maov/mlvm/julio de 2009

Estructura de los Ácidos NucleicosMiguel Angel Ordorica Vargas & María de la Luz Velázquez Monroy

Introducción

El estudio de los ácidos nucleicos es la disciplina que domina hoy en día la investigación científica en el campo de las Ciencias Biológicas. Tal relevancia es comprensible cuando reconocemos que “los ácidos nucleicos son los compuestos químicos responsables de almacenar, transmitir y ex-presar la infromación genética en todos los seres vivos”. Sin embargo, como se describe a conti-nuación, el papel de los ácidos nucleícos como material genético, no fue aceptado en forma uni-versal sino hasta la segunda mitad del siglo XX.

Historia

1869. El químico suizo Johann Friedrich Miescher (1844-1895) aísla del núcleo celular de los leucocitos una “sustancia nitrogenada, rica en fosfatos y soluble en álcalis pero no en ácidos”, a la que llama Nucleí-na. Hasta donde sabemos, Miescher creía que la función de la nucleína era almacenar fosfato.

Treinta años después, en 1899, el químico alemán Richard Altmann(1852-1901) desarrolla métodos para obtener la nucleína libre de pro-teínas y propone el cambio del nombre Nucleína por Ácido Nucleico.

Durante la década de 1920, el químico Phoebus Aaron Theodor Levene(1869-1940) analiza los componentes de la molécula de ácido desoxi-rribonucleico; encuentra que contienen cuatro bases nitrogenadas Ade-nina, Guanina, Citosina y Timina; el azúcar Desoxirribosa y Fosfato.

Correctamente, dedujo que los nucleótidos eran las unidades estructurales del DNA y que a su vez estabán formados por una base y fosfato, ambos unidos al azúcar. Desafortunadamente, en forma equivocada, concluyó que los cuatro nucleótidos se encontraban en cantidades iguales y postuló la Teoría del Tetra-Nucleótido como unidad básica del DNA, considerándo-lo una molécula repetitiva, sin capacidad para ser el material genético.

En 1928, el microbiólogo inglés Frederick Griffith(?-1940) descubre la transformación de las cepas no patógenas de Streptococcus pneumoniae usando res-tos de cepas patógenas muertas, y propone la exis-tencia de un Principio Transformador, responsable del cambio, pero no hace ninguna sugerencia respec-

to de la naturaleza química del mismo.

En 1944, los investigadores Oswald Theodore Avery (1877-1955) Colin M. MacLeod y Maclyn McCarty (1912-2003) mediante la destrucción secuen-cial de las macromoléculas de las células de la cepa patógene de S. neumo-nie, aportan pruebas de que el DNA es el Principio Transformador de Griffith. A pesar de lo cual, para muchos investigadores, aún permanecía la duda sobre la naturaleza química del material genético.

Figura 1. Friederich Miescher

Figura 2. P. A. T. Leven

Figura 3. Frederick Griffith

Acidos Nucleicos

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Figura 4. De izquierda a derecha, Avery, MacLeod y McCarty

Entre 1950 y 1953 el bioquímico austriaco Erwin Chargaff (1905-1997) y sus colaboradores des-cubren la equivalencia de bases en el DNA. [A] = [T], [G] = [C], [Purina]/[Pirimidina] = 1 y [A+T]/[G+C] característico de especie. Sus descubrimientos destruyen la teoría del tetra - nucleó-tido y aportan información importante sobre la estructura del DNA, en especial la variación de composición entre especies, que apoya el papel del DNA como material genético, aunque no cons-tituye evidencia definitiva.

1951. Rosalind Elsie Franklin (1920-1958) descubre las estructuras helicoidales del DNA cono-cidas como DNA-A y DNA-B, mediante difracciones de rayos X de fibras hidratadas.

1952. Alfred Day Hersey (1908-1997) y Martha Chase demuestran que la infección viral se rea-liza con DNA. Los resulados de este experimento, junto con los datos de Chargaff, convencen a la mayoría de los investigadores de que el DNA es el material genético.

Figura 5. De izquierda a derecha, Chargaff, Franklin, Chase y Hersey

1953. James Dewey Watson (1928-) y Francis Harrry Compton Crick (1916-) proponen la complementariedad de bases y usando métodos de modelado molecular, los datos de Chargaff y Franklin, postulan el modelo de la Doble Hélice del DNA.

Figura 6. Watson (izquierda) y Crick (derecha)

Acidos Nucleicos

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1958. Matthew Meselson y Franklin W. Stahl aportan pruebas de la Replicación Semiconserva-tiva del DNA según el modelo de Watson y Crick

1961. Jacques Monod (1910-1976) y Francis Jacob (1920-) publican el modelo del Operón pa-ra la regulación de la síntesis de proteínas.

Entre 1961 y 1965, Marshall W. Nirenberg, Heinrich Matthaei, Har Gobind Khorana, Severo Ochoa y otros, decifran el Código Genético completo.

1974. Sung-Hou Kim y Alexander Rich determinan la Estructura Tridimensional del tRNA.

1977. Frederick Sanger y colaboradores secuencian el DNA de cadena simple del virus 174.

1977. Phil Sharp del MIT y Rich Roberts del Cold Sprig Harbor, descubren las secuencias inter-nas no codificantes de los genes eucarióticos o Intrones.

1981. Thomas R. Cech y colaboradores, descubren la autohidrólisis del Intron I del RNA en el protozoario Tetrahymena thermophila.

1983. Sidney Altman y su grupo reportan la Actividad Catalítica del RNA de la Ribonucleasa P de Escherichia coli y Bacillus subtilis.

1987. Se inicia el proyecto del Genoma Humano, que produce sus primeros resultados en 1999cuando se publica la secuencia completa del cromosoma humano 22. A finales del año 2000 se pu-blica el primer “borrador” completo del genoma humano y en abril de 2003, la secuencia completa final.

1997. Se define el mecanismo del fenómeno de Represión Genética Postranscripcional o Inter-ferencia del RNA

Definición

Desde el punto de vista químico, los ácidos nucleicos son: macromoléculas formadas por polí-meros lineales de nucleótidos, unidos por enlaces ester de fosfato, sin periodicidad aparente.La semejanza entre esta definción y la de las proteínas, es consecuencia de la relación funcional de ambas macromoléculas.

En el terreno biológico, la secuencia de nucleótidos del polímero, contiene la información genética de los seres vivos.

Clasificación

Como se explicó, los ácidos nucleicos son el material genético de todos los seres vivos, esta fun-ción es compartida por dos tipos de ácidos nucleicos que difieren entre si en pequeños detalles de su estructura, propiedades y composición química y gran parte de su función: el Ácido Ribonu-cleico (RNA o ARN) y el Ácido Desoxirribonucleico (DNA o ADN).

Una propieda química diferente entre DNA y RNA, debida a la diferencia en composición químca, es la sensibilidad a la hidrólisis, el DNA es estable en medio alcalino y sólo se hidroliza en medio ácido mientras que el RNA puede hidrolizar tanto en medio ácido como alcalino.

La distribución de los ácidos nucleicos en las células eucarióticas es característica, el 95% del DNA se encuentra en el núcleo, y el remanente en mitocondrias y cloroplastos, mientras que sólo el 20% del RNA se encuentra en el núcleo y el resto en el citoplasma. También hay diferencia en

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cantidad, en las células existe de 2 a 8 veces más RNA que DNA. Por otro lado, mientras que hay un solo tipo de DNA, encargado de almacenar y transmitir la información genética, existen al me-nos tres tipos de RNA con funciones distintas en la síntesis de proteínas y otros procesos. El RNAmensajero (mRNA o ARNm), que transporta el mensaje genético del DNA a los ribosomas, para dirigir la síntesis de proteínas; representa el 5% del RNA total. El RNA ribosomal (rRNA o ARNr), formando parte de la estructura del los ribosomas. Este tipo de RNA está formados por un grupo de moléculas que se clasifican en base a sus coeficientes de sedimentación como 23s, 16sy 5s en procariotes y 28s, 17s, 7s y 5s en eucariotes. Este es el RNA que se encuentra en mayor proporción pues constituye el 80% del total. El RNA de transferencia (tRNA o ARNt), está constituido por una familia de moléculas, las más pequeñas de los ácidos nucleicos, cuya función es acoplar la información del mRNA con los aminoácidos. Constituye el 15% restante. Además, en el núcleo exite un grupo heterogeneo de moléculas de RNA (hnRNA) que cumplen funciones ca-talíticas en diversos procesos.

La mayor parte de las formas de vida, incluyendo organismos unicelulares, multicelulares y mu-chos virus, utilizan DNA como material genético. En otros virus, el RNA es el material genético; algunos de ellos lo usan para transmitir directamente la información mediante el proceso de Repli-cación de RNA, mientras que otros, llamados retrovirus, usan RNA pero, para poder expresar su información genética, primero la convierten a DNA.

Nucleótidos

Los nucleótidos son las unidades estructurales de los ácidos nucleicos, se liberan mediante hidróli-sis controlada y están formados de tres moléculas, una base nitrogenada, un monosacárido y un grupo fosfato.

a) Bases Nitrogenadas. Son compuestos aromáticos heterocíclicos derivados de las bases orgáni-cas Purina y Pirimidina.

CH6

CH5C

H

4N3

CH2 N

1

5

4 NH

9

CH8

N7

N1

CH2 N

3

CH

6

Pirimidina Purina

Figura 7. Estructura y numeración de Purina y Pirimidina

Las bases derivadas de Pirimidina se denomina Pirimídicas; las más abundantes en los ácido nu-cleicos son Citosina, Uracilo y Timina. Las bases derivadas de Purina se llaman Púricas y las más abundantes son Adenina y Guanina.

N

NH

NH2

O

NH

NH

O

O

CH3 NH

NH

O

O

N

NH

N

N

NH2

N

NH

NH

NNH2

O

Citosina Timina Uracilo Adenina Guanina

Figura 8. Bases Nitrogenadas más frecuentes en los Ácidos Nucleicos

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La primera diferencia en composición química entre los dos tipos de ácidos nucleicos es la distri-bución de las bases. Adenina, Guanina y Citosina se encuentran tanto en DNA como RNA mien-tras que la Timina se encuentra casi exclusivamente en DNA y el Uracilo sólo en RNA. Además de la anteriores, es frecuente encontrar bases modificadas, tanto púricas como pirimídicas, entre las más abundantes están la 5-metilcitosina, la 5-hidroximetilcitosina y la 6-Metiladenina que se han relacionado con la regulación de la expresión del DNA, la 7-metilguanina y el dihidrouraci-lo que forman parte de la estructura de los RNA, e hipoxantina y xantina como intermediarios metabólicos y productos de reacción del DNA con sustancias mutagénicas.

N

NH

N

N

NH CH3

N

NH

NH

NNH2

OCH3

N

NH

NH

N

O

N

NH

NH

NH

O

O

6-Metiladenina 7-Metilguanina Hipoxantina Xantina

N

NH

NH2

O

CH3 N

NH

NH2

O

CH2 OH

CH2

CH2NH

NH

O

O

5-Metilcitosina 5-Hidroximetil-Citosina

Dihidrouracilo

Figura 9. Bases modificadas del DNA y RNA

Como son aromáticas, tanto las bases púricas como las pirimídicas son planas, lo cual es importan-te en la estructura de los ácidos nucleicos. También son insolubles en agua y pueden establecer in-teracciones hidrófobas entre ellas; estas interacciones sirven para estabilizar la estructura tridimen-sional de los ácidos nucleicos. Las bases nitrogenadas absorben luz en el rango ultravioleta (250-280 nm), propiedad que se usa para su estudio y cuantificación.

A pesar de su nombre, su carácter básico es muy débil, así tenemos que los valores de pKa para los grupos amino en las posiciones 4 de Citosina, 6 de Adenina y 2 de Guanina son 4.5, 4.2 y 3.2 respectivamente, mientras que para los nitrógenos del anillo las constantes son de 9.5 y 9.9 para el Nitrógeno 1 de Uracilo y Timina respectivamente, y 9.5 para el Nitrógeno 6 de Guanina.

Toda las bases nitrogenadas pueden presentar tautomería; la forma enólica es favorecida a pH al-calino.

NH

NH

O

O

CH3NH

NH

NH

O

N

NH

NH2

O

N

NH

OH

O

CH3

TiminaCitosina

Figura 10. Tautomería de las bases Pirimídicas

b) Monosacáridos. La segunda diferencia en composición entre los ácidos nucleicos es la aldopen-tosa que forma parte de los nucleótidos, y además da nombre a los ácidos, la ribosa en el RNA y desoxirribosa en el DNA.

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3 2

1

O4

OH

H

OH

HH

OH

H

CH25OH

-D-Ribo-furanosa

3 2

1

O4

OH

H

H

HH

OH

H

CH25OH

-D-2-Desoxi-rribofuranosa

Figura 11. Pentosas del DNA y RNA

Ambos monosacáridos son solubles en agua y se encuentran en la forma cíclica de furanosa por lo que también son casi planas y en los nucleótidos, presentan anomería .

c) Fosfato. Este componente deriva del ácido fosfórico, en los nucleótidos es responsable de su carácter ácido y gran parte de la solubilidad. Participa en la formación de los enlaces éster que mantienen unidos los nucleótidos.

d) Nucleósidos. La unión entre un monosacárido y una base, se denomina nucleósido. La unión base-azúcar se efectúa a través de un enlace glicosídico, con configu-ración beta () entre el carbono uno de ribosa o de-soxirribosa, y un nitrógeno de las base, el 1 en las pi-rimidinas, y el 9 en las purinas. Para evitar confusio-nes en la nomenclatura de nucleósidos y nucleótidos, los átomos de la molécula de monosacárido se desig-nan con números seguidos de un apóstrofe (1’, 2’, etc.), para distinguirlos de los de la base, por lo que los enlaces de los nucleósidos se designan como (1’-1) en las pirimidinas y (1’-9) en las purinas.

Los nucleósidos son más solubles que las bases libres y los planos de la base y el azúcar son perpendiculares entre si. Como el enlace glicosidico es sencillo, las bases pueden presentar dos conformaciones di-ferentes: anti cuando el plano de la base está alejada del plano del azucar y syn, cuando las bases están sobre el plano del azucar. Los nucleósidos puricos pueden presentar ambas conformaciones, aunque la anti es más estable; los pirimidicos sólo pueden existir en anti, porque el Oxígeno en el carbono 2 no permite que se forme la syn.

Nucleósidos Modificados. En los tRNA existen en forma caracerística, nucleósidos modificados como la seudouridina, formada por uracilo y ribosa unidos a través de un enlace (1’-5). Tam-bién se encuentra un nucleósido de timina y ribosa, la ribotimidina. Otro nucleósido presente en el tRNA es la Dihidrouridina, formado por ribosa y dihidrouracilo unidos por enlace (1’-1).

En el metabolismo de las bases púricas se forma un nucleósido con Hipoxantina y Ribosa llamado Inosina. Los nucleósidos y los nucleótidos, se nombran según la base que contienen como se ilus-tra en la Tabla I.

O

H

OH

HH

OH

H

CH2OH

N

N

N

N

NH2

N

N

NH2

O

H

OH

HH

OH

H

CH2OH

O

Adenosina Citidina

Figura 12. Nucleosido de Adenina en conformación syn y de Cito-sina en conformación anti

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O

H

OH

HH

OH

H

CH2OH

N

N

N

N

O

NH

N

O

O

H

OH

HH

OH

H

CH2OH

OHH

HH NH NH

O

O

H

OH

HH

OH

H

CH2OH

O

NH

N

O

O

H

OH

HH

OH

H

CH2OH

O

CH3

Inosina Dihidrouridina Seudouridina Ribotimidina

Figura 13. Nucleósidos modificados

e) Nucleótidos. Los nucleótidos se forman cuando se une ácido fosfórico a un nucleósido median-te un enlace éster, en alguno de los grupos -OH del monosacárido. Aunque la ribosa tiene tres po-siciones en las que se puede unir el fosfato (2’, 3’ y 5’), y en la desoxirribosa dos (3’ y 5’), los nu-cleótidos naturales más abundantes son los que tienen fosfato en la posición 5’. Nucleótidos con fosfato en 3’ aparecen en la degradación de los ácidos nucleicos.

Además de formar la estructura de los ácidos nucleicos los nucleótidos tienen otras funciones rele-vantes:

1. El nucleósido Adenosina tiene funcines de neurotransmisor.2. ATP es la molécula universal para transferencia de energía;3. UDP y el CDP sirven como transportadores en el metabolismo de glúcidos, lípidos y otras mo-

léculas;4. AMPc, GMPc y el propio ATP cumplen funciones reguladoras;5. AMP forma parte de la estructura de coenzimas como FAD, NAD+, NADP+ y CoA.

Tabla I. Nomenclatura de Nucleósidos y NucleótidosBase Nucleósido Nucleótido

RNAAdenina (A) Adenosina Adenosin-5’-monofosfato (AMP)Guanina (G) Guanosina Guanosin-5’-monofosfato (GMP)Citosina (C) Citidina Citidin-5’-monofosfato (CMP)Uracilo (U) Uridina Uridin-5’-monofosfato (UMP)Timina (T) Ribotimidina Ribotimidin-5’-monofosfato (dTMP)

DNAAdenina (A) Desoxiadenosina Desoxiadenosin-5’-monofosfato (dAMP)Guanina (G) Desoxiguanosina Desoxiguanosin-5’-monofosfato (dGMP) Citosina (C) Desoxicitidina Desoxicitidin-5’-monofosfato (dCMP)Uracilo (U) Desoxiuridina Desoxiuridin-5’-monofosfato (dUMP)Timina (T) Timidina Desoxitimidin-5’-monofosfato (dTMP)

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Estructura Primaria

Los ácidos nucleicos se forman cuando el grupos fos-fato de un nucleótido se une al OH en 3’ del azúcar de otro nucleótidos, mediante un enlace éster. Como la unión entre nucleótidos depende de dos enlaces éster con una misma molécula de fosfato, se acostumbra de-signarlo como enlace “diester de fosfato” ó “fosfodies-ter”. La cadena resultante recibe el nombre de polinu-cleótido y pueden ser de tamaños muy variados, desde los aproximadamente 70 nucleótidos de los tRNA has-ta cientos de millones de ellos en el DNA.

Las cadenas de polinucleótidos, igual que las de pro-teínas y polisacáridos, tienen dos extremos distintos. El extremo 5’, en el cual esta posición del azúcar no par-ticipa en enlace con ningún otro nucleótido, y el ex-tremo 3’ en el que dicho carbono del nucleótido es elque se encuentra libre. Por convención, se acostumbra a representar las cadenas de nucleótidos, en dirección 5’ a 3’ de izquierda a derecha.

Como se puede ver en la Figura 14, representar en forma desarrollada la estructura de los ácidos nuclei-cos, aún los más pequeños, resulta engorroso y no es necesario pues la parte importante de ella, la secuencia de bases, se puede representar en forma abreviada como una secuencia de letras mayús-culas haciendo A=AMP, G=GMP, C=CMP, U=UMP y T=TMP. Cuando se trata de desoxirribo-nucleótidos, se antepone una “d” como en dA= desoxi AMP, etc. Para interpretar este tipo de re-presentación hay que recordar que las secuencias siempre se escriben con en el extremo 5’ a la iz-quierda y que los fragmentos de DNA y RNA se pueden distinguir por la “d” que se antepone a los desoxinucleótidos, o por la presencia de uridina (U) en el RNA y timidina (T) en el DNA.

A. DNA. La estructura primaria del DNA está formada por desoxinucleótidos de Adenina, Guani-na, Citosina y Timina. En los eucariotes también se encuentra 6-Metiladenina, 5-metilcitosina, y en procariotes y virus 5-hidroximetilcitosina. La principal característica de la estructura primaria del DNA es su gran tamaño; los más pequeños son cadenas formadas por 4 a 5 mil de pares de bases o kilopares de bases (kb), que forman el material genético de los virus, pero las más grandes tienen cientos de millones de bases.

Los cromosomas de muchos virus y procariotes son moléculas circulares cerradas, mientras que en los Eucariotes son cadenas abiertas. En los extremos de los cromosomas lineales de Eucariotes, se encuentra como parte de la estructura primaria zonas con secuencias repetitivas, llamadas Telo-meros. La secuencia de los telomeros es característica de especie.

B. RNA. La estructura primaria de los RNA está formada por desoxinucleótidos de Adenina, Gua-nina, Citosina y Uracilo. La mayor parte de los RNA tiene bases y nucleótidos modificados, que probablemente les permiten resistir la acción de las nucleasas del citoplasma. La mayor abundancia se encuentra en los rRNA.

ONOP

O

O

O

O

N

NH

ONOP

O

O

O

N

OO

NOP

O

O

O

N

N

ONOP

O

O

O

N

NH2

N

NH2

O

NH2

NH

O

O

CH3105

Figura 14. Estructura primaria de los ácidos nucleicos

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Los tRNA que son los ácidos nucleicos más pequeños (70 a 95 nucleótidos) tienen ribotimidina, seudourudina (), dihidrouridina (DHU), 5-metilcitosina y 7-metilguanina, en posiciones específi-cas. Además, en el extremo 3’ terminal se encuentra una secuencia constante CCA que es el sitio de unión del aminoácido.

Los mRNA tienen también citosina y guanina metiladas, y además una secuencia de poliadenilato con 100 a 200 nucleótidos, en el extremo 3’ y en 5’ el nucleótido 7-metilguanosina trifosfato, que se conoce como el “Cap”, y que identificar al RNA como mensajero.

Por su parte los rRNA tienen muchas bases metiladas y la longitud de sus cadenas depende del ti-po, el rRNA 5s tiene alrededor de 120 nucleótidos mientras el rRNA 28s tiene más o menos 4000 nucleótidos.

Estructura Secundaria

Se llama estructura secundaria de los ácidos nucleicos, a la asociación que se forman entre zonas de una misma cadena odos cadenas distintas. Esta asociación depende de la complementariedadentre las bases púricas y pirimidicas.

La complementariedad de las bases está dada por el número y posición de los puentes de Hidróge-no que pueden formar, dos entre ADENINA y TIMINA (A=T), y tres entre GUANINA y CITO-SINA (GC). En el RNA el URACILO toma el lugar de la timina. Estos apareamientos no son los únicos posibles pero si los más estables.

N

N

N

N

N

H

H

H

Cadena

H

N

N

O

O Cadena

CH3

H

Adenina Timina

N

N

N

N

O

N

H

Cadena

H

H

H N

N

N

O Cadena

H

H

Guanina Citosina

Figura 15. Complementariedad de bases del DNA

A. DNA. El DNA es una molécula fibrosa de peso molecular elevado (hasta 109). En todas las cé-lulas y la mayoría de los virus, está formada por dos cadenas de nucléotidos con secuencias com-plementarias.

Además de complementarias, las cadenas son antiparalelas; esto es, una cadena corre en direc-ción 5’ a 3’ mientras la otra lo hace de 3’ a 5’. Las cadenas giran alrededor de un eje comúnformando una espiral doble conocida como Doble Hélice. Las cadenas se mantienen unidas por in-teracciones hidrófobas entre las bases que al ser planas se apilan una sobre otra, en el interior de la hélice.

Aunque los puentes de hidrógeno tienen una contribución menor a la estabilidad de la doble hélice, pues su función principal es asegurar la complementariedad, la diferencia en el número de puentes de hidrógeno de los pares AT y GC influye en la llamada “Desnaturalización del DNA”, que con-siste en la separación de las cadenas de la doble hélice para quedar como hebras sencillas. La “Temperatura de Fusión del DNA”, que es la temperatura a la cual una molécula de DNA se ha desnaturalizado al 50%, aumenta mientra mayor cantidad de pares GC hay en la molécula.

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Figura 16. Doble hélice del DNA-B

Existen varias estructuras secundarias del DNA, la primera fue propuesta por Watson y Crick en 1953 y se conoce como forma B del DNA (DNA-B). En este modelo, la doble hélice da un giro completo a la derecha (en el sentido de las manecillas del reloj) cada 10 pares de base, recorriendo una distancia de 3.4 nm y tiene un diámetro de 2 nm.

Otras estructuras secundarias de DNA (Tabla II), varían en el número de bases por cada vuelta completa de la hélice, la distancia recorrida por vuelta y hasta en el sentido de giro, el Z-DNA gira a la izquierda, Sin embargo, todas las estructuras secundarias del DNA conservan las característi-cas generales del modelo de Watson y Crick, son cadenas dobles, antiparalelas, complementa-rias y con forma de hélices.

Figura 17. Estructuras secundarias del DNA. De izquierda a derecha A, B y Z

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Tabla II. Características de las estructuras secundarias cristalinas del DNA.Modelo

Parámetro A B ZDirección de giro Derecha Derecha IzquierdaPares de bases / giro 11 10 12Distancia entre pares* 0.23 0.34 0.37Distancia / giro* 2.46 3.4 4.46Diámetro* 2.3 2.0 1.8Angulo / par de bases 33.6º 36º -60º en dosNucleótidos / unidad 1 1 2* Distancias en nm

B. RNA. Al contrario del DNA, la estructura secundaria del RNA siempre esta formada por una sola cadena de nucleótidos que puede presentar zonas de doble hélice. La estructura secundaria de los mRNA, es difícil de determinar, debido al elevado peso molecular y la baja concentración de estas moléculas. Las fracciones 5s, 16s y 23s del rRNA, tienen muchas regiones con secuencias complementarias, que forman estructuras secundarias con asas de doble cadena (50% en 5s,) con pares A=U y GC.

Por otro lado, para los tRNA se conoce bien una estructura secundaria denominada “hoja de tré-bol”, porque está formada por un “tallo” con tres, y ocasionalmente cuatro “brazos”. El tallo, los tres brazos constantes, y el brazo variable, cuando tiene longitud suficiente, presentan zonas de doble cadena, con pares A=U y GC, que ocupan aproximadamente el 60% de las bases.

En el tallo se encuentran los dos extremos terminales, uno de los cuales el 3’ corresponde al sitio de unión del ami-noácido. Los brazos o asas constantes se numeran del I a III, a partir del extremo 5’. El brazo II se conoce como el “Asa del anticodon”, porque en él se encuentra la secuen-cia de nucleótidos que forma el anticodón, complementa-rio del codón del mRNA. En los otros dos brazos cons-tantes I y III, se encuentran siempre en posiciones equiva-lentes algunos nucleótidos modificados como dihidrouri-dina (DHU) en el brazo I o “asa de la dihidrouridina”, y ribotimidina y seudouridina en el “asa de la ribotimidina” o brazo III. El brazo IV tiene un número de nucleótidos variable y algunos tRNA no lo presentan.

Estructura Terciaria

A.DNA. El DNA de cualquier célula tiene un longitud que excede con mucho el tamaño total de esta, resulta enton-ces indispensable plegar la molécula, en una estructura compacta que pueda acomodarse dentro de la célula o del núcleo. En las células eucarióticas, este plegamiento de-pende de la interacción del DNA con proteínas, para formar la Cromatina. Las proteínas de con-densación más abundantes son las Histonas, moléculas pequeñas con gran cantidad de lisina y ar-

Figura 18. Estructura secundaria en "hoja de trebol" del tRNA

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ginina, aminoácidos con carga positiva, que interactuan con las cargas negativas del fosfato del DNA. El grado de condensación de la cromatina depende de la región del genoma, las partes que no se expresan están más compactas.

El primer paso en la compactación del genoma consiste en la formación de los Nucleosomas. Para ello la cadena de DNA da dos vueltas, que ocupan aproximadamente 146 pares de bases, alrede-dor de un núcleo formado por cuatro tipos de histonas (H2A, H2B, H3 y H4), la integridad del nucleosoma se mantiene mediante la histona H1.

Figura 19. Estructura del nucleosoma, vista frontal (izquierda) y lateral (derecha)

Los nucleosomas están separados entre si por 60 pares de bases del DNA y se pueden compactar más, formando un solenoide, con 6 nucleosomas por vuelta, de aproximadamente 30 nm de diá-metro. El túbulo formado por el solenoide se pliega formado asas ancladas en una matriz de pro-teínas no histónicas. El complejo resultante se puede plegar aún más enrollándose, para formar una espiral con 18 asas en cada vuelta, estas estructuras forman las minibandas de los cromosomas.

Figura 20. Primeros pasos en la formación de la estructura terciaria del DNA

B. RNA. De todos los tipos de RNA sólo se conoce con detalle la estructura terciaria de los rRNA y el tRNA. La estructura terciaria de los rRNA fue resuelta recientemente por difracción de Rayos X; su forma general se presenta en la Figura 21.

La forma tridimensional de los tRNA resueltos por difracción de Rayos X hasta hoy se aproxima a una “L”. En el extremo de uno de los brazos de la L se encuentra el sitio de unión del aminoácido

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y en el extremo del otro el anticodón. La bisagra de la L está formada por las brazos I y III de la “hoja de trébol”, y también el IV cuando está presente.

Figura 21. Estructura terciaria del RNA. De izquierda a derecha rRNA 16s, rRNA 23s+5s y tRNA