emparejamiento de bases específicos que identifican regiones reguladoras particulares de genes. Los enlaces de hidrógeno son el mecanismo químico 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 un alto contenido de GC es más estable que el ADN con un bajo contenido de GC , pero contrariamente a la creencia popular, los enlaces de hidrógeno no estabilizan el ADN de manera significativa y la estabilización se debe principalmente a interacciones de apilamiento . [2]
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 sólo son complementarias de 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. Los únicos otros emparejamientos posibles son GT y AC; Estos emparejamientos no coinciden porque el patrón de donantes y aceptores de hidrógeno no se corresponde. El par de bases oscilantes GU , con dos enlaces de hidrógeno, ocurre con bastante frecuencia en el ARN .
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 física. La fusión se produce preferentemente en determinados puntos del ácido nucleico. [3] Las secuencias ricas en T y A se funden más fácilmente que las regiones ricas en C y G. Los pasos básicos particulares también son susceptibles a la fusión del ADN, particularmente los pasos básicos TA y TG . [4] Estas características mecánicas se reflejan en el uso de secuencias como TATAA 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 utiliza en la PCR , es sencilla 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. 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. "Las helicasas desenrollan las hebras para facilitar el avance de enzimas de lectura de secuencias como la ADN polimerasa" .
La estructura secundaria del ácido nucleico generalmente se divide en hélices (pares de bases contiguos) y varios tipos de bucles (nucleótidos desapareados rodeados por hélices). Con frecuencia, estos elementos, o combinaciones de ellos, se clasifican en categorías adicionales que incluyen, por ejemplo, tetrabucles , pseudonudos y bucles de vástago . Se pueden utilizar enfoques topológicos para categorizar y comparar estructuras complejas que surgen de la combinación de estos elementos en varios arreglos.
La doble hélice es una estructura terciaria importante en las moléculas de ácido nucleico que está íntimamente relacionada con la estructura secundaria de la molécula. Una doble hélice está formada por regiones de muchos pares de bases consecutivos.
La doble hélice del ácido nucleico es un polímero en espiral, generalmente dextrógiro, que contiene dos cadenas de nucleótidos con pares de bases . Una sola vuelta de la hélice constituye unos diez nucleótidos y contiene un surco mayor y un surco menor, siendo el surco mayor más ancho que el surco menor. [5] Dada la diferencia en el ancho del surco mayor y del surco menor, muchas proteínas que se unen al ADN lo hacen a través del surco mayor más ancho. [6] Son posibles muchas formas de doble hélice; Para el ADN, las tres formas biológicamente relevantes son ADN-A , ADN-B y ADN-Z , mientras que las dobles hélices del ARN tienen estructuras similares a la forma A del ADN.
La estructura secundaria de las moléculas de ácido nucleico a menudo se puede descomponer de forma única en tallos y bucles. La estructura de tallo-bucle (también denominada a menudo "horquilla"), en la que una hélice con un par de bases termina en un bucle corto no pareado, es extremadamente común y es un componente básico para motivos estructurales más grandes, como las estructuras de hojas de trébol, que son uniones de cuatro hélices como las que se encuentran en el ARN de transferencia . También son frecuentes los bucles internos (una serie corta de bases no apareadas en una hélice emparejada más larga) y las protuberancias (regiones en las que una hebra de una hélice tiene bases insertadas "adicionales" sin contrapartes en la hebra opuesta).
Hay muchos elementos de estructura secundaria de importancia funcional para los ARN biológicos; Algunos ejemplos famosos son los bucles de tallo terminadores independientes de Rho y la hoja de trébol de ARNt . Se están realizando investigaciones activas para determinar la estructura secundaria de las moléculas de ARN, con enfoques que incluyen métodos tanto experimentales como computacionales (consulte también la Lista de software de predicción de estructuras de ARN ).
Un pseudonudo es una estructura secundaria de ácido nucleico que contiene al menos dos estructuras de bucle de tallo en las que la mitad de un tallo está intercalada entre las dos mitades de otro tallo. Los pseudonudos se pliegan en conformaciones tridimensionales en forma de nudos, pero no son verdaderos nudos topológicos . El par de bases en los pseudonudos no está bien anidado; es decir, se producen pares de bases que se "superponen" entre sí en la posición de la secuencia. Esto hace que la presencia de pseudonudos generales en secuencias de ácidos nucleicos sea imposible de predecir mediante el método estándar de programación dinámica , que utiliza un sistema de puntuación recursivo para identificar tallos emparejados y, en consecuencia, no puede detectar pares de bases no anidadas con algoritmos comunes. Sin embargo, se pueden predecir subclases limitadas de pseudonudos utilizando programas dinámicos modificados. [8] Las técnicas más nuevas de predicción de estructuras, como las gramáticas estocásticas libres de contexto, tampoco pueden considerar pseudonudos.
Los pseudonudos pueden formar una variedad de estructuras con actividad catalítica [9] y varios procesos biológicos importantes dependen de moléculas de ARN que forman pseudonudos. Por ejemplo, el componente ARN de la telomerasa humana contiene un pseudonudo que es fundamental para su actividad. [7] La ribozima del virus de la hepatitis delta es un ejemplo bien conocido de ARN catalítico con un pseudonudo en su sitio activo. [10] [11] Aunque el ADN también puede formar pseudonudos, generalmente no están presentes en condiciones fisiológicas estándar .
La mayoría de los métodos para la predicción de la estructura secundaria de los ácidos nucleicos se basan en un modelo termodinámico del vecino más cercano. [12] [13] Un método común para determinar las estructuras más probables dada una secuencia de nucleótidos hace uso de un algoritmo de programación dinámica que busca encontrar estructuras con baja energía libre. [14] Los algoritmos de programación dinámica a menudo prohíben los pseudonudos , u otros casos en los que los pares de bases no están completamente anidados, ya que considerar estas estructuras resulta computacionalmente muy costoso incluso para moléculas de ácido nucleico pequeñas. También se pueden utilizar otros métodos, como las gramáticas estocásticas libres de contexto, para predecir la estructura secundaria del ácido nucleico.
Para muchas moléculas de ARN, la estructura secundaria es muy importante para el correcto funcionamiento del ARN, a menudo más que la secuencia real. Este hecho ayuda en el análisis del ARN no codificante, a veces denominado "genes de ARN". Una aplicación de la bioinformática utiliza estructuras secundarias de ARN predichas para buscar en un genoma formas de ARN no codificantes pero funcionales. Por ejemplo, los microARN tienen estructuras canónicas de tallo largo interrumpidas por pequeños bucles internos.
La estructura secundaria del ARN se aplica en el empalme del ARN en ciertas especies. En humanos y otros tetrápodos, se ha demostrado que sin la proteína U2AF2 , el proceso de empalme se inhibe. Sin embargo, en el pez cebra y otros teleósteos el proceso de empalme del ARN todavía puede ocurrir en ciertos genes en ausencia de U2AF2. Esto puede deberse a que el 10% de los genes del pez cebra tienen pares de bases TG y AC alternados en el sitio de empalme 3' (3'ss) y el sitio de empalme 5' (5'ss) respectivamente en cada intrón, lo que altera la estructura secundaria del ARN. Esto sugiere que la estructura secundaria del ARN puede influir en el empalme, potencialmente sin el uso de proteínas como U2AF2 que se cree que son necesarias para que se produzca el empalme. [15]
La estructura secundaria del ARN puede determinarse a partir de coordenadas atómicas (estructura terciaria) obtenidas mediante cristalografía de rayos X , a menudo depositadas en el Protein Data Bank . Los métodos actuales incluyen 3DNA/DSSR [16] y MC-annotate. [17]
