Estructura del ADN

ADN

El ADN está formado por dos cadenas de polinucleótidos enrolladas entre sí, formando una HÉLICE DOBLE.

Cada nucleótido del ADN está formado por:

• una base nitrogenada (púrica o pirimídica)
• la desoxirribosa
• fosfato.

Los mononucleótidos están unidos entre sí por enlaces fosfodiéster.

La orientación de las cadenas es antiparalela (5´à3´ y 3´à5´), permitiendo que entre los nucleótidos enfrentados se formen enlaces de hidrógeno (EH) hacia el interior de la hélice. El apareamiento de las bases es:

• A (purina) se aparea con timina (pirimidina)
• citosina (pirimidina) con guanina (purina).

Este apareamiento produce el efecto de que la molécula de ADN tenga forma de “escalera de caracol“.

Dimensiones del ADN cristalino

– La Doble hélice (DH): 1 vuelta de la DH regular ocupa 3.4 nm y 10.5 bp. Los cambios de pH y la concentración salina del medio afectan a estos valores. El diámetro de la DH es de 2.4 nm. El espacio interior de la misma sólo es adecuado para el apareamiento purina-pirimidina. Dos pirimidinas crearían un hueco (mucha distancia) y dos purinas, desestabilizaría la DH (interacción por proximidad atómica).

Además, contribuyen a la estabilidad de la estructura helicoidal, diversos enlaces no covalentes. Así tenemos,

• Interacciones hidrofóbicas. Nubes de electrones  entre las bases (unión apolar). El agrupamiento de sus componentes dentro de la DH, estabiliza la molécula, ya que minimiza las interacciones con el agua (que produciría mayor desorden por un aumento de la S).
• Enlaces de hidrógeno. 3 para la unión GC y 2 para AT.
• Apilamiento de bases. Un vez que las bases se aparean, de forma antiparalela (cada hebra), se apilan para estabilizar la misma. Lo hacen por fuerzas de Van der Waals (dipolos instantáneos/inducidos por las nubes electrónicas de los electrones en orbitales π).
• Interacciones electrostáticas. La superficie externa del DNA se denomina esqueleto azúcar-fosfato y posee grupos cargados negativamente. La repulsión entre los grupos fosfato cercanos se minimiza por el APANTALLAMIENTO de los cationes Mg++ y moléculas policatiónicas (poliaminas e histonas): espermidina o espermina.

Alteraciones en la estructura del ADN: mutaciones

El ADN está perfectamente adecuado para el almacenamiento de la información genética y evolutiva de los seres vivos. Sin embargo, a pesar de sus características estructurales estabilizadoras, el ADN es vulnerable a varias clases de fuerzas “rompedoras”. Las colisiones con disolventes, fluctuaciones térmica y otros procesos pueden dar lugar a MUTACIONES (cambios en la secuencia/estructuras de las bases). Además, existen una extensa variedad de sustancias XENOBIOTICAS (sustancias tóxicas que alteran la estructura del ADN).

Entre los agentes mutagénicos más habituales están:

• Cambios tautoméricos (reorganización de enlaces) entre las estructuras de las bases nitrogenadas. Este tipo de mutaciones son poco habituales.
• Varios tipos de reacciones hidrolíticas que dañan el DNA. Algunos tipo de radiaciones ionizantes (UV, Rayos X, rayos ). El daño que induce este tipo de radiación genera la formación de radicales libres (sobretodo el radical hidroxilo; OH), produciendo la rotura de diversas estructuras básicas en el DNA. Este radical hidroxilo (OH) produce, entre otros, modificaciones de las bases hidroxilándolas (5-hidroximetil Uracilo, 8-hidroxi Guanina).
• Radiación UV induce, además, la formación de determinados dímeros de pirimidina, que alteran la estructura del DNA.

Sustancias Xenobióticas:

• Análogos de bases. Debido a su similitud estructural.
• Agentes alquilantes. Los agentes alquilantes (metilos) son sustancias reactivas que atacan a moléculas con electrones desapareados. Esto produce la adición a las bases de grupos alquilos (metilos, etilos) que contienen carbono, impidiendo su correcto apareamiento (6 ó 7 metil-guanina, 1 metil-adenina).
• Agentes no alquilantes. Ácido nitroso (HNO2), que produce nitrosaminas; el nitrito sódico (NaNO2), que desamina las bases. Hidrocarburos aromáticos (benzopireno).
• Agentes intercalantes. Moléculas que se pueden intercalar en el DNA y evitar así que se puedan aparear o apilar las bases. Estos producen mutaciones por desplazamiento. El colorante naranja de acridina es un ejemplo de agente intercalante. Benzopireno (componente del tabaco)

El Genoma

El genoma de cada ser vivo, es el conjunto completo de instrucciones hereditarias que se requieren para mantener todo los procesos celulares vivos, es decir, el sistema operativo del organismo.

Los genomas (procariotas y eucariotas) se diferencian en tamaño, forma y complejidad. El tamaño del genoma, el número de nucleótidos con apareamiento de bases (pb), varía en un gran intervalo que puede ir desde menos de 106 pb en algunas especies de Micoplasmas (la bacterias más pequeñas que se conocen) a más de 1010 pb en determinadas plantas. En general, los genomas de procariotas son más pequeños que los de eucariotas.

1) Genoma de procariotas (Escherichia coli)

1.1) Tamaño

El cromosoma de E. coli contiene 4.6 Mb, que codifican ~ 4300 genes.

1.2) Capacidad codificadora

Los genes de los procariotas son compactos y continuos; es decir contienen poco, si es que tienen, DNA no codificador entre las secuencias génicas o dentro de ellas. Esto contrasta con el DNA eucariota, en el que un alto porcentaje significativo del DNA está en una forma no codificadora (DNA basura).

1.3) Expresión génica

La regulación de muchos genes, funcionalmente relacionados, se organizan en OPERONES. Todos los genes de un operón participan en la misma función. Un operón, es un conjunto de genes ligados que están regulados como una unidad. Alrededor de un 25% de los genes de E.coli están organizados en operones.

Los procariotas poseen, a diferencia de los eucariotas, estructuras de plásmidos (DNA circulares que contienen 2-30 genes).

Un operón está formado por un promotor (lugar de unión para la RNA polimerasa), un operador (lugar de unión a una proteína supresora) y GENES estructurales que trabajan en forma secuencial en una vía metabólica determinada.

2) Genoma de eucariotas

La organización de la información en los cromosomas eucariotas es mucho más compleja. Los genomas nucleares eucariotas poseen características singulares siguientes:

2.1) Tamaño del genoma

Los genomas eucariotas tienden a ser sustancialmente más grandes. Sin embargo, en eucariotas superiores, el tamaño del genoma NO es necesariamente una medida de complejidad del organismo. Así, el genoma haploide (con una sola representación de cada par) del humano tiene 3000 Mb. Los genomas del guisante y de la salamandra tienen 5000 Mb y 90.000 Mb, respectivamente. Por razones que aún se desconocen, algunas especies han acumulado cantidades importantes de DNA no codificador.

2.2 Capacidad codificadora

Aunque tienen una enorme capacidad codificadora, la mayoría de las secuencias de DNA de los eucariotas no parecen tener funciones codificadoras, es decir, no tienen regiones reguladoras intactas que inicien la transcripción (producción de transcritos de RNA). Se desconocen, de momento, las funciones de estas secuencias no codificadoras.

2.3 Continuidad codificadora

La mayoría de los genes eucariotas son discontinuos. Las secuencias no codificadoras (intrones o secuencias interpuestas) están entremezcladas con secuencias codificadoras (exones), que codifican un producto génico (cualquiera de las moléculas de RNAs). Las secuencias intrónicas se eliminan de los transcritos de hnRNA por un mecanismo de splicing (corte-empalme), para producir el mRNA maduro y transcribible.

Replicación del ADN (dotar a células hijas de duplicados de ADN madre)

Existen tres modelos para explicar la replicación del ADN:

1. Modelo conservativo: Propone que tras la replicación se mantiene la molécula original de DNA intacta, obteniéndose una molécula idéntica de DNA completamente nueva, es decir, con las dos hebras nuevas.
2. Modelo semiconservativo: Se obtienen dos moléculas de DNA hijas, formadas ambas por una hebra original y una hebra nueva.
3. Modelo dispersivo: El resultado final son dos moléculas nuevas formadas por hebras en las que se mezclan al azar fragmentos originales con nuevos.

Nucleasas

Las nucleasas son enzimas que catalizan la ruptura de los enlaces fosfodiéster (fosfodiesterasas), como por ejemplo los que se establecen en los ácidos nucléicos entre la pentosa de un nucleótido y el grupo el fosfato.

Se clasifican según el tipo de ácido nucleico sobre el que actúan y el tipo de enlace que hidrolizan.

1. Ribonucleasas. Son específicas del RNA, por lo que también se llaman RNAsas.
2. Desoxirribonucleasas. Son específicas del DNA, por lo que también se llaman DNAsas.

2.1) Exonucleasas. Escinden el último nucleótido del extremo 5′ o 3′ de un polinucleótido.

2.2) Endonucleasas. Cortan los enlaces fosfodiéster situados en el interior de los polinucleótidos (DNAsa I y DNAsa II → son poco específicas).

2.3) Endonucleasas de restricción. Son endonucleasas que reconocen y cortan secuencias de nucleótidos muy específicas.