Estructura química del DNA

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Estructura química del DNA
Las células contienen varias macromoléculas, como son los polisacáridos, las
proteínas y los ácidos nucleicos. Estas macromoléculas pueden clasificarse como polímeros; es decir, moléculas que tienen una unidad estructural que se
repite muchas veces. Los polisacáridos se forman por la unión de monosacáridos,
las proteínas por la de aminoácidos y los ácidos nucleicos por la de nucleótidos.
Los ácidos nucleicos son de dos clases: a) ácido desoxirribonucleico
o DNA, que tiene como unidad estructural al desoxirribonucleótido o desoxinucleótido,
y b) el ácido ribonucleico o RNA, que tiene al ribonucleótido.
En esta sección se presenta la estructura química y la estructura secundaria
del DNA, mientras que en el capítulo 2 se revisa la estructura del RNA.
La molécula de DNA es un polímero que se forma por enlace covalente
de miles de desoxinucleótidos. El desoxinucleótido, o unidad estructural del
DNA, contiene un ácido fosfórico, un azúcar de 5 átomos de carbono o pentosa
y una base nitrogenada. El DNA contiene 4 bases nitrogenadas: adenina
(A) y guanina (G), que derivan de la purina, y citosina (C) y timina (T),
que derivan de la pirimidina. El enlace de la pentosa (que en el
caso del DNA es una desoxirribosa) y una base nitrogenada forma una molécula
denominada deoxinucleósido. La unión de un ácido fosfórico a esta
molécula forma el desoxinucleótido.
Los desoxinucleótidos se unen para formar el polímero lineal, o polidesoxinucleótido,
en el cual el grupo fosfato en posición 5' de la desoxirribosa
se une por un enlace éster con el hidroxilo 3' de la desoxirribosa del desoxinucleótido
vecino, y así sucesivamente. El polímero forma una hebra
donde se alternan una desoxirribosa y un fosfato, mientras que las bases se
unen perpendicularmente a ésta.
La proporción relativa de cada una de las bases del DNA, así como el orden
o secuencia en que se encuentran, varía de organismo a organismo, ya
que la secuencia de bases, específica para cada organismo, contiene la información
genética que define a ese organismo. Actualmente, existe la tecnología
que permite conocer la secuencia de bases de todo el DNA de un organismo.
Por ejemplo, ya se cuenta con las secuencias completas de más de 60
procariontes, entre ellas, las de las bacterias Haemophilus influenzae y Escherichia
coli y la de la arquea Methanococcus jannaschii (Fleischmann y cols.,
1995; Blattner y cols., 1997; Bult y cols., 1996). También, ya se tienen las secuencias
genómicas de algunos organismos eucariónticos como son las del
hongo Saccharomyces cerevisiae, la planta Arabidopsis thaliana, la mosca de
la fruta Drosophila melanogaster y la del humano (Goffeau y cols., 1996; Kaul
y cols., 2000; Adams y cols., 2000; McPherson y cols., 2001; Venter y cols.,
2001). La información relacionada con los programas de secuenciación de
procariontes puede consultarse en http://www.tigr.org/tdb.
La estructura secundaria del DNA propuesta por Watson y Crick es una
hélice de giro a la derecha formada por dos hebras de polidesoxinucleótidos
orientadas en sentido antiparalelo; es decir, el extremo 5' de una hebra queda
frente al extremo 3' de la otra. Esto significa que, en uno de los extremos de la molécula de DNA, una hebra tiene el ácido fosfórico que se une al carbono
5' de la desoxirribosa libre y en el otro extremo contiene la desoxirribosa
con el –OH 3' libre; la otra hebra tiene, frente al ácido fosfórico 5', la
desoxirribosa con el –OH 3' libre y frente a la desoxirribosa con el –OH libre,
un ácido fosfórico 5'.
Las dos hebras se unen por puentes de hidrógeno que se establecen de
manera específica o complementaria entre las bases de las dos hebras. Una
molécula de adenina se une, por dos puentes de hidrógeno, a una de timina;
y una de guanina se une por tres a una de citosina. En la parte exterior
de la hélice, se alternan moléculas de desoxirribosa y fosfato, mientras que
las bases se proyectan perpendicularmente hacia el interior.
La hélice tiene alrededor de 10 pares de bases por vuelta y un diámetro
de 2 nm. La distribución helicoidal de los desoxinucleótidos determina la
formación de una superficie exterior con un surco mayor ancho y uno menor
angosto. Las 10 bases de una vuelta de hélice quedan expuestas
hacia el surco mayor, si se les observa desde un ángulo, y hacia el
surco menor, cuando se les observa desde otro. Muchas de las proteínas que
interactúan de manera específica con ciertas secuencias de bases en el DNA
lo hacen a través del surco mayor, ya que en este surco las bases se encuentran
más expuestas. Estas interacciones son muy importantes para la regulación
de la expresión genética.
El DNA-B representa la estructura “ideal” del DNA, una estructura que se
obtiene al cristalizar el DNA con sodio como contra-ion y 92% de humedad.
El DNA-B, como lo describieron originalmente Watson y Crick, posiblemente
representa la estructura predominante en el DNA de las células, ya que los
patrones de difracción de rayos X de DNA puro son similares a los que se obtienen
con el DNA presente en cabezas intactas de espermatozoides.
Antes de conocerse la estructura tridimensional del DNA, se sabía que
la molécula era polimórfica; es decir, podía presentar más de una forma. Los
ingleses Maurice Wilkins y Rosalind Franklin encontraron que, cuando el
DNA se cristalizaba en presencia de cantidades distintas de agua, se generaban
patrones de difracción diferentes. Por ejemplo, en condiciones de baja
humedad (75%), el DNA-B presenta un cambio conformacional reversible a
una nueva estructura más ancha y rígida, denominada DNA-A. Otra estructura
alternativa del DNA es el DNA-C que se forma con sodio a una concentración
elevada y una humedad intermedia entre la que se requiere para favorecer
las estructuras DNA-A y DNA-B.
Además del DNA-A, DNA-B y DNA-C, existen otras conformaciones alternativas
para la hélice del DNA; sin embargo, es muy difícil probar cuáles
existen in vivo y, sobre todo, qué función cumple cada una de ellas
(Rich, 1993).
La hélice a la derecha del DNA puede no solamente presentar estructuras
alternativas, dependiendo del medio en que se encuentra, sino que
puede presentar curvaturas espontáneas en regiones con secuencias específicas.
La flexibilidad y ángulo de la curvatura varían, según la secuencia.
Muchas secuencias que producen curvaturas pronunciadas contienen
varias adeninas seguidas (poliA); sin embargo, existen secuencias que no
contienen poliA y presentan curvaturas importantes (Allewell, 1988).
Las regiones de DNA curvo posiblemente son importantes para favorecer
varios sucesos celulares, como son la replicación, la expresión de algunos
genes y la compactación de ciertas regiones del DNA (Pérez-Martín y
cols., 1994).
En 1979, A. Rich y sus colaboradores describieron una nueva e inesperada
estructura tridimensional del DNA: DNA-Z. Esta estructura se encontró
al estudiar por difracción de rayos X los cristales de un fragmento de
DNA de 6 pares de nucleótidos con una secuencia de bases CGCGCG. Este
fragmento se sintetizó químicamente. La nueva estructura es también una
hélice de dos cadenas antiparalelas y complementarias; sin embargo, mientras
la hélice del DNA-B gira suavemente a la derecha, la del DNA-Z gira en
cortes bruscos (zigzag) a la izquierda, y tiene un diámetro menor y 12 pares
de bases por vuelta de hélice. En el DNA-Z las bases quedan más expuestas
que en el DNA-B (Wang y cols., 1979).
Posteriormente se encontró que cualquier fragmento de DNA con una
secuencia de bases donde se alternan purinas y pirimidinas puede adquirir la
configuración Z. El DNA-Z es una estructura inestable y fácilmente adopta
la conformación B (Nordheim y cols., 1982; Wang y cols., 1979). La presencia
de regiones de DNA-Z en el DNA celular se ha estudiado principalmente
con anticuerpos que reconocen y se unen específicamente al DNA-Z. Con estos
anticuerpos se demostró la presencia de regiones Z en varios organismos:
bacterias, mosca de la fruta, trigo y mamíferos. Otro enfoque que se utiliza
para estudiar al DNA-Z es la búsquedade proteínas que se unen específicamente
a este DNA. A la fecha, se han descrito varias de estas proteínas,
como es la zuotina de levadura, la histona H-1 de mamífero y una proteína
de núcleo de células de pollo (Nordheim y cols., 1982; Zhuang y cols., 1992;
Wittig y cols., 1989).