Resumen ADN - Química Biológica y Nutrición

***Química Biológica y Nutrición*** ***ADN*** *El ADN ocupa un lugar central y único entre las macromoléculas biológicas, es el depositario de la información genética de un ser vivo, por ello es tan importante su estudio. Se analizará su estructura, replicación y las distintas técnicas* ***Defini...

***Química Biológica y Nutrición*** ***ADN*** *El ADN ocupa un lugar central y único entre las macromoléculas biológicas, es el depositario de la información genética de un ser vivo, por ello es tan importante su estudio. Se analizará su estructura, replicación y las distintas técnicas* ***Definiciones, funciones y estructura*** El ADN es un ácido nucleico, es el ácido desoxirribonucleico (ADN). Es un biopolímero conformado de nucleótidos, más específicamente desoxirribonucleótidos, unidos entre sí formando una cadena larga. Biológicamente el ADN es el tipo de molécula que contiene la información genética de un ser vivo, necesaria para poder controlar su metabolismo. Este control se lleva a cabo a través del ensamblado correcto de aminoácidos en secuencias definidas que son las proteínas. Como se sabe las proteínas son macromoléculas compuestas por aminoácidos en una combinación determinada. La secuencia y combinación de los aminoácidos para formar una proteína es justamente lo que esta codificado en el ADN. ¿En dónde se encuentra el ADN? El ADN se localiza en: - - ***Estructura Primaria -- Secuencia nucleotídica*** El ADN es un biopolímero de desoxirribonucleótidos. Cada nucleótido está compuesto de un nucleósido unido a un grupo fosfato, y cada nucleósido está compuesto de un azúcar aldopentosa unida a través de su carbono anomérico al átomo de nitrógeno de una base heterocíclica de purina o de pirimidina. El azúcar en el ADN es la 2'desoxirribosa. (El prefijo 2'-desoxi indica que falta el oxígeno de la posición 2' de la ribosa.) El ADN contiene cuatro amino bases distintas, dos purinas sustituidas (adenina y guanina) y dos pirimidinas sustituidas (citosina y timina).   Dadas las enormes dimensiones que puede alcanzar una molécula de ADN, de cientos de miles, o millones de unidades (A, C, G, T), las posibilidades de formar ordenamientos diferentes con sólo 4 bases son extremadamente grande. El genoma humano contiene aproximadamente 3000 millones de nucleótidos, repartidos en 24 clases de moléculas de ADN de diferentes tamaños. ***Estructura Secundaría -- Doble hélice*** En 1953, James Watson y Francis Crick elaboraron su propuesta clásica para la estructura secundaria del ADN. De acuerdo con el modelo de Watson-Crick, el ADN bajo condiciones fisiológicas consiste en dos cadenas de polinucleótidos, que van en direcciones opuestas y que se enrollan entre sí en una doble hélice parecida a los pasamanos de una escalera de caracol. Las dos cadenas son complementarias en lugar de idénticas y se mantienen unidas por puente de hidrógeno entre pares específicos de bases, A con T y C con G. Esto es, siempre que se encuentra una base A en una cadena, se encuentra una base opuesta T en la otra cadena; cuando se encuentra una base C en una, se encuentra una G en la otra. Por lo tanto, este apareamiento de bases complementario explica por qué siempre se encuentran en cantidades iguales A y T, al igual que G y C. El apilamiento de las bases minimiza el contacto con el agua y es de gran importancia en la estabilización de la estructura tridimensional de los ácidos nucleicos. Esto sucede porque las bases nitrogenadas son hidrofóbicas (tienden a repeler las moléculas de agua) y son más estables cuando están interaccionando entre sí. El apareamiento específico entre adenina y timina es a través de dos puentes de hidrógeno y el de citosina con guanina es por tres puentes de hidrógeno, esto hace que la unión C -- G sea más fuerte (se necesita mayor energía para separar la guanina de la citosina que la necesaria para desunir la adenina de la timina). Este apareamiento específico es el que permite la duplicación genética. *Conformaciones de la doble hélice* La estructura de ADN descripta por el modelo de ADN de Watson-Crick corresponde a la llamada conformación B, la más común en las condiciones reinantes en la célula. Existen otras 2 conformaciones posibles, A y Z que también presentan la doble hélice pero con ciertas características particulares. Conformación B: - - - - Conformación A: - - - Conformación Z: - - - - *Fusión (desnaturalización) de la doble hélice* En el laboratorio se puede deshacer la doble hélice calentando la disolución de ADN. El calentamiento rompe los puentes de hidrógeno entre los pares de bases y ocasiona la separación de las hebras. La disociación de la doble hélice normalmente se llama fusión porque tiene lugar de forma relativamente brusca a una temperatura determinada. La temperatura de fusión (T~m~ melting temperatura) se define como aquella donde se deshace la mitad de la estructura helicoidal. Las bases apiladas de los ácidos nucleicos absorben menos luz ultravioleta que las bases que no lo están, efecto que se conoce como hipocromismo. Por lo tanto, la desnaturalización del ADN se puede seguir midiendo su absorbancia de luz. Al ir aumentando la temperatura la doble hebra se abre y aumenta la absorbancia, este efecto se denomina efecto hipercrómico. La temperatura de fusión es característica de una molécula de ADN en determinadas circunstancias. Esta varía con la composición de bases del DNA, por la concentración de sal u otros agentes (álcalis, urea, formamida) de la solución. En condiciones normales, si la molécula es rica en acoplamiento G -- C tiene más interacciones por puentes de hidrógeno (3 por acoplamiento) que un ADN rico en A -- T (dos puentes de hidrógeno por acoplamiento), y en consecuencia se necesita mayor energía para desnaturalizar dicha molécula, por lo tanto la Tm de un ADN rico en G -- C es mayor que la de un ADN rico en A -- T. *Genes y cromosomas* Los genes son unidades de información (secuencia de bases) a lo largo de una molécula de ADN que codifica un producto funcional (ARN o proteína), y es la unidad de herencia molecular. El ADN es como un libro que contiene un monton de información que está escrita con las 4 letras (A,T,G,C) sin espacios y sin punto. Hay señales que indican el inicio y final de una información importante, por lo tanto hay segmentos del ADN que son unidades de información independiente, como capitulos o párrafos que deben leerse de manera independiente, esto es un gen. Los genes se heredan de forma independiente unos de otros, y cada gen tiene un principio y un fin (la información no se lee decorrido) Los cromosomas son estructuras altamente organizadas, formadas por ADN y proteínas, que contienen la información genética de un individuo.  El genoma humano completo tiene una longitud de 3000 Mb, 29000 genes y está distribuido en 23 pares de cromosomas; el ADN en cada cromosoma se encuentra como una molécula lineal. La Escherichia coli (una bacteria) tiene un cromosoma único (molécula de ADN circular) doble cadena (4,6 Mb) que contiene 4457 genes, 1 ordene menos que el genoma humano, esto es porque la bacteria tiene toda la información compactada y practicamente no tiene regiones inetergénicas, todo el ADN codifica un gen a tras del otro. Gran parte del ADN del ser humano no constituye genes. *ADN circular* Las moléculas de ADN de los cromosomas humanos son lineales. Sin embargo en las bacterias las moléculas de ADN son circulares. El término circular se refiere a la continuidad de las cadenas de ADN y no a su forma geométrica. Además del ADN cromosomal, las bacterias tienen pequeños fragmentos de ADN en el citoplasma denominado plásmido, estás moleculas se replican y transmiten independientes del ADN cromosómico y pueden tarsnferirirse de una bacteria a otra. Por ejemplo: un bacteria que no presenta resistencia a un determiando ATB se puede volver resistente al mismo por la transferencia de plásmido de una bacteria diferente (ADN cromosómico distinto) que presenta un gen que degrada a dicho ATB. En células eucariotas los cloroplastos y las mitocondrias también presentan ADN circular. *Superenrollamiento del ADN* Cuándo una molécula de ADN lineal se convierte en una molécula de ADN circular cerrada aparece una propiedad nueva. El eje de la doble hélice puede a su vez estar enrollado formando una súper hélice. A una molécula de ADN circular sin estructura súperhelicoidal se llama molécula relajada. El super enrollamiento es biológicamente importante por dos razones. La primera es que una molécula de ADN superenrollada tiene una forma más compacta que la que la molécula relajada correspondiente. Segundo, el súper enrollamiento puede dificultar o favorecer la capacidad de desenrollamiento de la doble hélice y por lo tanto afecta a las interacciones del ADN con otras moléculas. La conversión de una molecula de ADN lineal, a una molecula circular cerrada (plásmido), y superenrollada da lugar a isómeros topológicos, (topoisómeros). La interconversión de estos toposiómeros está catalizada por las enzimas topoisomerasas. Estas alteran el número de enlace del ADN mediante la cátilisis de un procesos que consta de tres etapas: la escisión de una de las dos hebras de ADN; el paso de un segmento de ADN a traves de este hueco; y la reparación del corte en el ADN. Las topoisomerazas de tipo II catalizan el superenrollamiento del ADN. Las topoismomerazas de tipo I catalizan el relajamiento del ADN superenrrollado. Tanto las topoisimerazas de tipo I como las de tipo II desempeñan funciones importantes en la replización, trasncripción y recombianción del ADN ***Estrcutura terciaria -- Plegamiento del ADN en eucariotas*** Para comprender el plegamiento del ADN en eucariotas se inicia por el ADN de doble hélice desnudo de ancho 2nm. Si se observa esta molécula a lo largo del eje, se distinguen dos vueltas de la cadena de ADN que rodea a ocho proteínas denominadas histonas (octámero de histonas). Las histonas son proteínas básicas, ricas en los aminoácidos lisina y arginina. El octámero esta formado por 2 unidades de las histonas H2A, H2B, H3 y H4. El conjunto octámero de histonas + las dos 2 vueltas de la cadena de ADN se denomina nucleosoma. Cuando el nucleosoma interacciona con la histona H1 que se encuentra por fuera estabilizando la estructura se habla de cromatosoma.  Ahora, si se gira el cromatosa sobre su eje (el cromatosoma es como un collar de perlas, y cada perla es un nucleosoma) se forma una estructura solenoide que se va compactando denominada fibrilla de cromatina compuesta por nucleosomas. La fibibrilla de cromatina se encuentra sobre una estructura que se denomina andamio formado por proteínas no histónicas principlamente Sc1 y Sc2. El andamio estabiliza la estructura en el espacio. Si la fibrilla de cromatina se continua enrollando sobre su eje se forman las asas, que a su vez pueden estar condensdas (enrroldas sobre si mismas) y no condensadas.  Todo esto forma parte del cromosoma condensado. El ser humano presenta 46 cromosomas por cada célula, que totalmente desplegados ocuparían una longitud de 2 metros; he aquí la importancia del plegamiento. ***Duplicación del ADN*** Las características fundamentales del proceso de replicación del ADN y los mecanismos mediante los cuales las enzimas encargadas lo llevan a cabo son prácticamente similares en todos los organismos. El proceso de duplicación se lleva a cabo en tres etapas (iniciación, elongación y finalización) y presenta tres características: - - - ***Semiconservativa:*** es decir, que a partir de una molécula de ADN se obtienen dos. Este proceso comienza con la separación parcial de las dos hebras que componen la molécula de ADN mediante la ruptura de los puentes de hidrógeno que las une. La doble hebra original se abre y actúan como molde para la síntesis de la cadena complementaria. En este punto de apertura se inicia la replicación simultánea de las dos hebras dando lugar a dos nuevas moléculas de ADN cada una de las cuales es portadora de una hebra de la molécula original. ***Bidireccional y semidiscontinua:*** La replicación del ADN se inicia en un lugar fijo de la molécula, donde se localizan secuencias de bases que actúan como señales de iniciación. Este punto recibe el nombre de origen de replicación. Cabe aclarar que la secuencia de bases que indica el punto de origen es rica en acoplamientos A -- T. Las bases nitrogenadas están unidas por dos puentes de hidrógeno por acoplamiento, y en consecuencia se necesita menor energía para romper esta unión. La apertura de la doble hélice desde el punto de replicación da una imagen de horquilla que es la horquilla de replicación, esta horquilla crece en las dos direcciones posibles. Es decir, la replicación del ADN es bidireccional. La horquilla de replicación es asimétrica. La enzima que cataliza la síntesis de la nueva cadena polinucleotídica es la **ADN polimerasa III**. Esta enzima cataliza la reacción por la cual se forma un enlace fosfodiester entre el grupo 3' hidroxilo terminal de una cadena de ADN (o ARN) preexistente y un desoxinucleótido trifosfato cuya base nitrogenada sea complementaria del nucleótido que se enfrenta a él en la cadena molde. Por tanto, la reacción que cataliza esta ADN polimerasa obliga a que el crecimiento de la nueva cadena se produzca en dirección 5' a 3'. Al ser las cadenas antiparalelas, la síntesis de la cadena que tiene como molde la de dirección 3'- 5' es continua, pero la de la otra cadena ha de producirse a medida que avanza la apertura de la doble hélice, por delante del punto de origen de replicación, realizándose por tanto, de forma discontinua, en fragmentos de unos mil nucleótidos de largo, llamados fragmentos de Okazaki. La cadena que se sintetiza de forma continua recibe el nombre de adelantada o hebra conductora y la que se sintetiza de manera discontinua se denomina atrasada. Es por esto que el proceso es semidiscontinuo.  En eucariotas existen múltiples orígenes de replicación (1 cada 20 kb aproximadamente). La molécula de ADN es lineal y una misma molécula tiene varios puntos de replicación, es decir que la secuencia de bases que actúan como señales de iniciación se repite varias veces. A partir de los orígenes de replicación la molécula se va abriendo formando la horquilla hasta que se encuentra con el siguiente origen de replicación. Cuando las horquillas se encuentran la síntesis se completa totalmente. Un punto de encuentro con el otro se denomina replicón o unidad funcional de replicación; que es la cantidad de ADN sintetizada a partir de un único origen de replicación. El genoma bacteriano es un replicón único circular, y su tiempo de duplicación es de aproximadamente 30 minutos. Si el genoma humano no tuviese múltiples orígenes de replicación, la duplicación de un solo cromosoma a partir de un único origen tardaría más de 150 horas. ***Proceso de duplicación en procariotas*** Primero se separa la doble cadena en el origen de replicación, en este proceso participa la enzima helicasa. Como ya se mencionó, las ADN polimerazas III catalizan la adición, paso a paso, de los desoxirribonucleótidos. Los cuatro precursores deben estar activados (dATP, dCTP, dGTP, dTTP), así como el ion Mg^2+^. La reacción catalizada es: Donde dNTP indica cualquier desoxirribonucleótido trifosfato y PP~i~ es una molécula de pirofosfato. Sin embargo, las ADN polimerasas III no pueden iniciar la síntesis de ADN en ausencia de un cebador (primer); aquí entra en escena la ARN polimerasa especial (primasa) que sintetiza un cebador de ARN (formado por aproximadamente 10 ribonucleótidos) a partir del cual la ADN polimerasa continúa la adición de dNTPs. La hidrólisis del pirofosfato (por la enzima pirofosfatasa) hace que la polimerización siga adelante. La elongación de la cadena se realiza en dirección 5'[→]{.math.inline} 3'. Las ADN polimerasas III tienen en general actividad exonucleasa 3'[→]{.math.inline} 5' que les permite corregir errores de polimerización, es decir pueden eliminar nucleótidos mal emparejados. Como ya se mencionó, la síntesis de la cadena que tiene como molde la de dirección 3'[→]{.math.inline} 5' es continua, pero la de la otra cadena se produce a medida que avanza la apertura de la doble hélice, por delante del punto de origen de replicación, realizándose por tanto de forma discontinua, en fragmentos de unos mil nucleótidos de largo llamados fragmentos de Okazaki. Por lo tanto, la hebra atrasada estará formada por los fragmentos de Okazaki y los segmentos de la ARN primasa los cuales deben ser removidos para obtener una cadena completa de ADN. Cuando la ADN polimerasa III sintetiza los fragmentos de Okazaki en sentido 5'[→]{.math.inline} 3'se encuentra con los ribonucleótidos de la ARN primasa. Estos ribonuecléotidos deden ser reemplazados por los correspondientes dNTP, La ADN polimerasa III tiene actividad exonucleasa 3' [→]{.math.inline} 5', por lo tanto no puede reemplazar los ribonucleótidos en sentido 5'[→]{.math.inline} 3'; para ello aparece en escena la ADN polimerasa I que presenta actividad exonucleasa 5'[→]{.math.inline} 3' y puede eliminar los ribonucleótidos (por hidrólisis) y luego agregar los correspondientes desoxirribonucleótidos. Una vez que se adicionaron los dNTP la enzima ADN ligasa cataliza la formación del enlace fosfodiéster entre, el grupo hidroxilo en posición 3' en el último nucleótido agregado por la ADN polimerasa I y el grupo fosfato en posición 5' en el primer nucleótido siguiente el cual fue previamente agregado por la ADN polimerasa III. +-----------------------------------+-----------------------------------+ | ***Proteína*** | ***Función*** | +===================================+===================================+ | SSB (Single Strand Binding: | Se une a las hebras sencillas de | | proteína de unión a ADN de | ADN y evita su | | hebrasimple) | | | | reasociación | +-----------------------------------+-----------------------------------+ | Helicasa (DnaB) | Enzima desenrollante que cataliza | | | la separación de las cadenas. | | | Requiere energía (hidrólisis de | | | ATP) | +-----------------------------------+-----------------------------------+ | Primasa (DnaG) (ARN polimerasa) | Sintetiza el ARN cebador (primer) | | | formado por aproximadamente 10 | | | ribonucleótidos | +-----------------------------------+-----------------------------------+ | ADN polimerasa III | Elonga la cadena nueva mediante | | | la adición de dNTP en sentido | | | 5'[→]{.math.inline} 3'. | | | | | | Actividad exonucleasa 3'[→]{.math | | |.inline} 5' | +-----------------------------------+-----------------------------------+ | ADN polimerasa I | Reemplaza el ARN cebador por ADN. | | | Actividad | | | | | | exonucleasa 5'[→]{.math.inline} | | | 3'y 3'[→]{.math.inline} 5' | +-----------------------------------+-----------------------------------+ | ADN ligasa | Sella la unión del esqueleto | | | azúcar fosfato entre fragmentos | | | de ADN | +-----------------------------------+-----------------------------------+ | ADN girasa (topoisomerasa II) | Realiza cortes transitorios de | | | las hebras de ADN por | | | | | | delante de la horquilla de | | | replicación para evitar | | | | | | superenrollamientos | +-----------------------------------+-----------------------------------+  ***Mutaciones y reparación del ADN en la replicación*** Se conocen varios tipos de mutaciones: - - - La sustitución de un par de bases por otro es un tipo de mutación frecuente. Hay dos tipos de sustitución posibles. La sustitución de una purina por la otra y de una pirimidina por la otra es una transición. Por el contrario, reemplazar una purina por una pirimidina o una pirimidina por una purina una transversión. Un posible mecanismo que sugiere porque sucede la transición es que alguno de los átomos de hidrógeno de cada una de las cuatro bases puede cambiar su posición para originar un tautomero. Un grupo amino (--NH~2~) puede tautomerizarse en un forma imino (=NH). Análogamente, un grupo ceto puede tautomerizarse en una forma enol. Estos tautómeros transitorios pueden formar pares de bases anómalos que se ajustan a una doble hélice. Por ejemplo el tautómero imino de la adenina puede emparejarse con la citosina. Este emparejamiento permitiría la incorporación de la C en una hebra creciente de ADN en el lugar donde se espería encontrar T, lo que si no se corrige conduciría a una mutación. Las mutaciones se producen por errores durante la replicación o por factores externos. En el siguiente cuadro se hace un resumen de esto. ***Recombinación del ADN*** Proceso por el cual una hebra de ADN (ARN en ciertos casos) se corta y luego se une a una hebra diferente, produciéndose un reordenamiento de la información. Algunas de las funciones de la recombinación del ADN son: - - - - - - Existen tres tipos principales de recombinación del ADN: - - - *Recombinación homóloga* Es el intercambio genético entre dos moléculas de ADN cualquiera (o segmentos de la misma molécula) que comparten una región extensa de secuencia casi idéntica; la secuencia concreta de bases es irrelevante, siempre que sea similar en las dos moléculas ADN. *Recombinación específica de sitio* Este tipo de recombinación solo tiene lugar en una secuencia del ADN en particular. Esta secuencia es reconocida por la enzima recombinasa la cual es específica porque tiene requisitos para intervenir la molécula de ADN. No va a cortar cualquier sitio de la doble hebra, sino que lo hace donde reconoce una secuencia de nucleótidos específica. La recombinación específica permite eliminar o incorporar fragmentos de ADN.  *Transposición del ADN* Este proceso es diferente de los anteriores; interviene un segmento corto de ADN con capacidad de trasladarse de un sitio a otro de forma autosuficiente, ya sea dentro del mismo cromosoma o entre cromosomas diferentes. Este segmento corto de ADN se denomina transposón. El tramposón codifica una enzima (proteína) dentro de la célula. Esta enzima es la que va a cortar la molécula de ADN en las inmediaciones del tramposón permitiendo que esté salga y vuela a reinsertarse en otra zona del cromosoma o en otra molécula de ADN diferente. El transposón modifica el ADN de sus inmediaciones porque puede arrastrar un gen codificador de un cromosoma a otro, rompiéndolo por la mitad, o haciendo que desaparezca del todo. De esta manera, contribuye decisivamente a los cambios genéticos. *Integración cromosómica viral* Es un proceso en el cual el material genético de un virus se incorpora al genoma de una célula huésped. Esto se produce porque el material genético del virus presenta una secuencia determinada de nucleótidos análoga a la secuencia en el ADN de la célula huésped. A través de un proceso de recombinación homóloga o específica de sitio el ADN del virus se introduce en la célula huésped. Esto es común en ciertos tipos de virus, como los retrovirus (por ejemplo, el VIH) y algunos virus de ADN como el virus del papiloma humano (VPH) y el virus del herpes. En el caso de los retrovirus, el ARN viral se convierte en ADN mediante la acción de la enzima transcriptasa reversa. En los virus de ADN, este paso no es necesario porque ya tienen ADN. **Consecuencias de la integración:** - - -