DNA

El DNA es una macromolécula compleja, compuesta por dos cadenas o hélices que se entrelazan entre sí formando una doble hélice. Cada cadena está formada por millones de eslabones, llamados nucleótidos o bases nitrogenadas (son cuatro: A-T, G-C).
Ambas hélices están unidas entre sí, a nivel de los eslabones complementarios de cada hélice, por parejas. La secuencia de los pares de bases es lo que determina el código genético.
Según el orden que sigan esos pares de bases, se codifica una función u otra, o simplemente no se codifica nada. El DNA de la célula se organiza en cromosomas. Cada cromosoma es una molécula largísima de DNA. El ser humano tiene su DNA organizado en 23 pares de cromosomas distintos, es decir, 46 cromosomas. La mínima secuencia de DNA que es capaz de codificar una función o una estructura completa se denomina GEN. Sin embargo existen largas secuencias del DNA, que aunque molecularmente se compongan de lo mismo que un GEN (son una secuencia de nucleótidos), no codifican absolutamente, y por lo tanto no se les llama genes. Algunos han llamado a esas secuencias ‘vacías’, DNA basura. Hoy día se piensa que la función de ese DNA es estructural, es decir, contribuye a dar estabilidad a la molécula de DNA. Cada cromosomas contienen miles de genes. Hoy día se estima que el ser humano tiene más de 30.000 genes en sus cromosomas.

Estructura de los ácidos nucleicos

Los ácidos nucleicos son polímeros lineales de nucleótidos cuyos grupos fosfatos unen las posiciones 3´y 5´de azucares consecutivos. Los grupos fosfatos son acídicos por lo que a pH fisiológico están cargadas negativamente. Los nucleótidos están formados por un residuo de azúcar unido por el C1 a una base nitrogenada y a un grupo fosfato por el C5. Las bases nitrogenadas presentes en los ácidos nucleicos se clasifican en dos: púricas (adenina (A)y guanina (G)) y pirimidínicas (timina (T), citosina (C) y uracilo (U)). Las purinas se unen al C1 del azúcar mediante un enlace N-glucosídico a través del N9 del anillo (Fig. 1a) mientras que las pirimidinas lo hacen a través del N1 (Fig. 1b).

Existen dos tipos de ácidos nucleicos: el acido ribonucleico (RNA) y el ácido desoxirribonucleico (DNA), la diferencia entre estas moléculas esta dado por el tipo de azúcar y de ahí su nombre, en el RNA el anillo de pentosa presenta un grupo OH (Fig. 2a) en la posición 2 mientras que en el DNA se pierde un oxigeno quedando solo un H en la misma posición (Fig.2b). La composición de bases en ambas moléculas es prácticamente la misma, solo que en el RNA encontramos U en lugar de T.

Watson y Crick en 1953 describieron la estructura del DNA. El modelo describe a la molécula como una doble hélice donde las cadenas se encuentran asociadas por interacción entre las bases nitrogenadas por enlaces de hidrogeno. Estas bases se encuentran hacia el interior de la hélice por su carácter hidrofóbico mientras que el esqueleto azúcar-fosfato se encuentra hacia el exterior. La A puede formar enlaces de hidrogeno solo con la T mientras que la C solo puede hacerlo con la G . A esto se le llamó apareamiento de bases y las bases pareadas se dicen que son complementarias. Entre la A y la T se forman dos puentes de hidrogeno y entre la T y la C tres, esto hace que estos últimos posean una mayor estabilidad.
En esta estructura las cadenas polinucleotídicas se encuentran dispuestas de manera antiparalela, o sea, una corre en dirección 3’---5’ mientras que la otra lo hace en dirección 5’----3’. (Fig. 3)

Tipos de moléculas de DNA

Los ácidos nucleicos pueden adoptar diferentes estructuras según factores tales como humedad, identidad de los iones presentes, así como la secuencia de bases.
DNA-B
Estudios por difracción de rayos-X han mostrado que la presencia de iones alcalinos como el Na+ y una humedad relativa del 92 % promueve que las moléculas de DNA adopten la llamada conformación B, conformación considerada como nativa ya el patrón de rayos-X es muy parecido al que fue encontrado en cabezas de espermatozoides de esperma de salmón (Fig. 4).

Características:
1. Está constituido por dos hebras polinucleotídicas que se enrollan alrededor de un eje común formando una hélice de aproximadamente 20 A de diámetro que gira hacia la derecha. Las cadenas se extienden en direcciones opuestas y se encuentran enrolladas de manera que no pueden separarse sin que sea desenrollada la hélice (enrollamiento plectonémico). Las bases se encuentran hacia el interior de la hélice mientras que las cadenas de azúcar-fosfato se encuentran hacia el exterior con el fin de minimizar las repulsiones entre grupos fosfatos cargados.2. Los planos de las bases son perpendiculares al eje de la hélice. Cada base está unida a la de la hebra opuesta por enlaces de hidrógeno (apareamiento de bases complementarias)
3. La hélice del DNA-B ideal posee un 10 pares de bases (bp) por vuelta, o sea, un giro helicoidal de 36 grados por bp. Las bases aromáticas tienen espesores de van der Waals de 3.4 A y estan parcialmente apiladas una sobre otra (apilamiento de bases), por lo que la hélice presenta un paso de rosca (elevación por vuelta) de 34 A.
La estructura de Watson-Crick solo admite dos conformaciones posibles para el apareamiento de bases, la adenina (A) con la timina (T) y viceversa y la guanina (G) con la citosina (C) y viceversa, estos son conocidos como pares de bases Watson-Crick. Estos pares de bases son intercambiables entre si dentro de la helice sin cambiar los atomos del carbono 1 del esqueleto azúcar-fosfato. Igual la hélice permanece inalterada cuando se intercambian los integrantes de un par de bases Watson-Crick. Por el contrario, cualquier otra combinación de bases distorsionaría la doble hélice ya que la formación de un par de bases distinto a los de Watson-Crick requeriría un reordenamiento importante de la cadena azúcar-fosfato.
La molécula de DNA- B presenta dos surcos, uno mayor y uno menor. La diferencia entre ambos surcos esta dada por dos razones: 1. el borde superior de cada par de bases es estructuralmente distinto al borde inferior. 2. los residuos de desoxirribosa son asimétricos.
Desviaciones del modelo Watson-Crick del DNA-B auténtico
A finales de los anos 70 el estudio de oligonucleótidos de estructuras bien definidas cristalizados y visualizados mediante rayos X permitió un estudio mas detallado de estas moléculas. El dodecámero autocomplementario CGCGAATTCGCG, oligonucleótido sometido a estudio, cristaliza en la conformación B. Esta molécula presenta una elevación media por residuo de 3,4 A y 10.1 bp por vuelta (un giro helicoidal de 35,6 grados por bp) que es casi lo mismo que lo observado para el DNA-B ideal. No obstante, los residuos individuales se apartan de esta conformación media de una forma que parece ser dependiente de la secuencia. Por ejemplo, en este dodecámero, el giro helicoidal por par de bases oscila entre 28 y 42°. Cada par de bases se desvía de su conformación ideal debido a deformaciones como el giro de helice (rotación de las bases apareadas en sentidos opuestos alrededor del eje mayor) y el balanceo del par de bases (inclinación del par de bases como un todo con respecto a su eje mayor). Estudios recientes de otros oligómeros han mostrado que la estructura del DNA es sorprendentemente irregular y que depende de la secuencia. Este fenómeno es particularmente importante para la unión a secuencias específicas del DNA de determinadas proteínas relacionadas con el procesamiento de la información genética.

Existe otra estructura llamada DNA-C que se produce a partir del DNA-B en presencia de soluciones de sales concentradas y etilén glicol (sal de litio y 6 % de humedad relativa). Esta forma presenta un giro de la hélice por bp de 38.6 º por lo que exhibe 9.33 bp por vuelta. Presenta una elevación por bp de 3.32 A siendo el paso de rosca de aproximadamente 31 A. El diámetro de esta hélice es de aproximadamente 19 A.

Cuando la humedad relativa se reduce al 75 % el DNA-B sufre un cambio conformacional reversible hacia la llamada forma A (Fig. 5). Estudios de fibras por rayos X han mostrado que la hélice del DNA-A, arrollada también hacia la derecha, es más ancha y más aplastada que la del DNA-B. El DNA-A posee 11 bp por vuelta y un paso de rosca de 28 A. Los pares de bases se encuentran inclinados 20° con respecto al eje de la hélice lo que provoca que el surco mayor sea profundo y el surco menor sea muy poco profundo. Al igual que el DNA-B estas moléculas muestran una variabilidad conformacional dependiente de cada secuencia. No se ha demostrado que exista el DNA-A in vivo sin embargo observaciones experimentales sugieren que ciertos segmentos de DNA asumen normalmente la conformación A. In vitro, se ha observado que las proteínas pequeñas de esporas solubles en acido (SASPs) de bacterias Gram-positivas inducen al DNA-B a adoptar la conformación A. Unos 25 años después del descubrimiento de la estructura del DNA por Watson y Crick, el análisis de la estructura cristalina de d(CGCGCG) reveló una doble hélice levógira. Esta estructura fue denominada DNA-Z, posee 12 bp por vuelta y un paso de rosca de 45 A, y a diferencia del DNA-A un surco menor muy profundo y un surco mayor casi imperceptible. En el DNA-Z los pares de bases se encuentran desplazados 180° con respecto a los del DNA-B. Como consecuencia la unidad repetitiva en este caso es un dinucleótido d(XpYp) y no un nucleótido como en las otras hélices, donde X es un residuo de purina y Y es un residuo de pirimidina. Esta alternancia de purinas y pirimidinas esta dada por la conformación que adoptan estas bases con respecto al azúcar en la estructura (purinas en posición sin y pirimidinas en posición trans (Fig. 7)). Esto provoca que el recorrido del esqueleto azúcar-fosfato sea zigzagueante, de ahí el nombre de DNA-Z. Estudios por difracción de fibras han demostrado que los polinucleótidos complementarios con purinas y pirimidinas alternantes tales como poli d(GC), poli d(AT) y poli d(GT), adoptan la conformación de DNA-Z a elevadas concentraciones de sales. Una alta concentración de sales estabiliza el DNA-Z con respecto al DNA-B ya que minimiza las repulsiones electrostáticas de los grupos fosfatos de hebras opuestas, que están mucho más cercanos en la conformación Z que en la B (8 A en DNA-Z contra 12 A en DNA-B). La metilación de la citosina en C(5), modificación biológica común, también promueve la formación de DNA-Z debido a que un grupo hidrofóbico en esta posición esta menos expuesto al solvente que en el DNA-B.
La existencia de DNA-Z in vivo ha sido difícil de probar, sobre todo porque no se puede demostrar que la utilización de una sonda para DNA-Z (un anticuerpo por ejemplo), no podría por sí misma inducir al DNA-B a adoptar la forma Z. Se ha propuesto que en circunstancias apropiadas la conversión reversible de secuencias específicas de DNA-B en Z pudiera actuar como interruptor regulando la expresión genética,
RNA-A
Muchos tipos de RNAs, por ejemplo de transferencia y ribosomal, contienen secuencias complemetarias los cuales pueden dentro de la molécula formar segmentos de doble hélice. Estas estructuras duplohelicoidales son incapaces de asumir una conformación como la que presenta el DNA-B debido al impedimento estérico de su grupo 2´OH. Estas estructuras asumen una conformación similar al DNA-A y de ahí su nombre RNA-A. Contiene al igual que este 11 bp por vuelta y una inclinación de las bases con respecto al eje de la hélice de 14 º. En eventos tales como la trascripción y el inicio de la replicación del DNA se forman híbridos resultantes del apareamiento de una hebra de DNA con una de RNA. Estos híbridos también se piensa que pueden adoptar esta conformación A.

Estructuras que puede adoptar el DNA
Los ácidos nucleicos de simple cadena pueden adoptar diferentes estructuras secundarias:Secuencias invertidas: consiste en dos copias de una misma secuencia orientadas en sentido contrario (Fig. 8). Secuencias palindrómicas: son secuencias autocomplementarias dentro de una misma hebra. Esta secuencia es la misma cuando se lee en una dirección determinada en ambas cadenas (Fig. 9).


Cuando una secuencia de bases es seguida por una secuencia de bases complementaria cercana en la misma molécula la cadena se pliega y genera un duplex antiparalelo llamado horquilla que genera una región de doble hélice (tallo) con un lazo de bases no pareadas en un extremo (Fig. 10).
Existe otra estructura particularmente poco usual que se le conoce como DNA-H que se forma en tramos de polipirimidinas/polipurinas (Fig.11).

Una característica novedosa de este apareamiento es que involucra tres cadenas de DNA para formar una triple hélice. Esta triple hélice se forma de manera espontánea solo dentro de largas secuencias que contienen en una misma cadena, solo pirimidinas o solo purinas.
Otro tipo de variación estructural que puede ocurrir es la curvatura de la hélice en una zona donde se encuentran cuatro o más A seguidas en una de las dos cadenas. Por ej. 6 A en hilera producen una curvatura de 18 º.
Estas variaciones estructurales aparecen en sitios donde se inician o regulan eventos importantes del metabolismo del DNA (replicación, recombinación y transcripción). Por ejemplo, sitios que contienen secuencias específicas reconocidas por determinadas proteínas son organizados en palíndromes. El DNA-H se encuentra dentro de regiones involucradas en la regulación de la expresión de algunos genes eucarióticos.