En biología molecular , la complementariedad describe una relación entre dos estructuras, cada una de las cuales sigue el principio de cerradura y llave. En la naturaleza, la complementariedad es el principio básico de la replicación y transcripción del ADN, ya que es una propiedad compartida entre dos secuencias de ADN o ARN , de modo que cuando se alinean de manera antiparalela entre sí, las bases de nucleótidos en cada posición de las secuencias serán complementarias , mucho más. como mirarse en el espejo y ver el reverso de las cosas. Este emparejamiento de bases complementario permite a las células copiar información de una generación a otra e incluso encontrar y reparar daños a la información almacenada en las secuencias.
El grado de complementariedad entre dos cadenas de ácido nucleico puede variar, desde la complementariedad completa (cada nucleótido está enfrente de su opuesto) hasta ninguna complementariedad (cada nucleótido no está enfrente de su opuesto) y determina la estabilidad de las secuencias para estar juntas. Además, diversas funciones de reparación del ADN, así como funciones reguladoras, se basan en la complementariedad de pares de bases. En biotecnología, el principio de complementariedad de pares de bases permite la generación de híbridos de ADN entre ARN y ADN, y abre la puerta a herramientas modernas como las bibliotecas de ADNc . Si bien la mayor parte de la complementariedad se observa entre dos cadenas separadas de ADN o ARN, también es posible que una secuencia tenga complementariedad interna dando como resultado que la secuencia se una a sí misma en una configuración plegada.
Complementariedad de pares de bases de ADN y ARN
La complementariedad se logra mediante distintas interacciones entre nucleobases : adenina , timina ( uracilo en el ARN ), guanina y citosina . La adenina y la guanina son purinas , mientras que la timina, la citosina y el uracilo son pirimidinas . Las purinas son más grandes que las pirimidinas. Ambos tipos de moléculas se complementan entre sí y solo pueden emparejarse con el tipo opuesto de nucleobase. En el ácido nucleico, las nucleobases se mantienen unidas mediante enlaces de hidrógeno , que solo funcionan de manera eficiente entre la adenina y la timina y entre la guanina y la citosina. El complemento de bases A = T comparte dos enlaces de hidrógeno, mientras que el par de bases G≡C tiene tres enlaces de hidrógeno. Todas las demás configuraciones entre nucleobases obstaculizarían la formación de doble hélice. Las hebras de ADN están orientadas en direcciones opuestas, se dice que son antiparalelas . [1]
Ácido nucleico | Nucleobases | Complemento base |
ADN | adenina (A), timina (T), guanina (G), citosina (C) | A = T, G≡C |
ARN | adenina (A), uracilo (U), guanina (G), citosina (C) | A = U, G≡C |
Puede construirse una hebra complementaria de ADN o ARN basándose en la complementariedad de nucleobase. [2] Cada par de bases, A = T frente a G≡C, ocupa aproximadamente el mismo espacio, lo que permite una formación de doble hélice de ADN retorcido sin distorsiones espaciales. Los enlaces de hidrógeno entre las nucleobases también estabilizan la doble hélice del ADN. [3]
La complementariedad de las hebras de ADN en una doble hélice permite utilizar una hebra como plantilla para construir la otra. Este principio juega un papel importante en la replicación del ADN , sentando las bases de la herencia al explicar cómo la información genética puede transmitirse a la siguiente generación. La complementariedad también se utiliza en la transcripción de ADN , que genera una hebra de ARN a partir de una plantilla de ADN. [4] Además, el virus de la inmunodeficiencia humana , un virus de ARN monocatenario , codifica una ADN polimerasa dependiente de ARN ( transcriptasa inversa ) que utiliza la complementariedad para catalizar la replicación del genoma. La transcriptasa inversa puede cambiar entre dos genomas de ARN parentales mediante recombinación por elección de copia durante la replicación. [5]
Los mecanismos de reparación del ADN , como la corrección de pruebas, se basan en la complementariedad y permiten la corrección de errores durante la replicación del ADN mediante la eliminación de nucleobases no coincidentes. [1] En general, los daños en una hebra de ADN se pueden reparar mediante la eliminación de la sección dañada y su reemplazo mediante el uso de la complementariedad para copiar información de la otra hebra, como ocurre en los procesos de reparación de desajustes , reparación por escisión de nucleótidos y escisión de bases. reparación . [6]
Las cadenas de ácidos nucleicos también pueden formar híbridos en los que el ADN monocatenario puede aparearse fácilmente con ADN o ARN complementario. Este principio es la base de las técnicas de laboratorio comúnmente realizadas, como la reacción en cadena de la polimerasa , PCR. [1]
Dos cadenas de secuencia complementaria se denominan sentido y antisentido . La hebra con sentido es, generalmente, la secuencia transcrita de ADN o el ARN que se generó en la transcripción, mientras que la hebra antisentido es la hebra que es complementaria a la secuencia con sentido.
Autocomplementariedad y bucles en horquilla
La autocomplementariedad se refiere al hecho de que una secuencia de ADN o ARN puede plegarse sobre sí misma, creando una estructura de doble hebra. Dependiendo de qué tan cerca estén las partes de la secuencia que son autocomplementarias, la hebra puede formar bucles de horquilla, uniones, protuberancias o bucles internos. [1] Es más probable que el ARN forme este tipo de estructuras debido a la unión de pares de bases que no se observa en el ADN, como la unión de guanina con uracilo. [1]
Funciones reguladoras
Se puede encontrar complementariedad entre tramos cortos de ácido nucleico y una región codificante o un gen transcrito, y da como resultado un apareamiento de bases. Estas secuencias cortas de ácido nucleico se encuentran comúnmente en la naturaleza y tienen funciones reguladoras como el silenciamiento de genes. [1]
Transcripciones antisentido
Las transcripciones antisentido son tramos de ARNm no codificante que son complementarios a la secuencia codificante. [7] Estudios de todo el genoma han demostrado que las transcripciones antisentido de ARN ocurren comúnmente en la naturaleza. En general, se cree que aumentan el potencial de codificación del código genético y agregan una capa general de complejidad a la regulación genética. Hasta ahora, se sabe que el 40% del genoma humano se transcribe en ambas direcciones, lo que subraya la importancia potencial de la transcripción inversa. [8] Se ha sugerido que las regiones complementarias entre las transcripciones sentido y antisentido permitirían la generación de híbridos de ARN bicatenario, que pueden desempeñar un papel importante en la regulación de genes. Por ejemplo, el factor inducido por hipoxia 1α mRNA y ß-secretasa ARNm se transcribe de forma bidireccional, y se ha demostrado que el transcrito antisentido actúa como un estabilizador para la secuencia de comandos sentido. [9]
miARN y ARNip
Los miARN , microARN, son secuencias cortas de ARN que son complementarias a regiones de un gen transcrito y tienen funciones reguladoras. La investigación actual indica que los miARN circulantes pueden utilizarse como nuevos biomarcadores, por lo que muestran pruebas prometedoras para su uso en el diagnóstico de enfermedades. [10] Los miARN se forman a partir de secuencias más largas de ARN que son liberadas por una enzima Dicer de una secuencia de ARN que proviene de un gen regulador. Estas hebras cortas se unen a un complejo RISC . Coinciden con secuencias en la región aguas arriba de un gen transcrito debido a su complementariedad para actuar como silenciador del gen de tres maneras. Una es evitar que un ribosoma se una e inicie la traducción. El segundo es degradando el ARNm al que se ha unido el complejo. Y el tercero es al proporcionar una nueva secuencia de ARN bicatenario (ARNdc) sobre la que Dicer puede actuar para crear más miARN para encontrar y degradar más copias del gen. Los ARN de interferencia pequeños (ARNip) son similares en función a los miARN; provienen de otras fuentes de ARN, pero tienen un propósito similar a los miARN. [1] Dada su corta extensión, las reglas de complementariedad significan que aún pueden ser muy discriminatorios en sus objetivos de elección. Dado que hay cuatro opciones para cada base en la hebra y una longitud de 20 pb - 22 pb para un mi / siRNA, eso conduce a más de1 × 10 12 combinaciones posibles . Dado que el genoma humano tiene una longitud de ~ 3.100 millones de bases, [11] esto significa que cada miARN solo debería encontrar una coincidencia una vez en todo el genoma humano por accidente.
Besar horquillas
Las horquillas para besar se forman cuando una sola hebra de ácido nucleico se complementa con ella misma creando bucles de ARN en forma de horquilla. [12] Cuando dos horquillas entran en contacto entre sí in vivo , las bases complementarias de las dos hebras se forman y comienzan a desenrollar las horquillas hasta que se forma un complejo de ARN bicatenario (dsRNA) o el complejo se desenrolla de nuevo en dos hebras debido a desajustes en las horquillas. La estructura secundaria de la horquilla antes del beso permite una estructura estable con un cambio de energía relativamente fijo. [13] El propósito de estas estructuras es equilibrar la estabilidad del bucle de horquilla frente a la fuerza de unión con una hebra complementaria. Una unión inicial demasiado fuerte a una mala ubicación y las hebras no se desenrollarán lo suficientemente rápido; una unión inicial demasiado débil y las hebras nunca formarán completamente el complejo deseado. Estas estructuras de horquilla permiten la exposición de suficientes bases para proporcionar un control lo suficientemente fuerte en la unión inicial y una unión interna lo suficientemente débil para permitir el despliegue una vez que se ha encontrado una coincidencia favorable. [13]
--- C G --- CG --- C G --- UACG GCUA CGGC AGCG AAAG CUAA U CUU --- CCUGCAACUUAGGCAGG --- A GAA --- GGACGUUGAAUCCGUCC --- GAUU UUUC UCGC GCCG CGAU AUGC GC --- G C ------ G C ---Besar horquillas que se encuentran en la parte superior de los bucles. La complementariedadde las dos cabezas anima a la horquilla a desplegarse y enderezarse paraconviértase en una secuencia plana de dos hebras en lugar de dos horquillas.
Bioinformática
La complementariedad permite que la información que se encuentra en el ADN o el ARN se almacene en una sola hebra. La hebra complementaria se puede determinar a partir del molde y viceversa como en las bibliotecas de ADNc. Esto también permite el análisis, como comparar las secuencias de dos especies diferentes. Se han desarrollado métodos abreviados para escribir secuencias cuando hay desajustes (códigos de ambigüedad) o para acelerar la lectura de la secuencia opuesta en el complemento (ambigramas).
Biblioteca de ADNc
Una biblioteca de ADNc es una colección de genes de ADN expresados que se consideran una herramienta de referencia útil en los procesos de identificación y clonación de genes. Las bibliotecas de ADNc se construyen a partir de ARNm usando transcriptasa inversa (RT) de la ADN polimerasa dependiente de ARN, que transcribe una plantilla de ARNm en ADN. Por lo tanto, una biblioteca de ADNc solo puede contener inserciones que deben transcribirse en ARNm. Este proceso se basa en el principio de complementariedad ADN / ARN. El producto final de las bibliotecas es ADN bicatenario, que puede insertarse en plásmidos. Por lo tanto, las bibliotecas de ADNc son una herramienta poderosa en la investigación moderna. [1] [14]
Códigos de ambigüedad
Al escribir secuencias para biología sistemática , puede ser necesario tener códigos IUPAC que signifiquen "cualquiera de los dos" o "cualquiera de los tres". El código IUPAC R (cualquier purina ) es complementario a Y (cualquier pirimidina ) y M (amino) a K (ceto). Por lo general, W (débil) y S (fuerte) no se intercambian [15], pero algunas herramientas las cambiaron en el pasado. [16] W y S denotan "débil" y "fuerte", respectivamente, e indican varios de los enlaces de hidrógeno que utiliza un nucleótido para emparejarse con su compañero complementario. Un socio usa el mismo número de enlaces para formar un par complementario. [17]
Un código IUPAC que excluye específicamente uno de los tres nucleótidos puede ser complementario a un código IUPAC que excluye el nucleótido complementario. Por ejemplo, V (A, C o G - "no T") puede ser complementario a B (C, G o T - "no A").
Símbolo [18] | Descripción | Bases representadas | ||||
---|---|---|---|---|---|---|
A | un denine | A | 1 | |||
C | c ytosine | C | ||||
GRAMO | g uanine | GRAMO | ||||
T | t hymine | T | ||||
U | tu racil | U | ||||
W | w EAK | A | T | 2 | ||
S | s trong | C | GRAMO | |||
METRO | un m ino | A | C | |||
K | k eto | GRAMO | T | |||
R | pu r ine | A | GRAMO | |||
Y | p y rimidina | C | T | |||
B | no A ( B viene después de A) | C | GRAMO | T | 3 | |
D | no C ( D viene después de C) | A | GRAMO | T | ||
H | no G ( H viene después de G) | A | C | T | ||
V | no T ( V viene después de T y U) | A | C | GRAMO | ||
N o - | una base n y (no un hueco) | A | C | GRAMO | T | 4 |
Ambigramas
Se pueden usar caracteres específicos para crear una notación de ácido nucleico adecuada ( ambigráfica ) para bases complementarias (es decir, guanina = b , citosina = q , adenina = n y timina = u ), lo que hace posible complementar secuencias completas de ADN simplemente rotando el texto "al revés". [19] Por ejemplo, con el alfabeto anterior, buqn (GTCA) se leería como ubnq (TGAC, complemento inverso) si se le da la vuelta.
- qqubqnnquunbbqnbb
- bbnqbuubnnuqqbuqq
Las notaciones ambigráficas visualizan fácilmente tramos de ácidos nucleicos complementarios, como secuencias palindrómicas. [20] Esta función se mejora cuando se utilizan fuentes o símbolos personalizados en lugar de caracteres ASCII normales o incluso Unicode. [20]
Ver también
- Base par
Referencias
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enlaces externos
- Herramienta de complemento inverso
- Herramienta de complemento inverso @ DNA.UTAH.EDU