Estructura Primaria
El ADN está compuesto por nucleótidos. Cada uno de estos está compuesto de una base purínica o pirimidínica unida a través de uno de sus nitrógenos en un enlace N-glucosídico con el carbono 5 de un azúcar de 5 carbonos. En el caso del ADN, este azúcar es la deoxirribosa. Además el azúcar está unido a un fosfato esterificado, también en el carbono 5. Las bases que pueden formar parte del ADN son la guanina, citosina, adenina y 5 metil uracilo (timina). La composición de bases del ADN es diferente a la del ARN. En el ADN se encuentra timina en vez de uracilo. Sin embargo hay una excepción con el tARN, que si contiene uracilo y en el ADN de algunos bacteriófagos que contiene uracilo. (Kornberg, 1974).
Para conformar el ADN estos nucleótidos se tienen que unir en cadenas largas. Las uniones se forman con enlaces entre el 5' fosfato del nucleótido y el 3' hidroxilo del azúcar del siguiente. Este enlace es del tipo fosfodiester, y por lo tanto es muy susceptible a la hidrólisis. Este enlace es además muy flexible, por lo que en teoría, la cadena puede asumir un gran número de formas. Sin embargo, ahora se cree que toda la rotación está restringida a los enlaces O-P.
Estructura Secundaria
Una de las características principales de estas cadenas de deoxirribonucleótidos es que pueden juntarse dos complementarias para formar lo que se conoce como la doble hélice. Para formar la doble hélice se juntan dos cadenas con la estructura primaria ya descrita, de forma antiparalela. Además, la complementaridad de las bases nitrogenadas hacen posible que esta red se sostenga. Tanto la timina como el uracilo tienen grupos keto que pueden aparearse con los grupos amino de la adenina, a través de un enlace de hidrógeno. La guanina y la citosina tienen los dos un grupo amino y otro keto, lo que hace su unión más estable que la de A-T. Otra característica que hace posible la hélice es que todas las purinas tienen el mismo tamaño, igual entre las pirimidinas. Esto hace que el tamaño de A-T sea el mismo que el de C-G. Además, estos pares tienen la misma forma. Son las interacciones entre las bases dispuestas de esta forma que causan que le ADN adquiera su conformación de doble hélice espontáneamente. Las características de esta hélice son:
esqueleto de deoxirribosa forma dos hélices derechas, con las mismas dimensiones y el mismo eje de rotación. El diámetro de la hélice es de 20 A.
La hélice tiene dos ranuras, una profunda y otra superficial
los esqueletos de azúcar están conectados por enlaces de hidrógeno en las bases
Las bases se encuentran en el interior de la hélice, separadas, entre base y pase por 3.4 A
Los anillos aromáticos, uno encima del otro da estabilidad. Esto puede contribuir más que los enlaces de hidrógeno a la estabilidad de la molécula.
Se produce una vuelta cada 10 bases (34 A), por lo que cada base está rotada con respecto a sus vecinas 36º. (Esto es según Kornberg, Watson y Crick. Según Lehningher, la vuelta es cada 10.5 bases, o sea, cada 35.7 A, y el ángulo entre bases sería de 34.29º) El ancho de la hélice es de 20 A, y las bases están giradas respecto al eje de la hélice 6º.
las dos cadenas de deoxirribonucleótidos son antiparalelas
La molécula tiene un eje de rotación doble, que pasa a través del plano de cada par de bases, relacionándose con los enlaces N-glucosídicos. Si un par de bases rota 180º, entonces las estructuras de las dos cadenas pueden tener la misma conformación. Esto permite un enlace A-T como T-A y C-G como G-C.
Por lo mismo, se puede construir cualquier secuencia de A, T, C o G.
La rotación del enlace N-glucosídico permite una configuración anti y otra sin. Las pirimidinas prefieren mantenerse en la conformación anti.
Como se puede deducir, la consecuencia de esto es que:
se puede construir una molécula con cualquier secuencia de pares de bases.
La complementaridad de las dos cadenas permite procesos interesantes como la reparación y la copia
Desnaturalización y renaturalización
Se le llama desnaturalización del ADN cuando se dividen las dos cadenas de la hélice. Esto se hace para para replicarse y transcribirse. Si bien la desnaturalización puede depender de condiciones del medio o de acciones enzimáticas, al desaparecer estas, ocurre una renaturalización espontánea.
La renaturalización es un procesos en dos etapas. Primero, pequeñas secuencias de bases encuentran sus pares correspondientes, y empiezan a formar enlaces de hidrógeno. Una vez se logra esto en ciertos lugares, ocurre un apareamiento mucho más rápido con las bases vecinas. La cinética de la renaturalización puede emplearse para calcular el largo de una molécula de ADN.
Estabilidad
Anteriormente se mencionó que los enlaces entre los grupos C y G son de dos tipos. Originalmente, se pensó que esto contribuía en gran medida a la estabilidad del ADN. Se creía que la molécula sería más estable si tenía una mayor proporción de C y G sobre A y T.
Si los enlaces de hidrógeno eran los mayores contribuyentes a la estabilidad del ADN, el uso de detergentes que no afectaran estos enlaces no debía causar mayores efectos. Asimismo, una vez la carga de los grupos fosfatos estuviera completamente neutralizada, una mayor fuerza iónica no debía afectar significativamente a la molécula. Sin embargo, cuando se realizaron los experimentos, no se obtuvieron los resultados esperados. Después de otros experimentos de desnaturalización de ADN con distintas sales, se llegó a la conclusión que la fuerza estabilizadora principal eran las interacciones hidrófobas, probablemente entre los anillos de las bases. Esto afinó el modelo estructural del ADN, descartando la posibilidad que las cadenas tomaran configuraciones al azar en ausencia de enlaces de hidrógeno. Esto se pudo concluir ya que los nucleótidos individuales son ópticamente inactivos, pero el ADN si es activo. Esto significa que tiene que haber una organización espacial específica. Esta información le dio más apoyo a la teoría de la doble hélice, solo que ahora, la estabilidad de la molécula era justificada por interacciones entre los anillos aromáticos y no por los enlaces de hidrógeno.
Esto permite explicar algunas cosas sobre la estructura del ADN:
las interacciones hidrófobas hacen que las bases intenten juntarse
por consecuencia se encuentran en la parte interna de la hélice.
los enlaces de hidrógeno ayudan en el pareo de bases, y pueden dar estabilidad. Sin embargo, esta última no es muy grande. De todas formas, un mal pareo de bases da inestabilidad.
Funcionalmente, esta teoría sugiere que para la replicación, la separación de las cadenas se puede lograr dando un ambiente hidrófobo local al segmento que se desea se separa para replicarse (o transcribirse).
Estructura supersecundaria
La estructura supersecundaria del ADN ya no es un principio tan constante como la secundaria. Esta depende del organismo en el que este se encuentre. Generalmente se reconocen dos tipos: un círculo o un bastón. El arreglo específico depende de las proteínas del organismo que se asocian al ADN y le dan su forma respectiva. El ADN procariote es circular, y está sostenido por proteínas no histonas. En cambio, el ADN eucariote es en forma de bastón, y está empacado en diversos niveles, por proteínas histonas.
Aunque técnicamente es parte de la estructura secundaria, es común la metilación de algunas bases. Esto ocurre principalmente en eucariotes, en el momento de empacar el ADN en su estructura terciaria. Se cree que la metilación de algunas bases está relacionada con la regulación de la transcripción.
Tipos de ADN
Hasta ahora sólo se ha considerado un modelo de ADN. Este se le conoce como el modelo B de ADN, y es el que fue propuesto originalmente por Watson y Crick. Las propiedades, en cuanto a apareamiento de bases, de este modelo no cambian significativamente en las otras dos estructuras
En el ADN forma A, la diferencia principal es que el surco profundo es más profundo, mientras que el surco superficial es menos profundo todavía. Este tipo de estructura se logra en condiciones de poca agua. No se cree que exista naturalmente. Además, es un buen modelo para la cristalización y estudio posterior por rayos X o NMR. Tiene 11 pares de bases por vuelta, un diámetro de 26 A, y una distancia entre bases de 2.6 A. Las bases están rotadas con respecto al eje de la hélice 20º en vez de 6º.
El ADN forma Z es un poco más distinto al B. Al principio se pensó que un ADN con hélice izquierda era imposible, pero más adelante se encontró en algunos segmentos de células procariotas y luego en eucariotas. Este ADN tiene un ancho de 18 A, tiene 12 pares de bases por vuelta, a 3.7 A cada base, y las bases tienen 7º de rotación sobre el eje helicoidal. Se cree que este ADN está involucrado en la regulación de la expresión genética y en la recombinación de genes.
Otras variaciones de ADN son respecto a las bases que lo componen. Ya se mencionó al principio que en algunos casos se usa U en vez de T (en Bacillus subtilis). En algunos bacteriófagos de E. coli se usa hidroximetilcitosina en vez de C. Se han encontrado otros derivados metilados de las otras bases nitrogenadas.
También ya se mencionó que en ciertas ocasiones se ha encontrado ADN que no tiene una doble hélice, sino que es una sola cadena de deoxirribonucleótidos. En estos casos la misma cadena suele ser complementaria a si misma. Una situación similar puede ocurrir en una molécula grande de ADN. Cuando solo una cadena presenta la autocomplementaridad ocurre lo que se llama un hairpin. Si son las dos, es una cruciforma. En procariotes suelen ocurrir segmentos de ADN sin su contraparte de doble hélice, formando un hairpin. (Freidfer, 1978)
En cuanto a la doble hélice, se han encontrado algunas conformaciones adicionales. Estas son el triplex y el cuadruplex. En el primero, a un A-T se puede unir un T, y a un C-G se puede unir un C. Esto es el apareamiento de Hoogsteen. Los triplex son más estables a pH bajo. Los cuadruplex son menos estables que los triplex, y es más estable cuando tiene la cuarta cadena abundante en G.
El H DNA es un triplex que contiene muchos segmentos con autocomplementaridad, formando cruciformas. Se cree que tienen que ver con la regulación de la expresión genética.
Bibliografía
Freidfer, David. 1978 The DNA Molecule Structure and Properties
W.H. Freeman and Company. USA
Kornberg, Arthur. 1974. DNA Synthesis
2nd printing. W.H. Freeman and Company
USA
Nelson, David; Cox, Micheal. 2000 Lehninger Principles of Biochemistry
3ed Edition. Worth Publishers
USA
Watson, Crick . 1953. Molecular Structure of Nucleic Acids
Nature 171 (April) 473-738