Doble hélice (ácido nucleico)
En biología molecular, el término doble hélice se refiere a la estructura formada por moléculas de doble cadena de ácidos nucleicos como el ADN. La estructura de doble hélice de un complejo de ácido nucleico surge como consecuencia de su estructura secundaria, y es un componente fundamental en la determinación de su estructura terciaria. El término entró en la cultura popular con la publicación en 1968 de The Double Helix: A Personal Account of the Discovery of the Structure of DNA de James Watson.
El biopolímero de doble hélice de ADN del ácido nucleico se mantiene unido por nucleótidos cuyas bases se emparejan. En B-DNA, la estructura de doble hélice más común que se encuentra en la naturaleza, la doble hélice es dextrógira con alrededor de 10 a 10,5 pares de bases por vuelta. La estructura de doble hélice del ADN contiene un surco mayor y un surco menor. En B-DNA, el surco mayor es más ancho que el surco menor. Dada la diferencia en el ancho del surco mayor y el surco menor, muchas proteínas que se unen al ADN-B lo hacen a través del surco mayor más ancho.
Historia
El modelo de doble hélice de la estructura del ADN fue publicado por primera vez en la revista Nature por James Watson y Francis Crick en 1953 (coordenadas X,Y,Z en 1954) basado en el trabajo de Rosalind Franklin y su estudiante Raymond Gosling, quienes tomaron la imagen crucial de difracción de rayos X del ADN etiquetada como "Foto 51", y Maurice Wilkins, Alexander Stokes y Herbert Wilson, e información química y bioquímica de emparejamiento de bases por Erwin Chargaff. El modelo anterior era ADN de triple cadena.
La comprensión de que la estructura del ADN es la de una doble hélice aclaró el mecanismo de apareamiento de bases mediante el cual la información genética se almacena y copia en los organismos vivos y se considera uno de los descubrimientos científicos más importantes del siglo XX. Crick, Wilkins y Watson recibieron cada uno un tercio del Premio Nobel de Fisiología o Medicina de 1962 por sus contribuciones al descubrimiento.
Hibridación de ácidos nucleicos
La hibridación es el proceso de unión de pares de bases complementarias para formar una doble hélice. La fusión es el proceso por el cual se rompen las interacciones entre las hebras de la doble hélice, separando las dos hebras de ácido nucleico. Estos enlaces son débiles, se separan fácilmente mediante calentamiento suave, enzimas o fuerza mecánica. La fusión se produce preferentemente en ciertos puntos del ácido nucleico. Las regiones ricas en T y A se funden más fácilmente que las regiones ricas en C y G. Algunos pasos (pares) de bases también son susceptibles a la fusión del ADN, como TA y TG. Estas características mecánicas se reflejan en el uso de secuencias como TATA al comienzo de muchos genes para ayudar a la ARN polimerasa a fundir el ADN para la transcripción.
La separación de cadenas mediante calentamiento suave, como se usa en la reacción en cadena de la polimerasa (PCR), es simple, siempre que las moléculas tengan menos de 10 000 pares de bases (10 kilopares de bases o 10 kpb). El entrelazamiento de las hebras de ADN hace que los segmentos largos sean difíciles de separar. La célula evita este problema al permitir que sus enzimas que derriten el ADN (helicasas) trabajen simultáneamente con las topoisomerasas, que pueden escindir químicamente el esqueleto de fosfato de una de las cadenas para que pueda girar alrededor de la otra. Las helicasas desenrollan las hebras para facilitar el avance de las enzimas de lectura de secuencias, como la ADN polimerasa.
Geometría de pares de bases
La geometría de un paso de base o par de bases se puede caracterizar por 6 coordenadas: desplazamiento, deslizamiento, elevación, inclinación, balanceo y giro. Estos valores definen con precisión la ubicación y orientación en el espacio de cada base o par de bases en una molécula de ácido nucleico en relación con su predecesor a lo largo del eje de la hélice. Juntos, caracterizan la estructura helicoidal de la molécula. En regiones de ADN o ARN donde la estructura normal se altera, el cambio en estos valores se puede utilizar para describir dicha alteración.
Para cada par de bases, considerado en relación con su predecesor, hay que considerar las siguientes geometrías de pares de bases:
- Cortar
- Estirar
- Tambalear
- Hebilla
- Hélice: rotación de una base con respecto a la otra en el mismo par de bases.
- Apertura
- Desplazamiento: desplazamiento a lo largo de un eje en el plano del par de bases perpendicular al primero, dirigido desde el surco menor al mayor.
- Deslizamiento: desplazamiento a lo largo de un eje en el plano del par de bases dirigido de una hebra a la otra.
- Rise: desplazamiento a lo largo del eje de la hélice.
- Inclinación: rotación alrededor del eje de desplazamiento.
- Roll: rotación alrededor del eje de deslizamiento.
- Giro: rotación alrededor del eje de subida.
- x-desplazamiento
- desplazamiento y
- inclinación
- inclinar
- paso: la altura por vuelta completa de la hélice.
Rise y twist determinan la lateralidad y el paso de la hélice. Las otras coordenadas, por el contrario, pueden ser cero. El deslizamiento y el cambio suelen ser pequeños en B-DNA, pero son sustanciales en A- y Z-DNA. El giro y la inclinación hacen que los pares de bases sucesivos sean menos paralelos y, por lo general, son pequeños.
Tenga en cuenta que "inclinación" a menudo se ha utilizado de manera diferente en la literatura científica, refiriéndose a la desviación del primer eje del par de bases entre hebras de la perpendicularidad al eje de la hélice. Esto corresponde al deslizamiento entre una sucesión de pares de bases, y en coordenadas basadas en hélices se denomina correctamente "inclinación".
Geometrías de hélice
Se cree que al menos tres conformaciones de ADN se encuentran en la naturaleza, A-DNA, B-DNA y Z-DNA. Se cree que la forma B descrita por James Watson y Francis Crick predomina en las células. Tiene 23,7 Å de ancho y se extiende 34 Å por 10 pb de secuencia. La doble hélice da una vuelta completa alrededor de su eje cada 10,4 a 10,5 pares de bases en solución. Esta frecuencia de torsión (denominada paso helicoidal) depende en gran medida de las fuerzas de apilamiento que cada base ejerce sobre sus vecinas en la cadena. La configuración absoluta de las bases determina la dirección de la curva helicoidal para una conformación dada.
A-DNA y Z-DNA difieren significativamente en su geometría y dimensiones de B-DNA, aunque todavía forman estructuras helicoidales. Durante mucho tiempo se pensó que la forma A solo se presenta en muestras deshidratadas de ADN en el laboratorio, como las que se utilizan en experimentos cristalográficos, y en apareamientos híbridos de hebras de ADN y ARN, pero la deshidratación del ADN se produce in vivo y el ADN-A es Ahora se sabe que tiene funciones biológicas. Los segmentos de ADN que las células han metilado con fines reguladores pueden adoptar la geometría Z, en la que las hebras giran alrededor del eje helicoidal en dirección opuesta a A-DNA y B-DNA. También hay evidencia de complejos proteína-ADN que forman estructuras Z-ADN.
Son posibles otras conformaciones; Hasta ahora se han descrito A-DNA, B-DNA, C-DNA, E-DNA, L -DNA (la forma enantiomérica de D -DNA), P-DNA, S-DNA, Z-DNA, etc. De hecho, solo las letras F, Q, U, V e Y ahora están disponibles para describir cualquier nueva estructura de ADN que pueda aparecer en el futuro. Sin embargo, la mayoría de estas formas se han creado sintéticamente y no se han observado en sistemas biológicos naturales. También hay formas de ADN de triple cadena y formas cuádruplex como el G-quadruplex y el i-motif.
| Atributo de geometría | ADN-A | B-ADN | Z-ADN |
|---|---|---|---|
| Sentido de la hélice | diestro | diestro | zurdo |
| unidad de repetición | 1 pb | 1 pb | 2 pb |
| Rotación/pb | 32,7° | 34,3° | 60°/2 |
| pb/turno | 11 | 10.5 | 12 |
| Inclinación de pb al eje | +19° | −1,2° | −9° |
| Aumento/pb a lo largo del eje | 2,3 Å (0,23 nm) | 3,32 Å (0,332 nm) | 3,8 Å (0,38 nm) |
| Paso/giro de hélice | 28,2 Å (2,82 nm) | 33,2 Å (3,32 nm) | 45,6 Å (4,56 nm) |
| Giro medio de la hélice | +18° | +16° | 0° |
| Ángulo de glucosilo | anti | anti | C: anti,G: sin |
| fruncido de azúcar | C3'-endo | C2'-endo | C: C2'-endo,G: C2'-exo |
| Diámetro | 23 Å (2,3 nm) | 20 Å (2,0 nm) | 18 Å (1,8 nm) |
Surcos
Las hebras helicoidales gemelas forman la columna vertebral del ADN. Se puede encontrar otra doble hélice rastreando los espacios, o ranuras, entre las hebras. Estos huecos son adyacentes a los pares de bases y pueden proporcionar un sitio de unión. Como las hebras no están directamente opuestas entre sí, las ranuras tienen tamaños desiguales. Un surco, el surco mayor, tiene 22 Å de ancho y el otro, el surco menor, tiene 12 Å de ancho. La estrechez del surco menor hace que los bordes de las bases sean más accesibles en el surco mayor. Como resultado, las proteínas como los factores de transcripción que pueden unirse a secuencias específicas en el ADN de doble cadena generalmente hacen contacto con los lados de las bases expuestas en el surco principal. Esta situación varía en conformaciones inusuales de ADN dentro de la célula (ver más abajo), pero los surcos mayor y menor siempre se nombran para reflejar las diferencias de tamaño que se verían si el ADN se torciera de nuevo a la forma B ordinaria.
Formas de no doble hélice
Los modelos no helicoidales alternativos se consideraron brevemente a fines de la década de 1970 como una posible solución a los problemas de replicación del ADN en plásmidos y cromatina. Sin embargo, los modelos se dejaron de lado a favor del modelo de doble hélice debido a los avances experimentales posteriores, como la cristalografía de rayos X de los dúplex de ADN y más tarde la partícula del núcleo del nucleosoma, y el descubrimiento de las topoisomerasas. Además, los modelos sin doble hélice no son aceptados actualmente por la comunidad científica dominante.
Doblado
El ADN es un polímero relativamente rígido, típicamente modelado como una cadena parecida a un gusano. Tiene tres grados significativos de libertad; flexión, torsión y compresión, cada uno de los cuales causa ciertos límites en lo que es posible con el ADN dentro de una célula. La rigidez de torsión y torsión es importante para la circularización del ADN y la orientación de las proteínas unidas al ADN entre sí, y la rigidez de flexión axial es importante para la envoltura y circularización del ADN y las interacciones de proteínas. La compresión-extensión es relativamente poco importante en ausencia de alta tensión.
Longitud de persistencia, rigidez axial
| Secuencia | Longitud de persistencia/pares de bases |
|---|---|
| Aleatorio | 154±10 |
| (CA) repetir | 133±10 |
| (CAG) repetir | 124±10 |
| (TATA) repetir | 137±10 |
El ADN en solución no adopta una estructura rígida, sino que cambia continuamente de conformación debido a la vibración térmica y las colisiones con las moléculas de agua, lo que hace que las medidas clásicas de rigidez sean imposibles de aplicar. Por lo tanto, la rigidez a la flexión del ADN se mide por la longitud de persistencia, definida como:
La longitud de ADN sobre la cual la orientación promediada en el tiempo del polímero deja de estar correlacionada por un factor de e.
Este valor se puede medir directamente usando un microscopio de fuerza atómica para obtener imágenes directas de moléculas de ADN de varias longitudes. En una solución acuosa, la longitud de persistencia promedio es de 46 a 50 nm o de 140 a 150 pares de bases (el diámetro del ADN es de 2 nm), aunque puede variar significativamente. Esto hace que el ADN sea una molécula moderadamente rígida.
La duración de la persistencia de una sección de ADN depende en cierta medida de su secuencia, y esto puede causar una variación significativa. La variación se debe en gran parte a las energías de apilamiento de la base y los residuos que se extienden hacia los surcos mayor y menor.
Modelos para la flexión del ADN
| Paso | Apilamiento ΔG/kcal mol |
|---|---|
| ejército de reserva | -0.19 |
| TG o CA | -0.55 |
| C.G. | -0.91 |
| AG o CT | -1.06 |
| AA o TT | -1.11 |
| EN | -1.34 |
| GA o TC | -1.43 |
| CC o GG | -1.44 |
| CA o GT | -1.81 |
| CG | -2.17 |
En escalas de longitud mayores que la longitud de persistencia, la flexibilidad entrópica del ADN es notablemente consistente con los modelos estándar de física de polímeros, como el modelo de cadena similar a un gusano de Kratky-Porod. De acuerdo con el modelo de cadena similar a un gusano es la observación de que la ley de Hooke también describe la flexión del ADN en fuerzas muy pequeñas (sub-piconewton). Para segmentos de ADN menores que la longitud de persistencia, la fuerza de flexión es aproximadamente constante y el comportamiento se desvía de las predicciones de la cadena similar a un gusano.
Este efecto da como resultado una facilidad inusual para circularizar pequeñas moléculas de ADN y una mayor probabilidad de encontrar secciones de ADN muy dobladas.
Preferencia de flexión
Las moléculas de ADN a menudo tienen una dirección preferida para doblarse, es decir, doblarse anisotrópicamente. Esto se debe, de nuevo, a las propiedades de las bases que componen la secuencia de ADN: una secuencia aleatoria no tendrá una dirección de curvatura preferida, es decir, curvatura isotrópica.
La dirección de curvatura preferida del ADN está determinada por la estabilidad de apilar cada base sobre la siguiente. Si siempre se encuentran pasos de apilamiento de bases inestables en un lado de la hélice de ADN, entonces el ADN se doblará preferentemente en esa dirección. A medida que aumenta el ángulo de curvatura, también juegan un papel los obstáculos estéricos y la capacidad de hacer rodar los residuos entre sí, especialmente en el surco menor. Los residuos A y T se encontrarán preferentemente en las ranuras menores del interior de las curvas. Este efecto se ve particularmente en la unión de proteínas de ADN donde se induce una flexión estricta del ADN, como en las partículas de nucleosoma. Vea las distorsiones de paso base arriba.
Las moléculas de ADN con una preferencia de flexión excepcional pueden doblarse intrínsecamente. Esto se observó por primera vez en el ADN del cinetoplasto tripanosomátido. Las secuencias típicas que causan esto contienen tramos de 4-6 residuos T y A separados por secciones ricas en G y C que mantienen los residuos A y T en fase con el surco menor en un lado de la molécula. Por ejemplo:
| ¦ | ¦ | ¦ | ¦ | ¦ | ¦ | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| GRAMO | UN | T | T | C | C | C | UN | UN | UN | UN | UN | T | GRAMO | T | C | UN | UN | UN | UN | UN | UN | T | UN | GRAMO | GRAMO | C | UN | UN | UN | UN | UN | UN | T | GRAMO | C | C | UN | UN | UN | UN | UN | UN | T | C | C | C | UN | UN | UN | C |
La estructura intrínsecamente doblada es inducida por el "giro de hélice" de los pares de bases entre sí, lo que permite enlaces de hidrógeno bifurcados inusuales entre los pasos de base. A temperaturas más altas, esta estructura se desnaturaliza y, por lo tanto, se pierde la curvatura intrínseca.
Todo el ADN que se dobla anisotrópicamente tiene, en promedio, una longitud de persistencia más larga y una mayor rigidez axial. Esta mayor rigidez es necesaria para evitar la flexión aleatoria que haría que la molécula actuara isotrópicamente.
Circularización
La circularización del ADN depende tanto de la rigidez axial (flexión) como de la rigidez torsional (rotacional) de la molécula. Para que una molécula de ADN circule con éxito, debe ser lo suficientemente larga como para doblarse fácilmente en un círculo completo y debe tener el número correcto de bases para que los extremos estén en la rotación correcta para permitir que se produzca la unión. La longitud óptima para la circularización del ADN es de alrededor de 400 pares de bases (136 nm), con un número entero de vueltas de la hélice del ADN, es decir, múltiplos de 10,4 pares de bases. Tener un número no integral de vueltas presenta una barrera de energía significativa para la circularización, por ejemplo, una molécula de 10,4 x 30 = 312 pares de bases circulará cientos de veces más rápido que una molécula de 10,4 x 30,5 ≈ 317 pares de bases.
La flexión de segmentos cortos de ADN circularizados no es uniforme. Más bien, para segmentos de ADN circularizados menores que la longitud de persistencia, la flexión del ADN se localiza en 1-2 torceduras que se forman preferentemente en segmentos ricos en AT. Si hay una muesca, la flexión se localizará en el sitio de la muesca.
Extensión
Régimen de estiramiento elástico
Los tramos más largos de ADN son entrópicamente elásticos bajo tensión. Cuando el ADN está en solución, sufre continuas variaciones estructurales debido a la energía disponible en el baño térmico del solvente. Esto se debe a la vibración térmica de la molécula combinada con colisiones continuas con las moléculas de agua. Por razones entrópicas, los estados relajados más compactos son térmicamente accesibles que los estados estirados, por lo que las moléculas de ADN se encuentran casi universalmente en diseños relajados enredados. Por esta razón, una molécula de ADN se estirará bajo una fuerza, enderezándose. Usando pinzas ópticas, el comportamiento de estiramiento entrópico del ADN se ha estudiado y analizado desde una perspectiva de física de polímeros, y se ha descubierto que el ADN se comporta en gran medida como Kratky-Porod.modelo de cadena similar a un gusano bajo escalas de energía fisiológicamente accesibles.
Transiciones de fase bajo estiramiento
Bajo suficiente tensión y torque positivo, se cree que el ADN experimenta una transición de fase con las bases extendiéndose hacia afuera y los fosfatos moviéndose hacia el medio. Esta estructura propuesta para el ADN sobreestirado se ha denominado ADN en forma de P, en honor a Linus Pauling, quien originalmente la presentó como una posible estructura del ADN.
La evidencia del estiramiento mecánico del ADN en ausencia de un par de torsión impuesto apunta a una transición o transiciones que conducen a otras estructuras que generalmente se denominan ADN en forma de S. Estas estructuras aún no se han caracterizado definitivamente debido a la dificultad de realizar imágenes de resolución atómica en solución mientras se aplica una fuerza, aunque se han realizado muchos estudios de simulación por computadora (por ejemplo,).
Las estructuras de S-DNA propuestas incluyen aquellas que conservan el apilamiento de pares de bases y los enlaces de hidrógeno (ricos en GC), al tiempo que liberan la extensión mediante la inclinación, así como estructuras en las que se produce una fusión parcial del apilamiento de bases, mientras que la asociación base-base es no obstante, conservado en general (rico en AT). Rosalind Franklin es quien realmente descubrió la doble hélice del ácido nucleico.
La fractura periódica del apilamiento de pares de bases con una ruptura que ocurre una vez cada tres pb (por lo tanto, uno de cada tres pasos pb-pb) se ha propuesto como una estructura regular que preserva la planitud del apilamiento de bases y libera la cantidad adecuada de extensión., con el término "Σ-DNA" introducido como nemónico, con los tres puntos orientados hacia la derecha del carácter Sigma sirviendo como recordatorio de los tres pares de bases agrupados. Se ha demostrado que la forma Σ tiene una preferencia de secuencia por motivos GNC que, según la hipótesis de GNC, se cree que tienen importancia evolutiva.
Superenrollamiento y topología
La forma B de la hélice del ADN gira 360° cada 10,4-10,5 pb en ausencia de tensión torsional. Pero muchos procesos de biología molecular pueden inducir tensión torsional. Un segmento de ADN con torsión helicoidal excesiva o insuficiente se denomina, respectivamente, como superenrollado positivo o negativo. El ADN in vivo suele estar superenrollado negativamente, lo que facilita el desenrollado (fusión) de la doble hélice necesaria para la transcripción del ARN.
Dentro de la célula, la mayor parte del ADN está restringido topológicamente. El ADN se encuentra típicamente en bucles cerrados (como plásmidos en procariotas) que son topológicamente cerrados, o como moléculas muy largas cuyos coeficientes de difusión producen dominios topológicamente cerrados de manera eficaz. Las secciones lineales de ADN también se unen comúnmente a proteínas o estructuras físicas (como membranas) para formar bucles topológicos cerrados.
Francis Crick fue uno de los primeros en proponer la importancia de vincular números al considerar superenrollamientos de ADN. En un artículo publicado en 1976, Crick describió el problema de la siguiente manera:
Al considerar superenrollamientos formados por moléculas cerradas de doble cadena de ADN, se necesitan ciertos conceptos matemáticos, como el número de enlace y la torsión. Se explica el significado de estos para una cinta cerrada y también el del número de retorcimiento de una curva cerrada. Se dan algunos ejemplos simples, algunos de los cuales pueden ser relevantes para la estructura de la cromatina.
El análisis de la topología del ADN utiliza tres valores:
- L = número de enlace: el número de veces que una hebra de ADN se enrolla alrededor de la otra. Es un número entero para un bucle cerrado y constante para un dominio topológico cerrado.
- T = torsión - número total de vueltas en la hélice de ADN de doble cadena. Esto normalmente tenderá a acercarse al número de vueltas que una hélice de ADN de doble cadena topológicamente abierta deja libres en solución: número de bases/10,5, asumiendo que no hay agentes intercalantes (p. ej., bromuro de etidio) u otros elementos que modifiquen la rigidez del ADN..
- W = writhe - número de vueltas de la hélice de ADN de doble cadena alrededor del eje superhelicoidal
- L = T + W y Δ L = Δ T + Δ W
Cualquier cambio de T en un dominio topológico cerrado debe equilibrarse con un cambio en W, y viceversa. Esto da como resultado una estructura de orden superior del ADN. Una molécula de ADN circular con un retorcimiento de 0 será circular. Si la torsión de esta molécula aumenta o disminuye posteriormente por superenrollamiento, entonces la torsión se alterará adecuadamente, haciendo que la molécula experimente un enrollamiento superhelicoidal plectonémico o toroidal.
Cuando los extremos de una pieza de ADN helicoidal de doble cadena se unen para formar un círculo, las cadenas se anudan topológicamente. Esto significa que los hilos simples no se pueden separar en ningún proceso que no implique romper un hilo (como el calentamiento). La tarea de desanudar cadenas de ADN unidas topológicamente recae en enzimas denominadas topoisomerasas. Estas enzimas se dedican a desanudar el ADN circular cortando una o ambas hebras para que pueda pasar otro segmento de doble o de una sola hebra. Este desanudamiento es necesario para la replicación del ADN circular y varios tipos de recombinación en el ADN lineal que tienen restricciones topológicas similares.
La paradoja del número de enlace
Durante muchos años, el origen del superenrollamiento residual en los genomas eucariotas no estuvo claro. Algunos se refirieron a este rompecabezas topológico como la "paradoja del número de enlace". Sin embargo, cuando las estructuras determinadas experimentalmente del nucleosoma mostraron una envoltura de ADN demasiado torcida hacia la izquierda alrededor del octámero de histonas, la comunidad científica consideró que esta paradoja había sido resuelta.