El término "hélice de ADN" tiene una historia y una naturaleza complejas. Por regla general, se entiende el modelo introducido por James Watson. La doble hélice del ADN se mantiene unida con nucleótidos que forman un par. En B-DNA, la estructura helicoidal más común que se encuentra en la naturaleza, la doble hélice es dextrógira con 10-10,5 pares de bases por vuelta. La estructura de doble hélice del ADN contiene un surco mayor y un surco menor. En B-DNA, el surco mayor es más ancho que el surco menor. Dada la diferencia de ancho entre los surcos mayor y menor, muchas proteínas que se unen al ADN-B lo hacen a través del surco mayor más ancho.
Historial de descubrimientos
El modelo estructural de la doble hélice del ADN fue publicado por primera vez en Nature por James Watson y Francis Crick en 1953 (coordenadas X, Y, Z en 1954) basado en una imagen crítica de difracción de rayos X del ADN etiquetada Foto 51, del trabajo de Rosalind Franklin de 1952, seguido de una imagen más clara de ella tomadaRaymond Gosling, Maurice Wilkins, Alexander Stokes y Herbert Wilson. El modelo preliminar era ADN de tres cadenas.
La constatación de que la estructura abierta es una doble hélice explica el mecanismo por el cual dos hebras de ADN se unen en una hélice, mediante el cual la información genética se almacena y copia en los organismos vivos. Este descubrimiento es considerado uno de los descubrimientos científicos más importantes del siglo XX. Crick, Wilkins y Watson recibieron cada uno un tercio del Premio Nobel de Fisiología o Medicina de 1962 por sus contribuciones al descubrimiento. Franklin, cuyos innovadores datos de difracción de rayos X se utilizaron para formular la hélice del ADN, murió en 1958 y, por lo tanto, no fue elegible para una nominación al Premio Nobel.
Valor de la hibridación
La hibridación es el proceso de conectar pares de bases que se unen para formar una doble hélice. La fusión es el proceso por el cual se interrumpen las interacciones entre las cadenas de doble hélice, separando dos líneas de ácidos nucleicos. Estos enlaces son débiles, se separan fácilmente con calor suave, enzimas o fuerza mecánica. La fusión se produce predominantemente en ciertos puntos del ácido nucleico. Las regiones de la hélice de ADN marcadas como T y A se derriten más fácilmente que las regiones C y G. Algunas etapas (pares) de bases también son susceptibles a la fusión del ADN, como TA y TG. Estos rasgos mecánicos se reflejan en secuencias como TATA al comienzo de muchos genes para ayudar a la ARN polimerasa a derretir el ADN para la transcripción.
Calefacción
Separación de procesoscadenas por calentamiento superficial, como se usa en la reacción en cadena de la polimerasa (PCR), es simple, siempre que las moléculas tengan aproximadamente 10,000 pares de bases (10 kilopares de bases o 10 kbp). El entrelazamiento de las hebras de ADN dificulta la separación de segmentos largos. La célula evita este problema al permitir que sus enzimas que derriten el ADN (helicasas) trabajen simultáneamente con las topoisomerasas, que pueden escindir químicamente el esqueleto de fosfato de una de las cadenas para que pueda dar la vuelta a la otra. Las helicasas desenrollan las hebras para facilitar el paso de enzimas de lectura de secuencias como la ADN polimerasa. La doble hélice del ADN está formada por los enlaces de estas hebras.
Geometría espiral
El componente geométrico de la estructura del ADN se puede caracterizar por 6 coordenadas: desplazamiento, deslizamiento, elevación, inclinación, giro y giro. Estos valores determinan con precisión la ubicación y orientación en el espacio de cada par de hebras de ADN. En regiones de ADN o ARN donde se altera la estructura normal, se puede utilizar un cambio en estos valores para describir dicha alteración.
La subida y la vuelta están determinadas por la forma de la espiral. Otras coordenadas, por el contrario, pueden ser iguales a cero.
Tenga en cuenta que "sesgo" se usa a menudo de varias maneras en la literatura científica, refiriéndose a la desviación del primer eje de la base entre hebras de ser perpendicular al eje de la hélice. Esto corresponde al deslizamiento entre la secuencia de bases de la doble hélice del ADN, y en coordenadas geométricas se llama correctamente"inclinación".
Diferencias geométricas en espirales
Se cree que al menos tres conformaciones de ADN ocurren naturalmente: A-DNA, B-DNA y Z-DNA. Se cree que la forma B, tal como la describen James Watson y Francis Crick, predomina en las células. Tiene 23,7 Å de ancho y se alarga 34 Å en 10 pb. secuencias. La doble hélice del ADN está formada por los enlaces de dos líneas de ácido ribonucleico, que dan una vuelta completa alrededor de su eje cada 10,4-10,5 pares de bases en solución. Esta frecuencia de torsión (llamada paso helicoidal) depende en gran medida de las fuerzas de apilamiento que cada base ejerce sobre sus vecinas en la cadena. La configuración absoluta de las bases determina la dirección de la curva helicoidal para una conformación dada.
Diferencias y funciones
A-DNA y Z-DNA son significativamente diferentes en su geometría y tamaño en comparación con B-DNA, aunque todavía forman estructuras helicoidales. Durante mucho tiempo se ha pensado que la forma A ocurre solo en muestras de ADN deshidratadas en el laboratorio utilizadas en experimentos cristalográficos y en pares híbridos de cadenas de ADN-ARN, pero la deshidratación del ADN ocurre in vivo, y el ADN-A ahora tiene funciones biológicas conocidas por nosotros.. Los segmentos de ADN cuyas células se han metilado con fines reguladores pueden adoptar una geometría Z en la que las hebras giran alrededor del eje helicoidal de forma opuesta a A-DNA y B-DNA. También hay evidencia de complejos proteína-ADN que forman estructuras Z-ADN. La longitud de la hélice del ADN no cambia de ninguna manera dependiendo detipo.
Problemas con los nombres
De hecho, ahora solo están disponibles las letras F, Q, U, V e Y para nombrar los diferentes tipos de ADN que pueden descubrirse en el futuro. Sin embargo, la mayoría de estas formas se crearon sintéticamente y tienen no se ha observado en los sistemas biológicos naturales. También hay formas de tres cadenas (3 cadenas de ADN) y cuadrupolo, como el G-quadruplex.
Conexión de hilos
La doble hélice del ADN está formada por los enlaces de hebras helicoidales. Dado que los hilos no están directamente opuestos entre sí, las ranuras entre ellos tienen un tamaño desigual. Un surco, el principal, tiene un ancho de 22 Å, y el otro, uno pequeño, alcanza una longitud de 12 Å. La estrechez de la ranura secundaria hace que los bordes de las bases sean más accesibles en la ranura principal. Como resultado, las proteínas, como los factores de transcripción que pueden unirse a secuencias específicas en la doble hélice del ADN, normalmente hacen contacto con los lados de las bases que están abiertas en el surco principal. Esta situación cambia en conformaciones de ADN inusuales dentro de la célula, pero los surcos mayores y menores siempre se nombran para reflejar las diferencias de tamaño que se verían si el ADN se torciera de nuevo a su forma B normal.
Creando un modelo
A fines de la década de 1970, los modelos no helicoidales alternativos se consideraron brevemente como una posible solución a los problemas de replicación del ADN en plásmidos y cromatina. Sin embargo, se abandonaron en favor del modelo de doble bobina de ADN debido a los avances experimentales posteriores, como los rayos X. Cristalografía de dúplex de ADN. Además, los modelos que no son de doble hélice no son aceptados actualmente por la comunidad científica principal.
Los ácidos nucleicos monocatenarios (ssDNA) no adoptan una forma helicoidal y se describen mediante modelos como una espiral aleatoria o una cadena con forma de gusano.
El ADN es un polímero relativamente rígido, típicamente modelado como una cadena parecida a un gusano. La rigidez del modelo es importante para la circularización del ADN y la orientación de sus proteínas asociadas entre sí, mientras que la rigidez axial histerética es importante para la envoltura del ADN y la circulación e interacción de las proteínas. La compresión-alargamiento es relativamente poco importante en ausencia de alto voltaje.
Química y genética
El ADN en solución no adquiere una estructura rígida, sino que cambia constantemente de conformación debido a la vibración térmica y la colisión con las moléculas de agua, lo que hace imposible aplicar las medidas de rigidez clásicas. Por lo tanto, la rigidez a la flexión del ADN se mide por la longitud de persistencia, definida como "la longitud de ADN sobre la cual la orientación promediada en el tiempo del polímero se convierte en coeficiente no correlacionado".
Este valor se puede medir con precisión usando un microscopio de fuerza atómica para obtener imágenes directas de moléculas de ADN de varias longitudes. En solución acuosa, la longitud constante promedio es de 46 a 50 nm o de 140 a 150 pares de bases (2 nm de ADN), aunque esto puede variar considerablemente. Esto hace que el ADN sea una molécula moderadamente rígida.
La duración de la continuación de un segmento de ADN depende en gran medida de su secuencia, y esto puede conducir a importantescambios. Estos últimos se deben principalmente al apilamiento de energía y fragmentos que se propagan en surcos mayores y menores.
Propiedades físicas y curvas
La flexibilidad entrópica del ADN es notablemente consistente con los modelos estándar de la física de polímeros, como el modelo Kratky-Porod del gusano cadena. De acuerdo con el modelo de gusano es la observación de que la ley de Hooke también describe la flexión del ADN en fuerzas muy pequeñas (subpiconeontónicas). Sin embargo, para segmentos de ADN más pequeños en duración y persistencia, la fuerza de flexión es aproximadamente constante y el comportamiento se desvía de las predicciones, en contraste con los modelos similares a gusanos ya mencionados.
Este efecto da como resultado una facilidad inusual para circularizar pequeñas moléculas de ADN y una mayor probabilidad de encontrar regiones de ADN muy curvadas.
Las moléculas de ADN a menudo tienen una dirección preferida para doblarse, es decir, doblarse anisotrópicamente. Esto, nuevamente, se debe a las propiedades de las bases que componen las secuencias de ADN, y son ellas las que conectan las dos hebras de ADN en una hélice. En algunos casos, las secuencias no tienen los giros proverbiales.
Estructura de doble hélice del ADN
La dirección preferida de flexión del ADN está determinada por la estabilidad de apilamiento de cada base sobre la siguiente. Si los pasos de apilamiento de bases inestables están siempre en un lado de la hélice del ADN, entonces el ADN se plegará preferentemente en esa dirección. Conectar dos hebras de ADN en una hélicellevada a cabo por moléculas que dependen de esta dirección. A medida que aumenta el ángulo de flexión, juegan el papel de obstáculos estéricos, mostrando la capacidad de hacer rodar los residuos entre sí, especialmente en la ranura pequeña. Los depósitos A y T se producirán preferentemente en pequeños surcos dentro de las curvas. Este efecto es particularmente evidente en la unión de proteínas de ADN cuando se induce la flexión rígida del ADN, por ejemplo, en partículas de nucleosomas.
Las moléculas de ADN con una flexión excepcional pueden volverse flexibles. Esto se descubrió por primera vez en el ADN del cinetoplasto tripanosomátido. Las secuencias típicas que causan esto incluyen 4-6 tramos T y A separados por G y C, que contienen residuos A y T en una fase de surco menor en el mismo lado de la molécula.
La estructura doblada interna es inducida por el "tornillo" de los pares de bases entre sí, lo que permite la creación de enlaces de hidrógeno bifurcados inusuales entre las etapas de base. A temperaturas más altas, esta estructura se desnaturaliza y, por lo tanto, se pierde la curvatura intrínseca.
Todo el ADN que se dobla anisotrópicamente tiene, en promedio, un empuje más largo y una mayor rigidez axial. Este aumento de la rigidez es necesario para evitar la flexión accidental que haría que la molécula actuara de forma isotrópica.
El anillo del ADN depende tanto de la rigidez axial (flexión) como de la rigidez torsional (rotacional) de la molécula. Para que una molécula de ADN circule con éxito, debe ser lo suficientemente larga para doblarse fácilmente en un círculo completo y tener el número correcto de bases paralos extremos estaban en la rotación correcta para asegurar la posibilidad de pegar las espirales. La longitud óptima para el ADN circulante es de unos 400 pares de bases (136 nm). La presencia de un número impar de vueltas es una barrera de energía importante para los circuitos, por ejemplo, una molécula de 10,4 x 30=312 pares circulará cientos de veces más rápido que una molécula de 10,4 x 30,5 ≈ 317.
Elasticidad
Los tramos más largos de ADN son entrópicamente elásticos cuando se estiran. Cuando el ADN está en solución, sufre cambios estructurales continuos debido a la energía disponible en el baño de solvente térmico. Esto se debe a las vibraciones térmicas de la molécula de ADN, combinadas con las constantes colisiones con las moléculas de agua. Por razones de entropía, los estados relajados más compactos son térmicamente más accesibles que los estados estirados, por lo que las moléculas de ADN son casi omnipresentes en modelos moleculares "relajados" intrincados. Por esta razón, una molécula de ADN se estirará bajo la fuerza, enderezándola. Usando pinzas ópticas, el comportamiento de estiramiento de entropía del ADN se ha estudiado y analizado desde la perspectiva de la física de polímeros, y se ha encontrado que el ADN se comporta básicamente como un modelo de cadena similar a un gusano Kratky-Porod en las escalas de energía fisiológicamente disponibles.
Con suficiente tensión y torque positivo, se cree que el ADN experimenta una transición de fase, con los esqueletos moviéndose hacia afuera y los fosfatos moviéndose hacia adentromedio. Esta estructura propuesta para el ADN sobreestirado se denominó ADN en forma de P en honor a Linus Pauling, quien originalmente la imaginó como una posible estructura de ADN.
La evidencia del estiramiento mecánico del ADN en ausencia de un par de torsión impuesto apunta a una transición o transiciones que conducen a otras estructuras comúnmente denominadas formas en S. Estas estructuras aún no se han caracterizado definitivamente debido a la dificultad de realizar imágenes de resolución de un resonador atómico en solución con fuerza aplicada, aunque se han realizado muchos estudios de simulación por computadora. Las estructuras de S-DNA sugeridas incluyen aquellas que retienen el pliegue del par de bases y el enlace de hidrógeno (enriquecido en GC).
Modelo sigmoideo
Se ha propuesto la fractura periódica de la pila de pares de bases con una ruptura como una estructura regular que retiene la regularidad de la pila de bases y libera una cantidad adecuada de expansión, introduciéndose el término "Σ-DNA" como un mnemotécnico en el que los tres puntos de la derecha del símbolo "Sigma" sirven como recordatorio de tres pares de bases agrupados. Se ha demostrado que la forma Σ tiene una preferencia de secuencia por motivos GNC, que la hipótesis GNC_h cree que tiene un significado evolutivo.
Derretir, calentar y desenrollar la espiral
La forma B de la hélice del ADN gira 360° durante 10,4-10,5 pb. en ausencia de deformación por torsión. Pero muchos procesos de biología molecular pueden inducir estrés torsional. Un segmento de ADN con un exceso oel subenrollamiento se menciona en contextos tanto positivos como negativos, respectivamente. El ADN in vivo suele estar enrollado negativamente (es decir, tiene rizos que se retuercen en la dirección opuesta), lo que facilita el desenrollado (fusión) de la doble hélice, que es muy necesaria para la transcripción del ARN.
Dentro de la célula, la mayor parte del ADN está topológicamente limitado. El ADN generalmente se encuentra en bucles cerrados (como los plásmidos en procariotas) que son moléculas topológicamente cerradas o muy largas cuyos coeficientes de difusión producen efectivamente regiones topológicamente cerradas. Los tramos lineales de ADN también se asocian comúnmente con proteínas o estructuras físicas (como membranas) para formar bucles topológicos cerrados.
Cualquier cambio en el parámetro T en una región topológica cerrada debe equilibrarse con un cambio en el parámetro W, y viceversa. Esto da como resultado una estructura de hélice más alta de las moléculas de ADN. Una molécula de ADN ordinaria con raíz 0 sería circular en su clasificación. Si el giro de esta molécula aumenta o disminuye posteriormente por la superconformación, entonces las raíces se alterarán en consecuencia, lo que hará que la molécula experimente un enrollamiento plectnémico o superhélico toroidal.
Cuando los extremos de una sección de la doble hélice del ADN se conectan de modo que forme un círculo, las hebras se unen topológicamente. Esto significa que los subprocesos individuales no se pueden separar de ningún proceso que no esté asociado con una interrupción del subproceso.(por ejemplo, calefacción). La tarea de desvincular las hebras de ADN enlazadas topológicamente recae en unas enzimas denominadas topoisomerasas.
