Estructura de ADN y ARN: ácidos nucleicos como material genético
Por john brunstein
17 de enero de 2013
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El mes pasado ( problemas clínicos ), cubrimos la definición de diagnóstico molecular (MDx) como la detección de ácidos nucleicos para proporcionar información clínica. Los métodos utilizados para hacerlo, así como las funciones biológicas intrínsecas del ADN y el ARN en el almacenamiento y la transmisión de la información genética de un organismo, resultan estar íntimamente relacionados con sus estructuras físicas. Como precursor para comprender los métodos MDx, debemos centrar nuestra atención este mes en la estructura de ADN y ARN.
Tabla 1. Nombres de las bases de ADN, nucleósidos y nucleótidos.
El ADN se considera mejor en términos de sus subpartes constituyentes. El lector probablemente sea consciente de que hay cuatro de estas subpartes, y que cada una de las cuatro consiste en una molécula heterocíclica que contiene nitrógeno (la base nitrogenada, o simplemente “base”, en contexto); la base está unida covalentemente a un azúcar de 5 carbonos (2 ‘- desoxirribosa), y la base más el azúcar se denominan “nucleósidos”; y el nucleósido con la adición covalente de uno, dos o tres grupos fosfato al carbono 5 ‘, que forman respectivamente un mono, di o trifosfato de nucleósidos (denominados colectivamente como un “nucleótido”). La Tabla 1 da los nombres de cada una de estas 12 moléculas, y la Figura 1 muestra las estructuras para las cuatro bases, más un ejemplo de desoxiadenilato con las porciones de base, nucleósido y nucleótido marcadas. Para los otros nucleósidos y nucleótidos, el lector puede imaginar el intercambio de la parte base de la estructura.
Hemos sido apropiados aquí e incluimos la parte “desoxi” de cada nombre, lo que significa que es un componente de ADN con un azúcar 2′-desoxirribosa que estamos discutiendo. De uso común, a veces esta “desoxi” se abrevia como “d -” o, a menudo, si el contexto está discutiendo claramente sobre el ADN, se omite por completo.
Figura 1. Estructuras de las bases, con adenina / adenosina / adenilato como ejemplo de formas de nucleósidos y nucleótidos.
Considere la figura 1 . Primero, en la porción de desoxirribosa, los carbonos etiquetados 2 ‘(pronunciado “2 primos”), 3’ y 5 ‘han sido etiquetados. La posición 2 ‘aquí no tiene azúcar (por lo tanto, es 2′-desoxirribosa), las partes reactivas de la molécula son el 3’ -OH, y los grupos fosfato están unidos a la posición 5 ‘. Volveremos a esto más tarde. En segundo lugar, observe las bases y observe los grupos –NH, N y = O en el anillo o exocíclico (sobresaliendo). Estos forman un conjunto de donantes y aceptores de bonos H, como se discutió el mes pasado. Es importante tener en cuenta que cada base tiene su propio patrón único de estos. Tenga en cuenta también que dos de las bases (adenina y guanina) son estructuras grandes de dos anillos (purinas), mientras que la citosina y la timina son entidades más pequeñas de un solo anillo (pirimidinas).
Inicialmente, una molécula de ADN está compuesta por una cadena de monofosfatos de nucleósidos (NMP) unidos por enlaces covalentes entre el 3 ‘-OH de una subunidad y el grupo fosfato (alfa) más interno en el extremo 5’ de otro NMP (los otros dos los grupos fosfato se liberan en la reacción de unión). El extremo 3 ‘de este NMP se une luego al fosfato alfa 5’ de otro NMP, y así sucesivamente, para crear una cadena larga y monocatenaria de NMP. Juntas, las partes de azúcar y fosfato forman una columna vertebral repetitiva de esta hebra, con las bases sobresaliendo hacia un lado. La cadena todavía tiene exactamente un extremo libre y reactivo de 5 ‘y en el extremo opuesto, un grupo libre y reactivo de 3’ -OH. Esto se conoce como la polaridad de la cadena, y por convención consideramos cadenas de ADN individuales desde sus extremos 5 ‘hacia sus extremos 3’. Como la columna vertebral es exactamente la misma unidad de repetición, los NMP se pueden unir en cualquier orden, y generalmente nos referimos a este orden simplemente nombrando el orden 5 ‘a 3’ de los componentes base como 5′-ACTGAATGCA-3 ‘ o 5′-TGGATC-3 ′. Las cadenas de aproximadamente 6 a 50 nucleótidos unidos se denominan genéricamente oligonucleótidos, mientras que las cadenas más largas son polinucleótidos.
Es en tales polinucleótidos que el ADN gana su utilidad biológica. Si hay dos cadenas de ADN y orientan sus polaridades en direcciones opuestas (antiparalelas) entre sí, sus bases pueden interactuar y unirse entre sí, pero solo bajo una regla estricta. Una adenina en una cadena puede alinear a sus donantes y aceptores de enlaces H con una timina en la cadena opuesta, formando un total de 2 enlaces H; y una guanina puede alinearse de manera similar con una citosina, formando 3 enlaces H. Este emparejamiento específico se denomina secuencias o hebras que son complementarias. Notarás que cada par de bases consiste en una purina y una pirimidina, de modo que el espacio entre las columnas principales es el mismo en un par de bases A: T y un par de bases G: C. Esta regularidad a lo largo de dos largos filamentos antiparalelos conduce a la famosa y repetida estructura de ADN de “doble hélice” que es familiar para todos. Debido a la complementariedad, el conocimiento de la secuencia de bases en una cadena define automáticamente para nosotros la secuencia de bases en la segunda cadena antiparalela. Por ejemplo, a partir de nuestros ejemplos en el párrafo anterior, las cadenas antiparalelas tendrían que ser 5′-TGCATTCAGT-3 ‘y 5′-GATCCA-3’. (Si el lector no está seguro de esto, intente escribirlos en una hoja de papel, con una secuencia sobre la otra y los extremos 5 ‘de cada filamento en los extremos opuestos; luego observe cómo las reglas de emparejamiento A: T y G: C siempre se observan).
¿Qué mantiene unidos los dos hilos de la doble hélice? Recordemos que la analogía de los enlaces H “no-realmente-precisa-pero-mentalmente útil” del mes pasado es como pequeños imanes. Cuando dos cadenas simples de ADN pueden alinearse entre sí, cada uno de los enlaces H que se pueden formar entre los pares de bases A: T y G: C correctos tiene una pequeña energía atractiva. Individualmente, cada enlace H formado es bastante débil, pero cuando varios de ellos ocurren en serie, como entre dos cadenas complementarias, el efecto es aditivo y el resultado es una fuerza neta no covalente pero fuerte que mantiene las cadenas juntas. Si los hilos no son complementarios, entonces los donantes y aceptores de bonos H no se alinean, y esta fuerza de atracción colectiva no está presente para mantenerlos unidos. Además, si dos hebras no complementarias intentan emparejar dos purinas, son físicamente demasiado grandes para que ambas quepan entre la columna vertebral; y si se colocan dos pirimidinas una frente a la otra, son demasiado pequeñas y sus respectivos donantes y aceptores de enlaces H no solo no coinciden, sino que también están demasiado separados para interactuar efectivamente. Solo un par purina-pirimidina tiene el tamaño correcto, y solo los conjuntos A: T y G: C coinciden con las capacidades de unión H del otro.
Preguntar qué es lo que mantiene juntas dos cadenas de ADN presupone que hay alguna otra fuerza que intenta separarlas. La hay, y esa fuerza no es otra que calor. El calor, después de todo, es solo un movimiento aleatorio de las moléculas, y la fuerza de este movimiento vibratorio depende de la temperatura. A rangos de temperatura fisiológica, la energía térmica en cualquier nucleótido es más que la energía que puede encontrar en sus enlaces H complementarios. Por lo tanto, un adenilato libre en una célula no se empareja automáticamente con el primer timidilato que pasa; Sus energías vibracionales los separan a medida que superan sus fuerzas netas de atracción. A medida que dos cadenas complementarias se alargan, entra en juego la naturaleza aditiva de las energías de enlace H, y en un número total de enlaces H potenciales entre dos cadenas de ADN individuales, su energía supera las energías vibracionales dependientes de la temperatura, y las dos cadenas se adhieren juntos. La temperatura exacta depende de la longitud de las moléculas de ADN (las cadenas más largas de nucleótidos tienen más bases y, por lo tanto, más enlaces H potenciales) y también la secuencia; como se mencionó anteriormente, un par de bases A: T tiene dos enlaces H, mientras que un par de bases G: C tiene tres, por lo que las secuencias con más “contenido G: C” se unen más fuertemente que las secuencias con más pares de bases A: T.
El proceso por el cual las cadenas de ADN complementarias se encuentran y emparejan sus enlaces H para vencer eficazmente las energías térmicas que intentan separarlas se conoce como recocido, y dos cadenas de ADN unidas entre sí se denominan recocidas. La fuerza atractiva entre dos hilos recocidos es un valor fijo basado en el número total de enlaces H; La energía térmica que actúa para tratar de hacer vibrar las hebras, por supuesto, no es fija y puede manipularse calentando o enfriando el medio ambiente. Si el ambiente se calienta hasta el punto en que la energía térmica supera la fuerza atractiva entre dos cadenas de ADN, la vibración gana y las cadenas se separan o desnaturalizan. La temperatura a la que la energía térmica coincide exactamente con la energía del enlace H para una secuencia de ADN determinada, y las hebras se ciernen entre el recocido y la desnaturalización, se conoce como temperatura de fusión o Tm de la secuencia. Para tener una idea de los rangos de energía y temperatura aquí, una secuencia de ADN de aproximadamente el mismo número de pares de bases A: T y G: C, aproximadamente 13 pares de bases de longitud total, tiene una Tm de alrededor de 37 ° C, mientras que una similar La secuencia aleatoria de aproximadamente 20 bases tiene una Tm de aproximadamente 51 ° C. Hacer secuencias más largas o más ricas en G: C aumenta la Tm, pero hay un límite; cualquier secuencia de ADN se desnaturalizará efectivamente a medida que su entorno se acerque a 100 ° C y el entorno acuoso comience un cambio de fase de líquido a gas. De hecho, dado que el solvente no es agua pura, la temperatura límite a la que se desnaturalizan esencialmente todas las secuencias de ADN es ligeramente menor, en el rango de 95 ° C. Más adelante veremos cómo las técnicas MDx utilizan los procesos de recocido y desnaturalización mediante la manipulación de la temperatura como núcleo de múltiples métodos.
Cerraremos la sección de este mes con una breve consideración del ácido ribonucleico (ARN). Si bien es químicamente similar al ADN, tiene algunas diferencias críticas que pueden resumirse brevemente:
- El ARN usa ribosa como su componente de azúcar. A diferencia de la 2′-desoxirribosa que se muestra en la Figura 1 , la ribosa tiene un grupo -OH adicional en la posición 2 ‘marcada de esta figura. Una consecuencia de esto es que el ARN es menos estable químicamente que el ADN, lo que lo hace más adecuado biológicamente como una molécula mensajera de vida corta y menos adecuado para ser el depósito a largo plazo de la información genética de un organismo. Esto ayuda a explicar por qué ningún organismo vivo, y solo algunos virus, usan ARN en esta función genómica.
- Tres de las cuatro bases que se encuentran en el ADN (adenina, guanina y citosina) también se encuentran en el ARN. Sin embargo, la timina no ocurre en el ARN; en cambio, el uracilo base (idéntico a la timina, excepto que carece del grupo exocíclico –CH3) toma su lugar.
- El ARN puede existir tanto en formas monocatenarias como bicatenarias; sin embargo, incluso las formas monocatenarias a menudo se pliegan sobre sí mismas donde esto puede generar regiones emparejadas de base de doble cadena. Estas regiones de doble cadena siguen las mismas reglas que el ADN: son antiparalelas con respecto a la columna vertebral, y los pares de bases permitidos son A: U y G: C.
La mayoría de MDx se enfoca en el ADN como objetivo, y nosotros también. Sin embargo, el ARN también puede ser un objetivo MDx útil y, cuando esto sea así, generalmente abordaremos el tema como lo hemos hecho aquí, con una discusión detallada del caso de ADN y luego un breve resumen de cómo esto difiere para el ARN.
