Biología Molecular Lección 1 PDF

Biología Molecular Lección 1 La biología molecular. Ácidos nucleicos: DNAs y RNAs  Lección 1 Biología Molecular (1) ¿Qué es la Biología Molecular? (2) Estruc...

Biología Molecular Lección 1 La biología molecular. Ácidos nucleicos: DNAs y RNAs  Lección 1 Biología Molecular (1) ¿Qué es la Biología Molecular? (2) Estructura de los ácidos nucleicos (DNA y RNA): nucleótidos y sus componentes: - básicos (bases nitrogenadas) y sus propiedades físico-químicas - neutro (azúcares ribosa y desoxirribosa) y - ácido (fosfato). (3) Estructura primaria de los ácidos nucleicos y sus propiedades físico-químicas. (4) DNA material genético: reglas de Chargaff y su análisis estructural: Modelo de Watson y Crick del DNA-B. - Surco mayor: código informativo: - interacción y unión de proteínas de unión al DNA (DNA-BP)/ proteínas reguladoras génicas - lectura directa e indirecta de secuencias de DNA* (5) Otras conformaciones/estructuras tridimensionales del DNA dependientes de: - características de enlaces nucleotídicos - condiciones fisiológicas y secuencias específicas: DNA-A, DNA-Z - curvaturas del DNA - lecturas directa e indirecta de secuencias de DNA* (6) Secuencias especiales de DNA: - secuencias palindrómicas (repeticiones invertidas) y otro tipo de repeticiones (directas y especulares) - DNA tríplex y DNA cuádruplex (7) Significado biológico estructural del DNA: idoneidad de la replicación y transmisión de la información genética (8) RNAs: características estructurales, diferencias respecto al DNA y tipos de RNAs. (1) El surgimiento de la Biología Molecular James Watson (1928‐ ) y Francis Crick (1916‐2004) Premios Nobel de Medicina 1962  Biología Molecular - En el Diccionario de Historia de la Ciencia: "la Biología Molecular ” se describe El término "Biología Molecular“ aparece por primera vez en 1938 cuando Warren como una rama interdisciplinar de la Biología que utiliza la Bioquímica, la Genética y Weaver, de la fundación Rockefeller, intentaba desarrollar un plan de financiación para la Química estructural en la investigación de la base molecular de la vida, sobre todo promover la aplicación de métodos físicos y químicos a problemas biológicos básicos de en lo relativo a la forma, función y descendencia evolutiva de los seres vivos". áreas de la biología, como la bioquímica, la biología celular y la genética. - Dentro del Proyecto Genoma Humano puede encontrarse la siguiente definición - Se institucionaliza en 1959, con la aparición de la revista "Journal of Molecular Biology", sobre la biología molecular: “El estudio de la estructura, función y composición de las cuya lista de temas para publicar era la siguiente: moléculas biológicamente importantes”. organización subcelular Objeto de estudio: genética molecular estructura de proteínas - los procesos que se desarrollan en los seres vivos desde un punto de vista ácidos nucleicos molecular. carbohidratos - estructuras de las moléculas y la química de los procesos implicados en el lípidos, etc... y sus análogos sintéticos almacenamiento, transmisión y expresión de la información, así como los estudiados por rayos X mecanismos que los regulan. absorción de luz y otros métodos problemas de transferencia inter e intramolecular de energía - la estructura y función de los genomas y cómo la información genética se transmite de una generación a otra y como los genes gobiernan la actividad celular. Arthur Kornberg dijo: "cuando disciplinas tales como la Genética, la Microbiología, la Fisiología, la Endocrinología, la Neurobiología, etc., profundizan en su nivel de observación hasta encontrar preguntas y respuestas de carácter químico, se confunden con la Bioquímica, dando lugar a una unión de intereses de la que se origina la Biología Molecular”. - La Biología Molecular pretende fijarse con preferencia en el comportamiento biológico de las macromoléculas (DNA, RNA, enzimas, hormonas, etc.) dentro de la célula y explicar Una definición de Biología Molecular: las funciones biológicas del ser vivo por estas propiedades a nivel molecular. - Una disciplina en las ciencias de la vida que usa instrumentos y conceptos de las - El término Biología Molecular se utiliza muchas veces en un sentido más reducido para ciencias físicas para estudiar las relaciones estructura-función entre moléculas referirse únicamente al estudio de la estructura y función de los ácidos nucleicos y los biológicas como los ácidos nucleicos y proteínas que participan en la transmisión aspectos genéticos de la Bioquímica. de la información genética de una generación a la siguiente y la expresión de esa información genética dentro de los sistemas vivos.  (2) Estructura de los ácidos nucleicos Los ácidos nucleicos (DNA y RNA) son cadenas polinucleotídicas Los nucleótidos son las unidades monoméricas de los ácidos nucleicos, que se unen covalentemente en cadenas polinucleotí- dicas, con un esqueleto azúcar fosfato a partir del que se extienden las bases nitrogenadas (A, C, G, T, U).  Componentes de los nucleótidos Cada nucleótido posee los siguientes componentes elementales: base nitrogenada azúcar y fosfato. Bases nitrogenadas: Heterociclos de 1 (pirimidinas) o 2 (purinas) anillos condensados Purinas: adenina y guanina: - casi planares; tienen un ligero pliegue/fruncimiento. Pirimidinas: citosina y timina (en el DNA) y uracilo (en el RNA) - son planares  La mayor parte de los enlaces del anillo tienen carácter de doble enlace: moléculas aromáticas  Propiedades físicoquímicas de las bases púricas y pirimidícas 1. Existencia de dipolos eléctricos. La presencia de átomos electronegativos (N y O) permite la formación de interacciones polares (enlaces de H), importantes en la estructura secundaria. 2. Hidrofobicidad. Los anillos aromáticos de las bases nitrogenadas son apolares y, por lo tanto, hidrófobas y poco solubles en agua al pH celular (7.0); a pHs ácidos o alcalinos adquieren carga y se hacen más solubles en agua [más hidrofílicas] → interacciones de apilamiento (van der Waals y dipolo-dipolo). 3. Basicidad (propiedades ácido-base). Todas las bases nitrogenadas son bases débiles (átomos de N protonables; pKb 9-10), pero la presencia de sustituyentes (ejemplo: grupos OH ácidos) disminuye su carácter básico. 4. Tautomería.- Los grupos funcionales amino y ceto de las bases nitrogenadas están en equilibrios tautoméricos que afectan, entre otras cosas, a la capacidad de ionización y la formación de enlaces de H. 5. Absorción de luz UV.- Propiedad de las bases púricas y pirimidínicas debida a su carácter aromático y con máximo de absorción a 260nm. 6. Coplanariedad de los anillos. Propiedad asociada al carácter aromático de las bases nitrogenadas.  Propiedades físicoquímicas de 1. Existencia de dipolos eléctricos (1) Dipolos eléctricos las bases púricas y pirimidícas El H20 es un ejemplo de dipolo eléctrico En el H20 (un ejemplo de dipolo eléctrico) se producen enlaces de hidrógeno  1. Enlaces de Hidrógeno Los enlaces de hidrógeno son un tipo de interacciones débiles muy importantes en la estructura de las biomoléculas (como los ácidos nucleicos y las proteínas)  Propiedades fisicoquímicas de las bases púricas y pirimidícas Tautómeros de bases en función del pH (a) Tautomerización amino ⇄ imino (a) adenina y citosina Tautomerización ceto ⇄ enol (b) guanina y timina (a) (a) (b) (b) (b) - La tautomerización repercute en el apareamiento de bases. (a) Citosina está usualmente en la forma amino y raramente forma la configuración imino. (b) Guanina está usualmente en la forma ceto y raramente se encuentra en la forma enol.  Las bases libres de pirimidina y purina pueden existir como tautómeros Tautómeros: formas fácilmente interconvertibles en las Los grupos funcionales ceto y amino de las bases que podrían existir las bases nitrogenadas. nitrogenadas están sometidos a equilibrios Ejemplo: Uracilo: - Lactama tautoméricos que afectan, entre otras cosas, a su - Lactima - Doble lactima capacidad de ionización y de formación de enlaces de hidrógeno. predomina a pH 7.0 Tautomería ceto – enólica (lactama – lactima). La existencia de formas tautoméricas en equilibrio dinámico puede inducir, ocasionalmente, - Interconvierte un grupo ceto (= O) y enol (— OH) a que se produzcan errores en la síntesis de DNA. extracíclicos cerca de un N cíclico. Por ejemplo, hay dos tautómeros de timina, las formas ceto y enol, y cada molécula puede - Se puede producir en la G, C, T y U. cambiar de un tautómero al otro. El equilibrio muestra un alto sesgo hacia la forma ceto (fig. 1A), - Las lactimas imprimen un fuerte carácter ácido a pero de vez en cuando aparece la versión enol de 1A las bases. timina en el DNA molde, en el preciso momento en que está pasando la horquilla de replicación. Esto inducirá un “error”, porque la enol – timina se Tautomería imina-amina. Interconvierte un 1B aparea con G y no con A (fig. 1B). Se puede producir el mismo problema con la amino (—NH2) extracíclico en un imino (= NH) adenina, pues el raro tautómero imino de esta cerca de un N cíclico. Se puede dar en G, A y C. base se aparea preferentemente con C, y con la guanina, cuyo tautómero enol – guanina se aparea con timina. Después de la replicación, el tautómero raro siempre revertirá a su forma más común, lo En las bases libres las formas tautoméricas ceto y que provoca un error de apareamiento en la doble hélice hija. amino son las predominantes.  Otras bases derivadas de purina que aparecen de forma natural Otras bases de los ácidos nucleicos El DNA y el RNA contienen también otras bases secundarias (alteradas o poco comunes) además de las 4 principales. (a) En el DNA las más frecuentes son derivados metilados de las bases principales. Sirven a menudo como señales específicas para regulación o protección de la información genética. desoxirribosa desoxirribosa desoxirribosa (b) desoxirribosa (a) Algunas bases de purina y pirimidina del DNA (mostradas en forma de nucleósidos: base + azúcar): 5-metilcitidina: en DNA de animales y plantas superiores. N6-metiladenosina (en DNA bacteriano y eucariótico) y 5- hidroximetilcitidina (en DNA de animales y bacterias infectadas con ciertos bacteriófagos). (b) Algunas bases de tRNAs (25%) y rRNAs (nombradas como nucleósidos) se modifican postranscripcionalmente en todos los organismos. Inosina contiene la base hipoxantina; pseudouridina (isomerización de base), como la uridina, contiene U; difiere en el punto de unión de la ribosa (a través del N1 en el uridina y del C5 en la pseudouridina). Otros: dihidrouridina, ribotimidina.. - Además de las desaminaciones, y tiosustituciones (reemplazamiento de O con S), y que algunas bases sufren reordenamientos que cambian las posiciones de grupos, se conocen unos 96 nucleósidos modificados (81 en los tRNAs y 30 en los rRNAs) y muchas modificaciones covalentes internas como: metilaciones de adenosina: N6- metiladenosina (m6A; en mRNAs y long noncoding RNA (lncRNA), N1-metiladenosina (m1A) y N6,2-O-dimetiladenosina (m6 Am), y de citosinas: 5-metilcitosina y su producto de oxidación 5-hidroximetilcitosina (hm5 C); ver diap. 57-58).  Bases nitrogenadas minoritarias ó Muchas bases nitrogenadas minoritarias ó atípicas del DNA (y los RNAs) surgen de (1) modificaciones enzimáticas (modificaciones covalentes) o (2) no enzimáticas (espontáneas o atípicas del DNA inducidas por agentes físicos o químicos, externos o internos) Uracilo: es atípica en el DNA (no en el RNA), puede (1) Bases nitrogenadas derivadas de modificaciones covalentes: metilación aparecer a veces bien por "desaminación de la citosina", o bien por "incorporación directa como dUTP" por DNA metilasas (DNA metil-transferasas, DMT). en caso de determinadas patologías metabólicas. Algunas bases del DNA son metiladas 5-metil-citosina: resultado de una metilación de la (1) A y C se metilan con más frecuencia que G y T. citosina, y interviene en procesos de regulación génica de eucariotas, o en el caso de procariotas en procesos Todas las DMT metilasas conocidas (enzimas de reparación de DNA o sistemas de restricción- escritores) utilizan S-adenosilmetionina (fig. 1) como modificación para evitar el ataque del DNA por las coenzima (cosustrato) donante de grupos metilo. nucleasas. En eucariotas, el 5% de los residuos de citidina están metilados→ 5-metil citosina (5mC; fig. 2). 6-metil-adenina: resultado de una metilación de la Afecta el metabolismo del DNA y la expresión y adenina, se da "exclusivamente” en DNA procariotico" regulación génica (regulación epigenética; L2.II y L9). (no en eucariotas, y su función es la misma que la La desmetilación de la 5mC puede ocurrir de forma no indicada para la 5-metil-citosina) y también en los enzimática espontánea (diap. siguiente) y de forma mRNAs eucarióticos. pasiva o activa (enzimáticamente) mediada por desmetilasas (familia TET, L9), enzimas borradoras. 5-hidroximetil-citosina: es importante en "fagos del tipo Tpar" (virus de bacterias), y actúa protegiendo el (2) DNA fágico de las nucleasas durante su infección sobre bacterias. La formación de 5-metilcitosina ocurre por metilación de una base de citosina (C) en la doble hélice del DNA. En los Br-uracilo: "análogo estructural de la timina", ya que vertebrados, este evento se limita en gran medida a lleva Br en el C5 (en vez del metilo de la timina). Se nucleótidos de (C) seleccionados ubicados en la secuencia CG. Las secuencias CG a veces se denominan secuencia emplea en laboratorio para el marcaje del DNA, y como CpG, donde la p indica un enlace fosfato para distinguirlo estabilizador de la estructura del DNA-Z. de un par de bases CG.  “Base flipping” (Eversión de bases) Las metilasas (DNA-metil-transferasas [DMT], que metilan el DNA en la posición 5´de la citosina, C (figs. 1A y 2) y ciertas enzimas, como las que retiran bases dañadas del DNA (1B) o las implicadas en recombinación o reparación del DNA, provocan el proceso de “base flipping” (eversión de bases), en el que las bases individuales pueden sobresalir de la doble hélice del DNA. (Fig. 1) 1A. Las DMT distorsionan los pb adyacentes al residuo de C evertido del DNA que se va a modificar. (A) Estas citosinas, C, previamente, estaban empaquetadas (Fig. 2) fuertemente en el interior de la doble hélice de DNA. (B) 1B. El reconocimiento de un nucleótido inusual en el DNA por cambio de base. La familia de enzimas DNA glucosilasa reconoce Fig. 2. Las DMT situarán a esas C (rojo) en el bases inapropiadas en el DNA en la conformación que se muestra. centro activo del enzima, al tiempo que una Cada una de estas enzimas escinde el enlace glucosilo que cadena lateral de un residuo aminoacídico de la conecta una base particular reconocida (amarilla) con el azúcar enzima se apila temporalmente con los del esqueleto, eliminándolo del DNA. nucleótidos adyacentes en el DNA. Fig. 1 (2) Las bases nitrogenadas de los nucleótidos y los ácidos nucleicos sufren Fig. 2 transformaciones no enzimáticas: reacciones de desaminación (fig. 1-2) Desaminación: pérdida espontánea de grupos amino exocíclicos. Desaminación de citosina a uracilo: ~100 eventos / día. - reconocidos como extraños en el DNA y eliminados. - casi con certeza por qué el DNA contiene timina en lugar de uracilo. Figura 2. Desaminación de nucleótidos del DNA. En cada caso, el átomo de oxígeno que se agrega en esta reacción con el agua se colorea de rojo. (A) Los productos de desaminación espontánea de A y G son reconocibles como no naturales cuando ocurren en el DNA y, por lo tanto, se encuentran y reparan fácilmente, al igual que la desaminación de C a U; T no tiene ningún grupo amino para eliminar. (2) La desaminación hidrolítica espontánea de la 5mC genera timina que, normalmente, no se repara* Alrededor del 3% de los nucleótidos C en los DNA de vertebrados están metilados para ayudar a controlar la expresión génica. Cuando estos nucleótidos 5-metil C se desaminan accidentalmente, forman el nucleótido natural T. Este T se emparejará con una G en la hebra opuesta, formando un par de bases no coincidentes.  Reacciones de desaminación y despurinización (2) Despurinización = hidrólisis del enlace N-β-glucosilo entre la base y la pentosa - crea un sitio AP (apurínico, apirimidínico) o un sitio abásico - más común con las purinas (1) (2) La desaminación (1) y despurinización (2) son las reacciones químicas espontáneas más frecuentes que se sabe que crean daños graves en el DNA de las células. (A) El principal tipo de reacción de desaminación convierte la citosina en uracilo que, normalmente no se encuentra en el DNA. Sin embargo, la desaminación también puede ocurrir en otras bases. Tanto la desaminación como la despurinización tienen lugar en el DNA de doble hélice y ninguna rompe el esqueleto del fosfodiéster. (B) La despurinización puede eliminar la guanina (o la adenina) del DNA.  Alteraciones espontáneas, como la desaminación puede llevar a mutaciones puntuales y requieren reparación del DNA Desaminación accidental de la C metilada no puede reparase (A): el producto de la (C) (A) desaminación es Timina, e indistinguible de otros nt T no mutantes en el DNA). (A) (B) Aunque existe un sistema de reparación especial para eliminar esos nt T mutantes, muchas de las desaminaciones escapan a la detección, de forma que los nt C metilados en el genoma tienden a mutar a T en el tiempo de evolución. (B) La desaminación de la citosina, si no se corrige, da como resul- La desaminación accidental de la C tado la sustitución de una base por otra cuando se replica el DNA (B). La desaminación de la citosina produce uracilo. El ura- no metilada → Uracilo (se repara (C: cilo se diferencia de la citosina en sus propiedades de empareja- fácilmente reconocido por la Ez miento de bases y se empareja preferentemente con la adenina. uracilo DNA glucosidasa, escindida y Por lo tanto, la maquinaria de replicación del DNA inserta una adenina cuando encuentra un uracilo en la hebra molde. reemplazada con una Citosina).  ZTCG: Los virus expanden el alfabeto genético Los virus construyen el nucleótido Z, identificado en meteoritos, reemplazando a la adenina (A) en los genomas de DNA. En 1.977 se descubrió el DNA virus cianófago S-2L, con todos los casos de A sustituido con 2-aminoadenina (Z) en todo su genoma formando el alfabeto genético ZTCG. Diversos estudios identificaron "genomas Z" adicionales en diversos bacteriófagos (virus que infectan bacterias), que puede haber ofrecido ventajas evolutivas (junto con el DNA estándar, ATCG) desde que comenzó la vida. El DNA sustituido con Z (dZ-DNA) se forma con pb Z:T mediante 3 enlaces de hidrógeno, lo que aumenta el número de enlaces y, por lo tanto, la estabilidad en comparación con A:T. La presencia de Z constituye el primer ejemplo de una nucleobase no estándar que altera naturalmente el emparejamiento de bases canónicas y le confiere 3 propiedades especiales: (a) Estabilidad térmica: el dZ-DNA es más estable a altas temperaturas. (b) Especificidad de secuencia: una sola hebra de dZ-DNA es más precisa en la unión a secuencias de DNA complementarias. (c) Resistencia a nucleasas: el es resistente a la degradación por nucleasas que reconocen y cortan secuencias de DNA específicas que contienen A. Entre las propiedades mecánicas del dZ-DNA helicoidal muestran: - mayor rigidez, - estabilidad térmica y de fuerza, y - propensión a adoptar una forma helicoidal no estándar.  El azúcar (pentosa) es el componente neutro Hay 2 tipos de pentosas: (a) ribosa (RNA) y 2´-desoxirribosa (DNA) Conformaciones de la ribosa. (a) En solución están en equilibrio las formas abierta (aldehído) y cerrada (β-furanosa) de la ribosa libre. Es similar para desoxirribosa, aunque en el DNA aparece sólo como β-2´-desoxi-D-ribofuranosa. (b) Los anillos de ribofuranosa en los nucleótidos pueden existir en 4 diferentes conformaciones. En todos los casos, 4C de los 5C están casi en el mismo plano. El 5º átomo de C (C-2´ o C-3´) o bien está en el mismo plano (endo) o en el lado opuesto (exo) del plano relativo al átomo del C-5´.  La unión covalente (enlace N-glucosídico) se establece entre la base púrica (N9) o pirimidínica (N1) y el C1 (anomérico) del azúcar (ribosa o desoxirribosa) Además de los nucleósidos componentes de los ácidos nucleicos hay otros de interés biológico (diap. 13): en RNA inosina, pseudouridina, dihidrouridina componentes de coenzimas (S-Adenosil-metionina [SAM], vitamina B12) formas activadas de precursores biosintéticos (UDP- glucosa..); y también importancia clínica: antibióticos (puromicina) o análogos de nucleósidos naturales con aplicación antiviral o anticancerosa. El fosfato es el componente ácido y aparece como anión a pH 7 Se neutraliza con cargas (+) de proteínas, iones metálicos o poliaminas  NUCLEÓTIDO = NUCLEÓSIDO + GRUPO FOSFATO - La unión covalente entre el nucleósido (base nitrogenada + azúcar) y el fosfato se establece a través de un enlace éster generando un nucleótido.  Propiedades químicas de los nucleósidos y nucleótidos - Propiedades iónicas.- Consecuencia de la disociación (en disolución acuosa) de los grupos fosfato (son fuertemente ácidos) y cargados negativamente (aniones) a pH fisiológico (7.0). - Absorción de luz UV.- Debido a las bases nitrogenadas y en valores próximos a 260 nm. - Formación de complejos.- Los nucleósidos di (NDP) y trifosfato (NTP) muestran afinidad por cationes divalentes (Mg2+, Mn2+ y Ca2+) debido a sus grupos fosfato y no existen como aniones libres, sino en forma de complejos quelato 1:1 (principalmente Mg2+). - Nucleótidos como reservas energéticas. Muchos nucleótidos (sobre todo NDP y NTP) actúan como compuestos ricos en energía: ej. los NTP intervienen como precursores en la síntesis de DNA y RNA con liberación de pirofosfato). - Nucleótidos cíclicos y complejos.- No forman parte de los ácidos nucleicos pero desempeñan funciones (muchas veces) esenciales en los seres vivos. - Hidrólisis.- Los nucleósidos y nucleótidos pueden hidrolizarse en sus componentes usando medio ácido o alcalino. (3) Niveles estructurales: Estructura primaria de los ácidos nucleicos Son polímeros de nucleótidos (polinucleótidos) formando largas cadenas polinucleotídicas (normal- mente largas) en las que el grupo fosfato (P) en 5´de un nucleótido está unido al grupo hidroxilo (OH) en 3´del nucleótido siguiente mediante un enlace fosfodiéster. Los esqueletos covalentes de los ácidos nucléicos son residuos alternados de fosfato y pentosa. Las bases nitrogenadas pueden considerarse como grupos laterales situadas a intervalos regulares. Las cadenas tienen polaridad específica y extremos 5´y 3´diferenciado: - el extremo 5´carece de nucleótido en posición 5´ y - el extremo 3´ carece de nucleótido en posición 3´.  Propiedades fisicoquímicas de los ácidos nucleicos Propiedades en disolución.- Las cadenas polinucleotídicas de DNA y RNA son hidrófilas, debido a la posibilidad de formación de enlaces de H entre los numerosos grupos (P) y los OH del azúcar a lo largo del esqueleto y el agua. - Aunque las bases son esencialmente hidrófobas, contribuyen poco a la polaridad debido a su ubicación aislada del medio acuoso. - Los grupos (P) están ionizados completamente a pH fisiológico por lo que las moléculas de DNA y RNA se comportan como ácidos y tienen numerosas cargas negativas (polianiones). Reactividad.- Generalmente, los ácidos nucleicos, son químicamente muy estables, especialmente el DNA, debido a que la desoxirribosa carece de grupos (OH) reactivos. - El RNA es algo más reactivo debido a los grupos 2´-OH (reflejado en sus propiedades). - Hidrólisis química de ácidos nucleicos: Absorción de luz UV.- La similitud en el valor máximo de absorción (260nm) de las diferentes bases se puede utilizar para detectar y cuantificar los ácidos nucleicos (así como las bases, nucleósidos y nucleótidos).  Experimento de Hersey-Chase (1952) (4) El DNA es el material genético Experimento de Avery, McLeod y McCarthy (1944) El neumococo tipo R puede ser transformado en neumococo tipo S por el DNA 3’ 5’ del neumococo S. El DNA introducido en la bacteria contiene la información necesaria para Esta transformación se transmite a la descendencia. generar varios virus, es decir, el DNA es el portador de la información genética.  (4) El DNA es el material genético Edwin Chargaff (1949) Observaciones experimentales y reglas de Chargaff La composición de bases del DNA: 1. Varia según la especie 2. Es la misma en tejidos de la misma especie 3. No varía con la edad, estado nutricional o variaciones ambientales  Todos los DNAs celulares contienen A=T y G=C y  Siempre la suma de purinas es igual a la de pirimidinas: A+G = T+C  Reglas de Chargaff 1. Relación entre las bases.- En prácticamente todas las especies se cumple: el contenido de A ≈ T y el de G ≈ C. A ≈ T → Razón A/T ≈ T/A ≈ 1 G ≈ C → Razón G/C ≈ C/G ≈ 1 Explicación: naturaleza bicatenaria del DNA (complementariedad de bases A-T y G-C). No se cumple en especies con material genético que sea RNA o DNA monocatenario). 2. Relación entre purinas y pirimidinas.- Consecuencia del anterior: Siempre hay un 50% de bases púricas y un 50% de pirimidínicas. A+G ≈ T+C ≈ 50% → Razón (A+G) / (T+C) ≈ 1 purinas ≈ pirimidinas ≈ 50% → Razón purinas/pirimidinas ≈ 1  Maurice Wilkins (4) El DNA es el material genético Cristalografía por rayos X Estudiada por: L. Pauling (Caltech) M. Wilkins y R. E. Franklin (Londres) Análisis estructural del DNA J. D. Watson y F. H. C. Crick (Cambridge) Rosalind Franklin (1) La molécula de DNA es una cadena extendida con una estructura altamente ordenada. (2) La molécula de DNA es helicoidal y tiene 20 Å de diámetro. (3) La hélice del DNA está compuesta por dos hebras helicoidales. (4) Las bases de los nucleótidos están apiladas con los planos separados por una distancia de 3,4 A.  Modelo de Watson y Crick El DNA B es la forma más común y más estable en las células de todas las que puede adoptar el DNA en condiciones fisiológicas * Complementariedad de las bases nitrogenadas: - emparejamiento de bases y efecto del pH * Geometría de los pares de bases * Hebras antiparalelas * Secuencias diferentes en ambas hebras * Helicidad y carácter dextrógiro * Carácter anfipático y estabilidad de la doble hélice * Coplanariedad, apilamiento de bases y carácter hidrofóbico * Superficie de la molécula: surcos en el DNA * Significado biológico: idoneidad para la replicación  Estructura Secundaria: DNA-B (interacciones no covalentes que definen la conformación local). - Se asocian, mediante enlaces de H, 2 cadenas polinucleotídicas a través de las bases nitrogenadas que sobresalen (hacia el interior) del esqueleto azúcar-(P). Modelo original de Watson y Crick de la estructura del DNA.- Se muestran los apareamientos de bases entre purinas (azul) y pirimidinas (amarillo), y las uniones fosfodiéster del esqueleto. La estructura helicoidal de Watson y Crick del DNA. El modelo original propuesto tenía ∼10.5 pb con una vuelta de hélice (36 Å o 3.4 nm) (a) Modelo esquemático con las dimensiones de la doble hélice. (b) Representación que muestra es esqueleto y las bases apiladas. (c) Modelo de la doble hélice con espacio relleno. El azúcar y el (P) en cada cadena forman el esqueleto (rojo, gris y azul), mostrando el giro general de la molécula. Las bases se proyectan hacia dentro pero son accesibles por los surcos menor y mayor. Hélices dextrógiras y levógiras Las 2 cadenas polinucleotídicas en la doble hélice se envuelven una sobre la otra en forma dextrógira. Enlaces fosfodiéster en la estructura covalente del DNA. Los enlaces fosfodiéster unen las diferentes unidades de nucleótidos formando un esqueleto alternante de pentosa y fosfato (DNA y RNA) que es muy polar. Estructura de un polímero de polinucleótidos.- Apareamientos de bases entre purinas y pirimidinas, y las uniones fosfodiéster del esqueleto. H O N - O O H O N P O N CH2 - H O N O O N O H O- N P H 2C N N O H O O- N - O N O O O H H CH2 P N - O N N O O H O- N N P H 2C H H N O O O- O H N N O - O O N H CH2 P O - N N O H3C H O O N O- P H 2C N O H 3C O O- O O - O O H O H N N CH2 P N - H O N O O O N O- P H 2C N N O H O O- N - O O H O N O N CH2 P - H O N O O N O H O- N P H 2C N N O H O O- O El esqueleto polar desoxirribosa-(P) de las 2 cadenas (hidrofílico), está en el exterior de la hélice, de manera que los átomos polares del esqueleto forman enlaces de H externos con las moléculas de agua que las rodean. El esqueleto de una hebra de DNA contiene de forma repetida grupos (P) cargados [-], los cuales, a lo largo de las cadenas se repelen entre sí, por lo que los esqueletos desoxirribosa-(P) se mantienen aparte y las 2 cadenas se juntan mediante apareamientos de W y C. Consecuencia: grupos (P): situados en la superficie exterior de la doble hélice, minimizando los efectos repulsivos. Esas cargas se apantallan electrostáticamente una de otra por unión de cationes divalentes (particularmente Mg2+) que se unen fuertemente a los (P) aniónicos. En el modelo de W y C el anillo de (desoxi)ribofuranosa está en conformación C2-endo (hélice tipo B).  Las bases de ambas hebras están apiladas en el interior de la doble hélice, con sus estructuras en anillo casi planares e hidrofóbicas perpendiculares al eje de la hélice. Se mantienen gracias a interacciones hidrofóbicas (entre regiones no polares) en las que 2 o más bases se posicionan con los planos de sus anillos paralelos (como una pila de monedas). El apilamiento de bases ayuda a minimizar el contacto de las bases con el agua e implica, también, una combinación de interacciones de Van der Waals y dipolo-dipolo; constituyen, además, uno de los 2 modos importantes de interacción entre las bases. Los apareamientos son específicos, siempre purina: pirimidina: A=T y G=C (hebras complementarias) y cumple una de las reglas de Chargaff) a través de 2 y 3 enlaces de H, respectivamente; los azúcares de los respectivos nucleótidos tienen orientaciones opuestas. Esta es la razón por la que los esqueletos desoxirribosa-(P) van en direcciones opuestas (hebras son antiparalelas; es decir, cada hebra es distinta; no son idénticas en secuencia o composición).  Fuerzas que estabilizan la doble hélice - Apareamiento de bases entre las 2 cadenas mediante: - Enlaces de hidrógeno (específicos) entre las bases - Apilamiento de bases (fuerzas atractivas no específicas entre los pares de bases apiladas (adyacentes), una vez reunidas las cadenas por apilamiento de bases  Los surcos mayor y menor del DNA y su importancia biológica El apilamiento sucesivo de los pb genera el surco mayor (ángulo ancho) en un borde y el menor (ángulo estrecho) en el otro borde. Los surcos mayor y menor surgen como consecuencia de la geometría de los pb (la unión asimétrica de las bases al esqueleto azúcar-(P): el ángulo por el que sobresalen los 2 azúcares de los pb, i.e. ángulos de las uniones glucosídicas (120o, ángulo estrecho y 240o, ancho). El surco mayor es rico en información química Los grupos químicos (donadores y aceptores de enlaces de H) de las bases nitrogenadas expuestos en el surco mayor constituyen un código informativo para proteínas de unión al DNA implicadas en la regulación de la expresión génica (ver L8 y L9) que identifican el pb, sin tener que abrirlo y alterarlo. - El código diferencia que tipo de base está y en que orientación (distingue A:T de G:C y A:T /T:A y G:C/C:G). - Importancia: permite a las proteínas reconocer sin Figura.- Grupos químicos expuestos en los surcos mayor y menor equivocación las secuencias de DNA sin tener que abrir y a lo largo de los bordes de los pares de bases. destruir la doble hélice. Letras en rojo identifican: aceptores de enlaces de H (A), - El surco menor (con < capacidad de acomadar R-aa), sólo donadores de enlaces de H (D), hidrógenos no polares (H) y grupos puede diferenciar A:T y G:C y permite que algunas proteínas metilo (M): ADAM (surco mayor) → A:T y MADA (surco mayor) → T:A; ADH (surco mayor) → G:C. y HDAA (surco mayor) → C:G. (ej DNA pol) puedan reconocer correctamente el pb del DNA-B.  Interacción entre DNA y DNA-BP (proteínas de unión al DNA; L6): Lectura directa e indirecta del DNA (ver diap. 44) (A) Lectura directa. El componente predominante de la interacción entre DNA-BP y sus sitios de fijación en el DNA es el reconocimiento de una secuencia específica formando contactos con los grupos químicos unidos a esas bases que están expuestas en los surcos mayor y menor en la espiral de la doble hélice. (B) Lectura indirecta. La interacción en la lectura directa puede ser ayudada por la influencia que la secuencia de nucleótidos tiene en la conformación precisa de la hélice → las características conformacionales representan un segunda manera, menos directa, por la que la secuencia de DNA puede influenciar la unión de proteínas. Contactos entre DNA y proteínas - Son no covalentes y se producen en: - surco mayor (uniones de H entre bases nucleotídicas y R-aa) - surco menor (uniones de H e interacciones hidrofóbicas, que son más importantes) - superficie de la hélice de DNA: principales: interacciones electrostáticas (entre cargas [-] de grupos (P) y cargas [+] de R-Lys y Arg también ocurren algunas interacciones hidrofóbicas. - En algunos casos, las uniones de H en la superficie o en el surco mayor ocurren directamente entre DNA y proteína; en otros es mediado por moléculas de agua. - La mayoría de las proteínas que se unen específicamente al DNA, también pueden unirse no específicamente a otras partes del DNA. De hecho, se ha sugerido que la cantidad de DNA en una célula es tan grande, y el nº de cada DNA-BP tan pequeño, que las proteínas pasan la mayor parte de su tiempo unidas no específicamente al DNA. - La unión específica es más favorable termodinámicamente y, así, una proteína, es capaz de unirse a su sitio específico incluso aunque haya millones de otros sitios a los cuales pueda unirse no específicamente. Esa favorabilidad termodinámica de unión específica se consigue estableciendo el mayor nº de contactos posibles DNA-proteína (esto explica en parte por qué las estructuras de reconocimiento de muchos motivos de unión al DNA han evolucionado para encajar cómodamente en el surco mayor de la hélice, en donde la oportunidad de contactos DNA-proteína es mayor). También explica por qué algunas interacciones DNA-proteína resultan en cambios conformacionales de un compañero u otro, incrementando la complementariedad de las superficies interactuantes y permitiendo que ocurran uniones adicionales. - La necesidad de maximizar los contactos para asegurar la especificidad es también una de las razones por las que las DNA-BP son dímeros..(HTH, y muchas Zin finger..)..  (5) Estructuras tridimensionales alternativas de la doble hélice del DNA DNA (y las cadenas polinucleotídicas) no estructura estática → muy flexible (con limitaciones, pero que permite formar círculos y superenrollamientos) y dinámica. DNA → adopción in vivo más de un tipo de estructura dúplex (las variantes estructurales del DNA) dependiendo de: (1) la capacidad de rotación alrededor de los enlaces de los nucleótidos (diap. siguiente, 40): - rotación alrededor de varios tipos de enlaces del esqueleto desoxirribosa-(P) - rotaciones precisas de los pb apareadas (que no son constantes), produciendo variaciones locales en la anchura de los surcos o - fluctuaciones térmicas → producen flexión (doblado), estiramiento y desapareamientos (fusión) de hebras. (2) las condiciones ambientales (ej: las estructuras secundarias doble helicoidales o variantes conformacionales DNA-B, DNA-A y DNA-Z) y (3) la secuencia de bases en ciertas regiones de la cadena polinucleotídica. (a) DNA-B (forma usual más estable y en la que aparece la mayor parte del DNA en las células): - 1 vuelta helicoidal por cada ∼10 pb (3.4 nm). - bases apiladas adyacentes separadas cada 0.34 nm (visibles los surcos mayor y menor). La forma B (en fibras de DNA) representa una estructura ideal que se desvía en 2 aspectos del DNA celular: (1) DNA en solución es más retorcido (tiene 10.5 pb/vuelta); (2) Es una estructura promedio (el DNA real no presenta una regularidad perfecta, sino variaciones en su estructura precisa de un par de bases: los 2 miembros de cada pb no siempre están en el mismo plano exacto (fig. derecha: “torsión de hélice”) y la rotación precisa no es una constante, por lo que la anchura de los surcos varía a nivel local. Consecuencia: las moléculas de DNA nunca son hélices dobles con regularidad perfecta y su Figura.- El giro de hélice entre los pb purina y pirimidina de una hélice dextrógira. (a) Secuencia de 3 conformación exacta depende de qué pb (A:T, T:A, G:C o C:G) esté presente en cada posición a lo pb A:T consecutivas con uniones normales de WC. (b) Una “torsión de hélice” (las 2 bases contrarrotan largo de la doble hélice y de la identidad de los pares de base vecinos. una en relación a la otra) provoca la rotación de las bases sobre sus ejes longitudinales.  (1) Las estructuras doble helicoidales pueden (b) Variaciones estructurales del DNA.- La conformación de un nucleótido en adoptar diversas conformaciones estables el DNA está afectada por la rotación de ~7 enlaces diferentes. Cada segmento desoxirribosa-(P) del esqueleto tiene posibilidad de giro en 6 enlaces (fig. 2). Las variaciones estructurales reflejan 3 aspectos: (a) diferentes conformaciones posibles de la desoxirribosa: endo, exo (afectan a los carbonos 2 y 3) Fig. 2 → C2 (endo/ exo o) y C3 (endo/ exo), (fig. 1) (b) rotación de enlaces contiguos del esqueleto desoxirribosa-(P) (fig. 2) (c) rotación libre sobre el C1´-N-glucosídico (fig. 3). (b) Los anillos de furanosa de las pentosas no son planares, sino que, debido a la rotación limitada del enlace 4, el anillo adopta una conformación fruncida. Esta conformación es endo o exo, dependiendo de si el átomo está desplazado hacia el mismo lado del plano como el C-5´ o en el lado opuesto. Fig. 3 Fig. 1 (c) Un 7º enlace por nucleótido permite la rotación libre sobre los enlaces C1-N-glucosídicos, pero que está sometido a restricciones estéricas (fig. 3). Fig. 3 Fig. 3. En los nucleótidos de purina las bases se pueden presentar 2 conformaciones estéricamente permitidas: anti (en DNA dextrógiro) y sin (en DNA levógiro). Las pirimidinas aparecen siempre en anti (tanto DNA dextro como levógiro).  (2) Modelos doble helicoidales de las estructuras secundarias del DNA-B, DNA-A y DNA-Z (a) El DNA-B representa la forma estudiada por WC (favorecida en condiciones de humedad alta (92%) la biológicamente más importante). (b) DNA-A (existe bajo condiciones de baja humedad; < 75%) más compacto, con 11 pb/vuelta, gran inclinación de los pb con respecto al eje de la hélice (ver tabla) y, además, tiene un agujero central (imagen central). La desoxirribosa está en conformación C3-endo. Son menos visibles los surcos mayor y menor y es la forma adoptada por fibras de DNA deshidratadas (como en esporas bacterianas y fúngicas), híbridos RNA-DNA y hélices doble helicoidales (RNA 2C; RNA-RNA). El C2´-OH de la ribosa del RNA previene estéricamente la formación de estructuras tipo B en el RNA. La conformación tipo DNA-A (no se sabe si existe en las células) puede ser inducida por algunas proteínas que forman complejos DNA-proteína. Baja hidratación Alta humedad (92%) (< 75%) y baja fuerza iónica) Regiones ricas en G-C Alta fuerza iónica (c) DNA-Z (requiere una composición especial de bases) más “esbelto” y elongado, con giro levógiro de 12 pb/vuelta y un esqueleto con apariencia en zig-zag. Descubierto en desoxinucleótidos sintéticos (dCdG)6, aparece en tramos cortos del DNA con regiones de El esqueleto azúcar-(P) de cada cadena está en el exterior en todas las estructuras (una secuencia alterna de pirimidinas-purinas, o en secuencias como 5mCGAT5mCG, con residuos C (o 5-metil-C) y G. púrpura y otra verde) con las bases orientadas hacia adentro. Se cree que in vivo la metilación de la C favorece el tránsito DNA-B a Z (es un grupo hidrofóbico que sobresale Se piensa que, “in vivo” estas 3 formas no se interconvierten libremente, sino bajo ciertas en el ambiente acuoso del surco mayor y podría tener un papel en regulación de la expresión de algunos genes condiciones. o en recombinación genética), así como el estrés torsional.  Fig.1 El DNA Z aparece en ciertas las condiciones ambientales (2) y/o según la Fig.2 secuencia de bases en ciertas regiones de la cadena polinucleotídica (3) El cambio en las relaciones topológicas de pares de bases de DNA B a DNA Z Fig.1. Un segmento GCGCGC de 6 pb de DNA B (1) se convierte en DNA Z (2) a través de la rotación de los pb, como se indica por las flechas curvadas. Fig.2. Los anillos de purina (verde) de los nucleósidos desoxiguanosina rotan vía un cambio anti a sin en la conformación del enlace glucosídico guanina- desoxirribosa. Los anillos de pirimidina (azul) están girados al darse la vuelta completa el nucleósido desoxicitosina (base y desoxirribosa). Fig.2 (c) DNA-Z. El giro levógiro del DNA-Z se debe a la conformación sin de los anillos de purina (que se alternan con los de pirimidina en conformación anti y genera la apariencia en zig-zag, z) y también provoca que las desoxirribosas tengan conformaciones diferentes dependiendo de si están unidas a bases pirimidínicas (C2- endo) o púricas (C3-endo). Hay datos de la presencia de fragmentos cortos de DNA-Z en bacterias y eucariotas. **DNA Z (levógiro y Lk [-]; ↓ el sup [-]).. ¿Papel en la regulación de la expresión de algunos genes o en recombinación genética?  (2) Variantes locales de la estructura secundaria del DNA-B dependientes de secuencia: Curvaturas/ Doblamientos Los pbs A=T (tramos de 3 a 5 A consecutivas y espaciadas a intervalos de 10 pb) tienen una tendencia intrínseca a curvarse hacia el surco menor, ayudando a plegar el DNA en un círculo (fig. 1). DNA intrínsecamente curvado podría facilitar la unión de algunas proteínas al DNA. En otros casos, se produce por la unión de una proteína (fig. 2). El DNA doblado aparece en el origen de la replicación de algunos virus y de los cromosomas de levaduras. Se cree que ayuda a la unión de proteínas que inician la replicación del DNA. Fig. 1. Curvaturas del DNA debido a múltiples tramos de A. El doblamiento del DNA ocurre en el lado 3´ de los tramos de A. La doble hélice puede también plegarse por unión de proteínas Las proteínas que se unen al surco menor (menos común) causan curvatura/ doblamiento) en el DNA debido a que es tan estrecho que debe ser forzado a abrirse para acomodar la mayoría de los motivos de unión. Las proteínas que se unen al surco mayor también pueden causar curvatura/flexión en el DNA cuando una proteína dimérica u oligomérica se une a sitios adyacentes en el DNA. Ejemplo (fig. 2). Fig. 2. La interacción con una proteína (como TBP) puede curvar el DNA. El dominio C-terminal conservado de la proteína que se une a la caja TATA (TBP, componente del TFIID) se une al del surco menor en secuencias específicas del DNA ricas en A y T, desenroscando y curvando profundamente la doble hélice. La transcripción de la mayoría de los genes (Fig. 1) (Fig. 2) eucariotas requiere de la participación de la TBP.  Variaciones conformacionales en la estructura secundaria del DNA y lectura directa de la secuencia de nucleótidos La lectura directa es posible sin rotura de los pb y apertura de la molécula.. Las bases nucleotídicas del interior de la molécula de DNA no están totalmente escondidas → algunos de los grupos químicos unidos a las bases de purina y pirimidina son accesibles fuera de la hélice → posible la lectura directa de la secuencia de nucleótidos sin rotura de los pb y apertura de la molécula.. Par las interacciones de las proteínas con los grupos unidos a las bases nucleotídicas, una proteína de unión debe hacer contactos dentro de uno o los 2 surcos del DNA (en la superficie de la hélice). DNA B: la lectura directa y no ambigua (predominantemente dentro del surco mayor (es menos precisa en el surco menor). DNA A: surco mayor es profundo y estrecho y menos fácilmente penetrable por cualquier parte de una molécula proteica. surco menor, poco profundo, es probable que desempeñe un papel sustancial en la lectura directa. DNA Z: surco mayor (prácticamente inexistente; sólo se observa un surco, semejante al surco menor); la lectura directa es posible en cierta extensión sin moverse más allá de la superficie de la hélice.  (3) La secuencia de nucleótidos tiene numerosos efectos indirectos sobre la estructura de la hélice Creencia original: Las moléculas celulares de DNA tendrían estructura bastante uniforme, principalmente compuesta por: - DNA B de la doble hélice (la mayoría de la longitud de la doble hélice) y, podrían existir: - DNA A (algunos segmentos cortos ) - DNA Z (tramos especialmente cerca de los extremos de la molécula) Conocimiento actual: DNA es mucho más polimórfico → posibilidad de coexistir las formas DNA B, A y Z (e intermedias entre ellas) en una sola molécula de DNA. También podría haber regiones de DNA-B, con surcos mayor y menor mostrando dimensiones atípicas. Esas variaciones conformacionales de la doble hélice de DNA son secuencia-dependientes como resultado de: - interacciones de apilamiento de bases que ocurren ente pb adyacentes - posibilidades rotacionales alrededor de las uniones covalentes dentro de los nucleótidos individuales, a su vez influenciadas por: - interacciones de apilamiento de bases - identidades de los pb vecinas Consecuencia: La secuencia de nucleótidos afecta indirectamente a la conformación general de la hélice, posiblemente proporcionando información estructural que una proteína de unión puede usar para ayudar a localizar su apropiado sitio de fijación en la molécula de DNA. Ahora mismo, esto es solo una posibilidad teórica, ya que no se ha identificado ninguna proteína que reconozca específicamente una forma B no canónica de la hélice, pero muchos investigadores creen que la conformación de la hélice es probable que pueda desempeñar algún papel en la interacción entre el DNA y proteínas.  (6) Formación de estructuras inusuales del DNA dependientes de Palíndromos secuencia El DNA también forma estructuras terciarias plegadas Repeticiones Invertidas (Palíndromos) La secuencia de una hebra del DNA, leída de izquierda a derecha, es igual que la de la otra hebra leída de derecha a izquierda → las 2 hebras de un palíndromo tienen la misma secuencia. En ácidos nucleicos son secuencias de doble hebra con simetría binaria. Para superponer una repetición (secuencia sombreada) sobre la otra repetición, debe ser rotada 180o sobre el eje horizontal y luego rotada otros 180o sobre el eje vertical. Las secuencias palindrómicas son autocomplemetarias  Consecuencias estructurales de los palíndromos: horquillas y estructuras cruciformes (a) El DNA (o RNA) palindrómico pueden formar estructuras alternativas: (1) En Ácidos nucleicos monocatenarios - Se produce la formación de horquillas. (a) cuando sólo está implicada 1 hebra del DNA (o RNA) y posean regiones auto-complementarias (las 2 mitades del palíndromo). (b) (2) En Ácidos nucleicos bicatenarios - Se produce la formación de estructuras crucifomes o de doble horquilla (b) por apareamientos de bases intracatenarios. (b) En el ejemplo se muestra una estructura cruciforme con 2 bucles al ser un palíndromo interrumpido. La probabilidad de formar estructuras cruciformes se incrementa con: - la longitud de la repetición invertida - el nivel de superenrollamiento negativo (ver más adelante).  Las repeticiones invertidas (palindrómicas) son lugares de unión para proteínas reguladoras - Las regiones palindrómicas son sitios reconocidos (dianas) por proteínas que se unen al DNA de forma específica; ejemplos: (a) enzimas de restricción (b) proteínas reguladoras génicas (reguladores transcripcionales o factores de transcripción) que intervienen en la regulación de la expresión génica (c) transposasa (enzima que actúa en los extremos de transposones) - También son repeticiones invertidas secuencias de terminación de la transcripción en E. coli: cuando se transcriben esas secuencias, el mRNA forma una horquilla (que interactúa con la RNA pol) y desestabiliza el complejo triple: DNA-mRNA (poco estable debido a apareamientos A-U en la horquilla)- RNA polimerasa… Si las subunidades de la proteína reguladora son idénticas, cada una reconoce una de las repeticiones invertidas en el par (cada una de las hebras del DNA), de manera que las mismas regiones de cada subunidad se enfrentan entre sí, e incrementando la especificidad y la afinidad de unión. Las proteínas reguladoras, como los factores de transcripción, pueden reconocer el patrón de bases y las posibilidades de enlaces de H en el surco mayor (que es suficientemente grande para acomodar una hélice alfa de una proteína).  Repeticiones invertidas (secuencias iguales si se leen en sentidos opuestos); se utiliza como sinónimo de palíndromo y son lugares de unión de proteínas reguladoras. Otras repeticiones de secuencia Repeticiones directas (secuencias iguales si se leen en el mismo sentido); no son palíndromos. - aparecen con gran frecuencia en el genoma tanto contiguas o adyacentes (repeticiones en tándem) como separadas por un gran nº de bases (repeticiones dispersas). Repeticiones especulares (cuando la secuencia se repite de forma invertida, dentro de la misma hebra); tiene una secuencia de simetría dentro de cada cadena. - Para superponer una repetición sobre la otra requiere solamente el giro de 180o alrededor del eje horizontal. - No son palíndromos (no hay centro de simetría rotacional, sino plano de simetría especular).  (6) H-DNA: Triple hélice de DNA Estructura poco habitual formada por 3 hebras (triple hélice/ tríplex) o (DNA-H) estabilizadas en parte por enlaces de H especiales/inusuales (apa- reamientos de bases de Hoosgsteen). Se forma en regiones ricas en pirimidinas en una hebra (secuencia CTn) y ricas en purinas (secuencia AGn) en la hebra complementaria. Se denominó DNA-H debido a que requiere altas [H+] para formar la triple hélice. Importante en la interacción de RNA monohebra con el DNA dúplex. Aparecen en regiones implicadas en la regulación de la expresión de algunos genes eucarióticos. - Interés: Aplicación en terapia de inhibición de la expresión génica, mediante la unión de un oligonucleótido sintético a la doble hélice del DNA en la región promotora de un gen, formando una triple hélice que impide la expresión del gen. (6) Estructuras de DNA que contienen 4 cadenas (DNA cuadrúplex) (a) Patrones de apareamientos en estructuras cuádruplex de guanosinas (sólo ocurre en DNAs con secuencias con muy alta proporción de guanosinas). Estructura de DNA cuádruple (tetraplex) de guanosina (G) Significado biológico.- Las estructuras de DNA cuádruple se han encontrado en: (b) (c) telómeros regiones reguladoras de genes Figura. Posibles variaciones de las cadenas en un G-tetraplex. (a) Se muestran ordenamientos reordenamientos de genes de inmunoglobulinas cíclicos de G-tetraplex ligadas por uniones de H de Hoogsteen: (b) 4 hebras polinucleotídicas ricas en (responsables de la diversidad de anticuerpos) y G en paralelo con todas las bases en conformación anti; (c) G-cuádruplex en horquilla antiparalela secuencias asociadas a enfermedades humanas. dimérica formada a partir de d(G4T4G4)2. (7) Significado biológico: idoneidad para la replicación El modelo de Watson y Crick sugirió un mecanismo para la transmisión de la información genética a las células hijas (replicación) y también para transcripción. (7) La transmisión de la información genética  (8) RNA y su estructura Se muestra la estructura del esqueleto RNA compuesto de ribosas (OH), (P) alternantes y la El RNA: aparece principalmente como molécula base U (uracilo). monocatenaria (1C), pero exhibe carácter doble helicoidal por apareamientos de pb intracatenarios y es capaz de plegarse en una gran cantidad de estructuras terciarias diversas. - Su estructura es más rica e intrincada que la del DNA y bastante más versátil en cuanto a su función, de lo que se esperaba. Así, algunas moléculas de RNA son enzimas (ribozimas). RNA difiere del DNA en 3 aspectos: - (1) El esqueleto (una diferencia importante) contiene ribosa en vez de 2-desoxirribosa; específicamente lleva un grupo OH en la posición 2 del azúcar (D-ribosa), en vez del H en su esqueleto. La presencia del –OH tiene importantes consecuencias estructurales y funcionales en el RNA: (a) Estabilidad.- El RNA es mucho menos estable debido a la reactividad del O del OH, que facilita una reacción que puede romper el enlace fosfodiéster en medio alcalino (diap. 16 y 18), que no afecta al DNA. La presencia del 2´-OH favorece la formación de hélice tipo A en el RNA. El grupo voluminoso chocaría con otros átomos del esqueleto si el RNA adoptase la forma de hélice tipo B.  RNA y su estructura Uracilo se aparea con adenina (b) Estructura tridimensional.- Las moléculas de RNA pueden formar doble hélices con apareamientos de bases (A:U y G:C) pero, la presencia del OH hace que sólo puedan adoptar la conformación tipo-A por 2 razones: (-) el 2´-OH de la ribosa podría chocar con el esqueleto azúcar-(P) (-) provoca que el anillo del azúcar adopte una conformación distinta (C3-endo) que favorece la hélice tipo A, en contraposición a la adoptada en la hélice-B (C2-endo). - (2) Contiene uracilo (U) en vez de timina (T: 5-metil-U) y de la que se diferencia por carecer del grupo 5-CH3) y además de aparearse con la A, puede hacerlo con la G (diap. 50-51), capacitándolo para ser propenso a generar segmentos helicoidales. - (3) Usualmente aparece como una cadena polinucleotídica simple (única). El RNA, a menudo, se modifica químicamente Ocurre después de su síntesis, en algunos de sus nucleótidos y altera la estructura de las bases. Se conocen más de 100 modificaciones que son, principalmente, irreversibles y que no desempeñan un papel regulador (aunque pueden afectar a su actividad, locali- zación y estabilidad); entre ellas se encuentra la pseudouridina (Ψ), especialmente abundante en tRNA y rRNA pero también en snRNAs y, recientemente, en mRNAs (estabilizándolos..). Otras son reversibles (diap. 57-58). La posición y naturaleza de las modificaciones de nucleótidos en moléculas Ejemplos de bases modificadas en el RNA. La base estándar de nucleótidos particulares de RNA suelen estar conservadas entre diferentes especies, sugiriendo que uridina (izquierda). Dihidrouridina (medio) encontrado en el “D-loop” de desempeñan papeles importantes en las moléculas en las que aparecen. tRNAs y pseudouridina (derecha), abundante en los rRNAs eucarióticos.  Modificaciones en los RNAs La primera modificación de nucleósidos del RNA se encontró en 1957 y se han descubierto más de 100 modificaciones del RNA (fig.1) superando con creces las modificaciones naturales encontradas en el DNA. Muchas de estas modificaciones se encuentran en los RNA no codificantes (ncRNA), pero el interés reciente se ha centrado en los RNA codificantes. Las modificaciones pueden ser permanentes (irreversibles) o dinámicas (reversibles) y, en este último caso, implica a enzimas “escritores”, “borradores” y “lectores” que, respectivamente, introducen, eliminan y reconocen la modificación (fig.2) y pueden tener un papel regulador. Los efectos funcionales de las modificaciones del RNA son de complejidad similar a los del DNA y la cromatina. Las modificaciones del RNA constituyen una capa adicional y más dinámica de control regulador epigenético. (Fig.1) (Fig.2)  Modificaciones de algunos tipos de RNAs (Fig. 1) Los tRNA contienen el mayor número de modificaciones con la diversidad química más amplia. Los tRNA eucarióticos contienen en promedio 13 modificaciones por molécula que van desde la isomerización de bases y metilaciones de bases y ribosa hasta la adición elaborada de estructuras de anillo. Las modificaciones del tRNA contribuyen a la eficiencia y fidelidad de la decodificación, así como al plegamiento, la estabilidad y localización. El rRNA humano contiene >210 sitios de modificación, incluidos -O-metilos, pseudouridinas y metilaciones de bases (que también aparecen en RNA espliceosómicos humanos). La ausencia de pseudouridinas internas y azúcares 2´-O-metilados, se bloquea la biogénesis del rRNA. Los mRNAs, además de las modificaciones del “cap” y la cola de poliA, contienen modificaciones internas (fig. 2), como la N6 -metiladenosina (m6A), la más abundante (y que también aparece en los RNAs largos no codificante (lncRNA), y con funciones en el procesamiento de pre-mRNA y el transporte de mRNA en células de mamíferos. Otras modificaciones internas dentro del mRNA eucariótico incluyen metilaciones adicionales de adenosina para formar N1 -metiladenosina (m1A) y N6,20 -O-dimetiladenosina (m6 Am), así como como metilación de citosina a 5-metilcitosina y su producto de oxidación 5- hidroximetilcitosina (hm5 C) (fig. 3). (Fig. 2) Cuatro de las más prominentes de los muchos tipos de modificaciones covalentes de las bases encontradas en el mRNA. Las diferencias a partir de los nucleósidos normales se indican en rojo. Cada base se une a un azúcar ribosa (no mostrado) por la unión indicada para formar el nucleósido. (Fig. 3) Algunas de las modificaciones covalentes del mRNA aparecen en la región “cap”, en la 5´- o 3´-UTR o en la región codificante.  Niveles estructurales de los RNAs Las moléculas de RNA se describen en términos de 3 niveles de organización estructural (fig. 1): Las monohebras de RNA tienden a adoptar una conformación helicoidal dextrógira - Estructura primaria: secuencias de bases a lo largo de la hebra de RNA (leída en dirección 5´-3´) que determina la conformación 1 precisa (plegamiento) y ambas, determinan las propiedades 2a funcionales del RNA. - Estructura secundaria: porciones de la molécula de RNA pueden formar tramos doble helicoidades. - Estructura terciaria: regiones monocatenarias y de doble hebra se juntan formado una ordenación precisa. La unidad estructural fundamental de las moléculas plegadas de RNA es una doble hélice dextrógira (tipo A) corta (no > de 6-8pb; fig. 3a) formada por 2 secuencias de nt antiparalelas; suelen formar horquillas si están próximas en la secuencia lineal pero, si están alejadas una de otra (en la estructura primaria), también pueden formar tramos doble helicoidales que carecen de horquillas. La estructura terciaria completa se forma cuando las regiones doble helicoidales interactúan entre sí y con fragmentos no apareados. El mRNA siempre es monocatenario (fig. 2). Estructura secundaria del RNA - conformación helicoidal dextrógira (a) Tallos-bucles (bucle en horquilla), horquillas y otras estructuras - dominada por interacciones de apilamiento de bases, más secundarias que pueden formarse por apareamiento de bases entre fuerte entre 2 purinas que entre purina-pirimidina o segmentos complementarios distantes de una molécula de RNA. 2 pirimidinas) En los tallos-bucles, el bucle de una sola hebra entre el tallo helicoidal - puede aparearse con regiones complementarias de DNA o apareado por las bases puede tener cientos o incluso miles de RNA y las hebras apareadas son antiparalelas nucleótidos de longitud, mientras que en las horquillas el giro corto Cualquier secuencia autoomplementaria da lugar a estructuras puede contener desde tan pocos nucleótidos como solamente cuatro. más complejas (diap. 50; fig. 1) (b) Los seudonudos, un tipo de estructura 3aria del DNA, se forman por interacción de bucles secundarios por medio del apareamiento de bases entre En moléculas de RNA con regiones de secuencias complementa- bases complementarias. La estructura mostrada forma el dominio central del rias, los fragmentos no complementarios de RNA, causadas por RNA de la telomerasa humana. Izquierda: diagrama de la estructura 2aria con bases desapareadas o mal apareadas podrían formar una de las nucleótidos apareados por las bases (verde y azul) y regiones monohebra estructuras de la fig.: “bulge” (bulto, protuberancia), un “internal (rojo). Medio: secuencia del dominio central de la telomerasa. Derecha: diagrama de la estructura del dominio central de la telomerasa (RMN-2D loop” (lazo interno); también entre secuencias palindrómicas), o un