La estructura del ácido nucleico se refiere a la estructura de los ácidos nucleicos como el ADN y el ARN . Químicamente hablando, el ADN y el ARN son muy similares. La estructura del ácido nucleico a menudo se divide en cuatro niveles diferentes: primario, secundario, terciario y cuaternario.
Estructura primaria
La estructura primaria consiste en una secuencia lineal de nucleótidos que están unidos por enlace fosfodiéster . Es esta secuencia lineal de nucleótidos la que constituye la estructura primaria del ADN o ARN . Los nucleótidos constan de 3 componentes:
- Base nitrogenada
- Azúcar de 5 carbonos que se llama desoxirribosa (que se encuentra en el ADN) y ribosa (que se encuentra en el ARN).
- Uno o más grupos fosfato. [1]
Las bases nitrogenadas adenina y guanina tienen una estructura de purina y forman un enlace glicosídico entre su nitrógeno 9 y el grupo 1 '-OH de la desoxirribosa. La citosina, la timina y el uracilo son pirimidinas , por lo que los enlaces glicosídicos se forman entre su nitrógeno 1 y el 1 '-OH de la desoxirribosa. Para las bases de purina y pirimidina, el grupo fosfato forma un enlace con el azúcar desoxirribosa a través de un enlace éster entre uno de sus grupos de oxígeno cargados negativamente y el 5 '-OH del azúcar. [2] La polaridad en el ADN y el ARN se deriva de los átomos de oxígeno y nitrógeno en la columna vertebral. Los ácidos nucleicos se forman cuando los nucleótidos se unen a través de enlaces fosfodiéster entre los átomos de carbono 5 'y 3'. [3] Una secuencia de ácido nucleico es el orden de los nucleótidos dentro de una molécula de ADN (GACT) o ARN (GACU) que se determina mediante una serie de letras. Las secuencias se presentan desde el extremo 5 'al 3' y determinan la estructura covalente de toda la molécula. Las secuencias pueden ser complementarias a otra secuencia en el sentido de que la base de cada posición es complementaria, así como en el orden inverso. Un ejemplo de secuencia complementaria a AGCT es TCGA. El ADN es de doble hebra y contiene una hebra con sentido y una hebra antisentido . Por tanto, la secuencia complementaria será la de la hebra sentido. [4]
Complejos con iones de metales alcalinos
Hay tres grupos potenciales de unión a metales en los ácidos nucleicos: restos fosfato, azúcar y base. Se ha revisado la estructura en estado sólido de complejos con iones de metales alcalinos. [6]
Estructura secundaria
ADN
La estructura secundaria es el conjunto de interacciones entre bases, es decir, qué partes de las hebras están unidas entre sí. En la doble hélice de ADN, las dos cadenas de ADN se mantienen unidas por enlaces de hidrógeno . Los nucleótidos de una hebra se emparejan con el nucleótido de la otra hebra. La estructura secundaria es responsable de la forma que asume el ácido nucleico. Las bases del ADN se clasifican en purinas y pirimidinas . Las purinas son adenina y guanina . Las purinas constan de una estructura de doble anillo, un anillo de seis miembros y un anillo de cinco miembros que contienen nitrógeno. Las pirimidinas son citosina y timina . Tiene una estructura de anillo único, un anillo de seis miembros que contiene nitrógeno. Una base de purina siempre se empareja con una base de pirimidina (pares de guanina (G) con citosina (C) y pares de adenina (A) con timina (T) o uracilo (U)). La estructura secundaria del ADN se determina predominantemente mediante el emparejamiento de bases de las dos cadenas de polinucleótidos envueltas entre sí para formar una doble hélice . Aunque las dos hebras están alineadas por enlaces de hidrógeno en pares de bases, las fuerzas más fuertes que mantienen juntas las dos hebras son las interacciones de apilamiento entre las bases. Estas interacciones de apilamiento están estabilizadas por las fuerzas de Van der Waals y las interacciones hidrófobas, y muestran una gran cantidad de variabilidad estructural local. [7] También hay dos surcos en la doble hélice, que se denominan surco mayor y surco menor en función de su tamaño relativo.
ARN
La estructura secundaria del ARN consta de un solo polinucleótido. El apareamiento de bases en el ARN ocurre cuando el ARN se pliega entre regiones de complementariedad. Tanto las regiones monocatenarias como las bicatenarias se encuentran a menudo en las moléculas de ARN.
Los cuatro elementos básicos de la estructura secundaria del ARN son:
- Helices
- Protuberancias
- Bucles
- Uniones
Las hebras antiparalelas forman una forma helicoidal. [3] Las protuberancias y los bucles internos se forman mediante la separación del haz de doble hélice en una hebra (protuberancia) o en ambas hebras (bucles internos) por nucleótidos no apareados.
El bucle de vástago o de horquilla es el elemento más común de la estructura secundaria del ARN. [8] El vástago-bucle se forma cuando las cadenas de ARN se pliegan sobre sí mismas para formar un tracto de doble hélice llamado "vástago", los nucleótidos no apareados forman una región monocatenaria llamada "bucle". [9] Un tetraloop es una estructura de ARN en horquilla de cuatro pares de bases. Hay tres familias comunes de tetraloop en el ARN ribosómico: UNCG , GNRA y CUUG ( N es uno de los cuatro nucleótidos y R es una purina). UNCG es el tetraloop más estable. [10]
El pseudonudo es una estructura secundaria de ARN identificada por primera vez en el virus del mosaico amarillo del nabo . [11] Los pseudonudos se forman cuando los nucleótidos del par de horquilla-bucle con una región de una sola hebra fuera de la horquilla para formar un segmento helicoidal. Los pseudonudos de pliegue tipo H se caracterizan mejor. En el pliegue tipo H, los nucleótidos en el par de bucle de horquilla con las bases fuera del tallo de horquilla forman un segundo tallo y bucle. Esto provoca la formación de pseudonudos con dos tallos y dos bucles. [12] Los pseudonudos son elementos funcionales en la estructura del ARN que tienen diversas funciones y se encuentran en la mayoría de las clases de ARN.
La estructura secundaria del ARN se puede predecir mediante datos experimentales sobre los elementos de la estructura secundaria, hélices, bucles y protuberancias. El método DotKnot-PW se utiliza para la predicción comparativa de pseudonudos. Los puntos principales en el método DotKnot-PW es puntuar las similitudes encontradas en tallos, elementos secundarios y pseudonudos tipo H. [13]
Estructura terciaria
La estructura terciaria se refiere a las ubicaciones de los átomos en el espacio tridimensional, teniendo en cuenta las restricciones geométricas y estéricas . Es un orden más alto que la estructura secundaria, en la que se produce un plegado a gran escala en un polímero lineal y toda la cadena se pliega en una forma tridimensional específica. Hay 4 áreas en las que las formas estructurales del ADN pueden diferir.
- Habilidad - derecha o izquierda
- Longitud del giro de la hélice
- Número de pares de bases por turno
- Diferencia de tamaño entre los surcos mayor y menor [3]
La disposición terciaria de la doble hélice del ADN en el espacio incluye B-ADN , A-ADN y Z-ADN .
El B-DNA es la forma más común de DNA in vivo y es una hélice más estrecha y alargada que el A-DNA. Su amplio surco mayor lo hace más accesible a las proteínas. Por otro lado, tiene un estrecho surco menor. Las conformaciones favorecidas del B-DNA ocurren a altas concentraciones de agua; la hidratación del surco menor parece favorecer al B-DNA. Los pares de bases de B-DNA son casi perpendiculares al eje de la hélice. El fruncido de azúcar que determina la forma de la hélice a, si la hélice existirá en la forma A o en la forma B, se produce en el C2'-endo. [14]
El A-ADN es una forma del dúplex de ADN que se observa en condiciones de deshidratación. Es más corto y más ancho que el B-DNA. El ARN adopta esta forma de doble hélice y los dúplex de ARN-ADN son en su mayoría de forma A, pero se han observado dúplex de ARN-ADN de forma B. [15] En contextos de dinucleótidos monocatenarios localizados, el ARN también puede adoptar la forma B sin emparejarse con el ADN. [16] El ADN-A tiene un surco principal profundo y estrecho que no lo hace fácilmente accesible para las proteínas. Por otro lado, su surco menor ancho y poco profundo lo hace accesible a las proteínas pero con menor contenido de información que el surco mayor. Su conformación preferida es a bajas concentraciones de agua. Los pares de bases de A-DNA están inclinados con respecto al eje de la hélice y se desplazan desde el eje. El fruncido de azúcar se produce en el C3'-endo y en el ARN 2'-OH inhibe la conformación C2'-endo. [14] Considerado durante mucho tiempo poco más que un artificio de laboratorio, ahora se sabe que el ADN-A tiene varias funciones biológicas .
Z-DNA es una doble hélice zurda relativamente rara. Dada la secuencia adecuada y la tensión superhelical, se puede formar in vivo, pero su función no está clara. Tiene una hélice más estrecha y alargada que A o B. El surco principal del ADN-Z no es realmente un surco, y tiene un surco menor estrecho. La conformación más favorecida ocurre cuando hay altas concentraciones de sal. Hay algunas sustituciones de bases pero requieren una secuencia alterna de purina-pirimidina. El N2-amino de G H se une a 5 'PO, lo que explica el lento intercambio de protones y la necesidad de G purina. Los pares de bases de Z-DNA son casi perpendiculares al eje de la hélice. El ADN-Z no contiene pares de bases únicos, sino más bien una repetición de GpC con distancias de PP que varían para GpC y CpG. En la pila de GpC hay una buena superposición de bases, mientras que en la pila de CpG hay menos superposición. La estructura en zigzag de Z-DNA se debe a la conformación del azúcar C que compensa la conformación del enlace glucosídico G. La conformación de G es syn, C2'-endo; para C es anti, C3'-endo. [14]
Una molécula de ADN lineal que tiene extremos libres puede rotar, para adaptarse a los cambios de varios procesos dinámicos en la célula, cambiando cuántas veces las dos cadenas de su doble hélice se retuercen entre sí. Algunas moléculas de ADN son circulares y están topológicamente restringidas. Más recientemente, también se describió que el ARN circular es una clase de ácidos nucleicos generalizados y naturales, expresados en muchos organismos (ver CircRNA ).
Un ADN circular covalentemente cerrado (también conocido como cccDNA) está topológicamente limitado ya que el número de veces que las cadenas enrolladas entre sí no pueden cambiar. Este cccDNA puede estar superenrollado , que es la estructura terciaria del ADN. El superenrollamiento se caracteriza por el número de enlace, torsión y retorcimiento. El número de enlace (Lk) para el ADN circular se define como el número de veces que una hebra tendría que pasar a través de la otra hebra para separar completamente las dos hebras. El número de enlace del ADN circular solo se puede cambiar rompiendo un enlace covalente en una de las dos hebras. Siempre un número entero, el número de enlace de un cccDNA es la suma de dos componentes: giros (Tw) y retorcimientos (Wr). [17]
Los giros son la cantidad de veces que las dos hebras de ADN se entrelazan entre sí. Los retorcimientos son el número de veces que la hélice de ADN se cruza sobre sí misma. El ADN de las células está superenrollado negativamente y tiene tendencia a desenrollarse. Por tanto, la separación de las hebras es más fácil en el ADN superenrollado negativamente que en el ADN relajado. Los dos componentes del ADN superenrollado son solenoide y plectonémico. El superenrollamiento plectonémico se encuentra en procariotas, mientras que el superenrollamiento solenoidal se observa principalmente en eucariotas.
Estructura cuaternaria
La estructura cuaternaria de los ácidos nucleicos es similar a la de la estructura cuaternaria de las proteínas . Aunque algunos de los conceptos no son exactamente iguales, la estructura cuaternaria se refiere a un nivel superior de organización de los ácidos nucleicos. Además, se refiere a las interacciones de los ácidos nucleicos con otras moléculas. La forma más común de organización de ácidos nucleicos de alto nivel se observa en la forma de cromatina, que conduce a sus interacciones con las pequeñas proteínas histonas . Además, la estructura cuaternaria se refiere a las interacciones entre unidades de ARN separadas en el ribosoma o espliceosoma . [18]
Ver también
- Estructura biomolecular
- Reticulación de ADN
- Nanotecnología de ADN
- Superenrollamiento de ADN
- Estructura genética
- Modelos no helicoidales de la estructura del ADN
- Diseño de ácido nucleico
- Doble hélice de ácido nucleico
- Determinación de la estructura del ácido nucleico (experimental)
- Predicción de la estructura del ácido nucleico (computacional)
- Termodinámica de ácidos nucleicos
- Estructura proteica
Referencias
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