El ADN

El ácido desoxirribonucleico (ADN)
CONTIENE la información genética de la mayor parte
de los organismos vivos (una excepción son algunos virus,
denominados retrovirus, que utilizan el ARN o ácido
ribonucleico para guardar su información
genética).- El ADN puede ser copiado a través de
las sucesivas generaciones de células: – El ADN puede ser
traducido a proteínas: , más lejos traducido en
proteínas, – El ADN puede ser reparado cuando sea
necesario: .Los ácidos ribonucléicos (ARNs) son
descritos en otro capítulo ( , )

– El ADN es un polímero, compuesto
de unidades denominadas nucleótidos (o
mononucleótidos).- Los nucleótidos tienen
también otras funciones: (transportadores de
energía: ATP, GTP; respiración celular: NAD, FAD;
transducción de señales: AMP cíclico;
coenzimas: CoA, UDP; vitaminas: nicotinamida
mononucleótido,Vit B2).

Utilizando la nomenclatura de las
proteínas, podemos hablar en terminus de estructura
primaria, secundaria, terciaria y cuaternaria de la
molécula: 

Estructura
primaria de la molécula: esqueleto covalente y bases
laterales

Un nucleósido está hecho de
un azúcar + una base nitrogenada.Un nucleótido
está hecho de un grupo fosfato + un azúcar + una
base nitrogenada. En el ADN, el nucleotide es un
desoxirribonucleótido (en el ARN, el nucleótido es
un ribonucleótido).

I-1 Ácido fosfórico

Suministra un grupo fosfato.

I-2 Azúcar:

Desoxirribosa, que es una pentosa
cíclica (azúcar de 5 carbonos). Nota: el
azúcar en el ARN es una ribosa.

Los carbonos del azúcar se numeran
de 1' a 5'. El átomo de nitrógeno de la base
nitrogenada se une a C1' (por un enlace glicosídico), y el
grupo fosfato se une al C5' (enlace éster) para formar el
nucleótido. El nucleotide es, por lo tanto: fosfato – C5'
azúcar C1' – base nitrogenada.

I-3 Bases nitrogenadas:

Son heterociclos aromáticos; hay
purinas y pirimidinas.- Purinas: adenina (A) y guanina (G).-
Pirimidinas: citosina (C) y timina (T) (Nota: la timina es
reemplazadaspor uracilo (U) en el ARN).

Nota: pueden existir otras bases
nitrogenadas, en particular bases metiladasderivadas de las
anteriores; este tipo de bases tienen un papel funcional (ver
capítulo correspondiente).

Glosario:- Nombres de nucleósidos:
desoxirribonucleósidos en el ADN:
desoxiadenosina,desoxiguanosina, desoxicitidina, desoxitimidina
(ribonucleótidos en el ARN: adenosina, guanosina,
citidina, uridina). – Nombres de nucleótidos:
desoxirribonucleótidos en el ADN: ácido
desoxiadenílico, ácido desoxiguanílico,
ácido desoxicitidílico, ácido
desoxitimidílico (ribonucleótidos en el ARN:
ácido adenílico, ácido guanílico,
ácido citidílico, ácido
uridílico).

Estructuras
secundaria y terciaria de la molécula
–Conformación tridimensional del
ADN

II.1 Dinucleótidos

Los dinucleótidos se forman a
través de un enlace fosfodiéster entre dos
mononucléotidos. Este enlace se forma entre el grupo
fosfato de un mononucleótido (en C5' de su azúcar)
y el C3' del azúcar del anterior mononucleótido.
Así, comenzando con un grupo fosfato, tenemos un
azúcar en 5' (+ su base) y cuyo extremo en 3', está
unido a un segundo grupo fosfato en 5' de otro azúcar,
cuyo extremo 3' está libre para un siguiente enlace. La
unión – y la orientación de la
molécula es, por tanto 5' -> 3'.

Los polinucleótidos están
formados por la sucesiva adición de monómeros en
una configuración general 5' -> 3'. El esqueleto de la
molécula está hecho por una sucesión de
grupo fosfato-azúcar (n nucleótidos) –
fosfato – azúcar (nucleótido n+1), y así
sucesivamente, unidos covalentemente, con las bases nitrogenadas
situadas lateralmente.

II.2 Molécula de ADN

El ADN está formado de dos ("ADN
dúplex") cadenas o hebras dextrógiras (como un
tornillo; con giro hacia la derecha) enrolladas alrededor de un
eje formando una hélice doble de 20A° de
diámetro ("la doble hélice"). Las dos cadenas son
antiparalelas (esto es: sus orientaciones 5'->3' están
en direcciones opuestas). La apariencia general del
polímero muestra una periodicidad de 3,4 A°,
correspondiente a la distancia entre dos bases, y otra de 34
A°, correspondiente a una vuelta completa de la hélice
(y también a 10 pares de bases).

II.2.1 Puentes de hidrógeno: emparejamiento entre las
bases

Las bases nitrogenadas
(hidrofóbicas) se encuentran apiladas en el interior de la
doble hélice, en planos perpendiculares a su eje. La parte
exterior (grupos fosfato y azúcares) es
hidrofílica.Las bases de una de las cadenas o hebras
están unidas mediante puentes de hidrógeno con las
bases nitrogenadas de la otra cadena o hebra, uniendo ambas
cadenas (líneas discontinuas en la figura).

De esta manera, una purina de una de las
cadenas se encuentra enfrentada y unida a una pirimidina en la
otra cadena. Por ello, el número de purinas es igual al
número de pirimidinas.A se une a T (con dos puentes de
hidrógeno).G se une a C (con tres puentes de
hidrógeno: enlace más estable: 5,5 kcal vs 3,5
kcal).Nota: el contenido de A en el ADN es por lo tanto igual al
contenido en T, y el contenido en G es igual al contenido en C.
Esta correspondencia estricta (A<->T y G<->C) hace a
las dos cadenas o hebras complementarias. Una es el molde para la
otra, y recíprocamente también: esta propiedad
permitirá una replicación exacta
(replicación semi-conservativa: una cadena -la molde- se
conserva, mientras que la otra se sintetiza de nuevo por
completo, y lo mismo ocurre con la otra cadena complementaria, se
conserva, que hace de molde también para la
síntesis de otra nueva; ver capítulo
correspondiente).

Notas:Los puentes de hidrógeno
existentes en el emparejamiento entre las bases nitrogenadas son
a veces distintos de los descritos arriba para el modelo de
Watson y Crick, utilizando el átomo N7 de la purina en
lugar del N1 (modelo de Hoogsteen).

II.2.2 Surco mayor y surco menor

La doble hélice es una
molécula bastante rígida y viscosa de una longitud
inmensa y un diámetro pequeño. En esta
molécula se puede observar un surco mayor y un surco
menor. El surco mayor es profundo y amplio, el surco menor es
poco profundo y estrecho. Las interacciones ADN-proteína
son procesos esenciales en la vida de la célula
(activación o represión de la transcripción,
replicación del ADN y reparación).Las
proteínas se unen a la parte interior de los surcos del
ADN, mediante uniones específicas: puentes de
hidrógeno, y uniones no específicas: interacciones
de van der Waals, y otras interacciones electrostáticas
generales. Las proteínas reconocen donantes y aceptores de
puentes de hidrógeno, grupos metilo (hidrofóbicos),
éstos últimos exclusivos del surco mayor; hay
cuatro patrones posibles de reconocimiento en del surco mayor , y
sólo dos en el surco menor (ver figuras).Algunas
proteínas se unen al ADN por el surco mayor, algunas otras
por el surco menor, y algunas necesitan unirse a
ambos.

Notas:- Las dos cadenas se denominan
"positiva" y "negativa", o "directa" y "reversa". En una
posición determinada una de las cadenas (cualquiera de las
dos) contiene información codificante para un producto, es
improbable (aunque no imposible) que la cadena complementaria
también contenga en esa posición información
codificante.- El ADN se ioniza in vivo y se comporta como un
polianión.

La doble hélice descrita arriba es
la forma "B" del ADN; ésta es la forma más
frecuente in vivo, aunque pueden existir in vivo o in vitro otras
formas (ver abajo). La forma "A" se parece a la forma ADN-B
aunque está menos hidratada, la forma "A" no se encuentra
in vivo.

II.3 ADN no-B

El ADN es una molécula que se mueve
continuamente, se pliega como haciendo gimnasia y baila. Las
estructuras que se citan más abajo se ha comprobado que
tienen ciertos papeles funcionales; y por otra parte, pueden
favorecer las roturas y posteriors pérdidas de segmentos
de ADN, y fenómenos de amplificación,
recombinación y mutaciones.

Glosario:Palíndromos: palabras o
frases que se leen igual en ambas direcciones (por ejemplo. "DNA
LAND"). El ADN suele jugar con palíndromos: ver más
abajo).

II.3.1 ADN-Z

– La forma Z es una forma de doble
hélice levógira (con giro hacia la izquierda) con
una conformación del esqueleto en zig-zag (menos lisa que
la forma ADN-B). Sólo se observa un surco, semejante al
surco menor, el emparejamiento entre las bases (que forman el
surco mayor -cercano al eje- en la forma ADN-B) está hacia
un lateral, en la superficie exterior, lejos del eje. Los grupos
fosfato se encuentran más cerca entre ellos que en la
forma ADN-B. El ADN-Z no puede formar nucleosomas.- La
conformación Z está favorecida por un elevado
contenido en G-C. La metilación de citosinas, y
moléculas que pueden encontrase presentes in vivo como la
espermina y espermidina pueden estabilizar la conformación
Z. – Las secuencias de ADN pueden pasar de la forma B hacia la
forma Z y viceversa: el ADN-Z es una forma transitoria in vivo.-
La formación de ADN-Z se produce durante la
transcripción de genes, en los puntos de inicio de la
transcripción cerca de los promotores de genes que se
transcriben de manera activa. Durante la transcripción, el
movimiento de la ARN polimerasa induce una
superhelicoidización negativa en la parte anterior o
corriente arriba y una superhelicoidización en la parte
posterior o corriente debajo de la transcripción. La
superhelicoidización negativa corriente arriba favorece la
formación de ADN-Z; una función posible del ADN-Z
podría ser absorber esta superhelicoidización
negativa. Al final de la transcripción, la topoisomerasa
relaja la estructura del ADN volviendo a la conformación
B.- Ciertas proteínas se unen al ADN-Z, particularmente la
adenosina desaminasa de ARN de doble cadena (ADAR1), una enzima
de edición de ARN; esta enzima transforma de adenina en
inopina en el pre-ARNm. Posteriormente, los ribosomas
interpretarán la inosina como guanina, por lo que la
proteína codificada por esta modificación
epigenética será distinta (ver capítulo
correspondiente ).

Notas:- Se han encontrado anticuerpos
frente al ADN-Z en el lupus eritematoso y en otras enfermedades
autoinmunes.- El ARN de doble cadena (ARNdc) puede adoptar una
conformación Z.

II.3.2 ADN cruciforme y ADN horquilla

– Las estructuras de Holliday (formadas
durante la recombinación) son estructuras cruciformes. Las
repeticiones (palíndromos) invertidas (o especulares) de
segmentos de polipurinas/polipirimidinas también pueden
formas estructuras cruciformes o en horquilla mediante la
formación de emparejamientos intracatenarios.- Se han
encontrado repeticiones palindrómicas ricas en AT en los
puntos de rotura de la t(11;22)(q23;q11), la única
translocación recíproca constitucional conocida.-
Las nucleadas se unen y rompen las estructuras de Holliday tras
la recombinación. Otras proteínas conocidas capaces
de unirse a ADN cruciforme son HMG y MLL (para más
detalles ver: MLL).

II.3.3 ADN-H o ADN tríplex

– Las repeticiones invertidas
(palíndromos) de fragmentos de ADN de
polipurinas/polipirimidinas pueden formar estructuras
tríplex (hélices triples). De esta manera se forma
una hélice triple junto a una cadena monocatenaria de
ADN.- El ADN-H puede tener un papel funcional en la
regulación de la expresión génica y sobre
los ARNs (por ejemplo, en la represión de la
transcripción).

II.3.4 ADN-G4

– El ADN-G4 o ADN cuádruplex: se
forma una estructura altamente estable por el plegamiento de una
secuencia bicatenaria rica en GC consigo mismo a través de
emparejamientos de Hoogsteen entre 4 guaninas ("G4"). Este tipo
de ADN se encuentra a menudo cerca de promotores de genes y en
los telómeros.- Tiene un papel en la meiosis y en la
recombinación, pueden ser elementos reguladores.- La
familia de helicasas RecQ son capaces de deshacer la estructura
G4 (por ejemplo, BLM, el gen mutado en el síndrome de
Bloom (para más información ver: Bloom
syndrome).

Estructura
cuaternaria de la molécula – Cromatina

El ADN se asocia a proteínas:
histonas y no histonas, para formar la cromatina. El ADN en su
conjunto es ácido (cargado negativamente) y se une a
proteínas básicas (cargadas positivamente)
denominadas histonas: ver capítulo Cromatina . Hay 3 x 10
9 pares de nucleótidos en el genoma humano haploide que
contiene unos 30 000 genes dispersos sobre los 23 cromosomas que
conforman un juego haploide. 

Otros

IV.1 ADN y mitocondria

Ver también Herencia
mitocondrial

– El ADN se encuentra en el núcleo
de la célula, aunque en las mitocondrias también
hay una pequeña cantidad. – Las mitocondrias se originaron
a partir de arqueobacterias endosimbiontes en células
eucariotas.- Su código genético es distinto del
llamado código "universal" (UGA, AUA, AGA, AGG:
respectivamente STOP, Ile, Arg, Arg en el código
universal, y Trp, Met, STOP, STOP en el mitocondrial de
mamíferos, y otros significados en el mitocondrial de
otras especies). – El número de copias de ADN en una
mitocondria determinada es variable. – El ADN mitocondrial es
circular, con una cadena pesada y otra ligera, no tiene intrones,
ni secuencias no codificantes. – Los genes del genoma
mitocondrial codifican para proteínas que intervienen en
la cadema transportadora de electrones, ARN ribosomales (ARNr) y
ARN de transferencia (ARNt). – Cada una de las cadenas de ADN se
transcribe y posteriormente es cortada en los distintos ARNm,
ARNr y ARNt.

Nota: la mitocondria también utiliza
proteínas importadas del citoplasma de la célula (y
codificadas por el genoma nuclear); sin embargo, las
proteínas de la mitocondria no son exportadas al
citoplasma salvo excepciones como las relacionadas con la
apoptósis.

IV.2 Desnaturalización del ADN:

La doble hélice puede
desespiralizarse in vitro mediante calor, pH extremos y otras
condiciones (urea, …) en un proceso denominado
fusión. Se puede calcular su punto de fusion, que es
característico y dependiente de la proporción A/T
versus G/C, debido al hecho que hay sólo dos puentes de
hidrógeno en la unión A/T, y tres en la G/C,
unión más estable. Con la desnaturalización,
las propiedades físicas del ADN cambian; por ejemplo, hay
un efecto hipercrómico ya que la absorción de la
luz a 260 nm es mayor en el ADN desnaturalizado que en el ADN
bicatenario. La abosrción de la luz también
varía con la proporción A/T vs G/C y es mayor en
secuencias ricas en A/T que en secuencias ricas en G/C.La
desnaturalización del ADN es importante porque: 1- permite
medir el contenido A/T vs G/C; 2- es la base de las
técnicas de hibridación

Autor:

Valentin