ESTRUCTURA QUIMICA DE LOS ACIDOS NUCLEICOS

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Contenido
• Nucleótidos: bloques de construcción de los ácidos nucleicos
• Nucleótidos libres de importancia bioquímica
• Los nucleótidos usan sus grupos fosfato para formar polímeros
• Las dos cadenas del DNA forman una hélice doble
• Las dos cadenas del DNA son complementarias y antiparalelas
• Estructura tridimensional de la hélice doble del DNA
• Estructura secundaria del RNA: dobles cadenas complementarias y antiparalelas
• Bases nitrogenadas “menores” en los ácidos nucleicos
 
 
Conceptos clave
1 Los nucleótidos están formados por una pentosa, una base nitrogenada y un fosfato.
2 Los nucleótidos en la misma cadena de DNA o RNA están unidos por enlaces fosfodiéster.
3 En la doble hélice de DNA, los armazones de desoxirribosa fosfato de cada cadena, con sus cargas aniónicas, quedan situadas al
exterior y las bases nitrogenadas, al interior de las dos cadenas.
4 Las dos cadenas en la doble hélice de DNA se mantienen mediante puentes de hidrógeno que se forman entre las bases
nitrogenadas.
5 En el DNA, el pareamiento de bases nitrogenadas por puentes de hidrógeno es adenina-timina y citosina-guanina.
6 Las cadenas del DNA son antiparalelas: una de las cadenas se dispone a lo largo del eje de la hélice con direccionalidad 5’→3’,
mientras que su ca​dena complementaria lo hace con la direccionalidad opuesta 3’→5’.
7 La conformación B es el tipo principal de hélice que el DNA forma en la naturaleza.
8 La conformación Z del DNA es una hélice alargada de giro zurdo.
9 La distancia entre cada par de nucleótidos en el DNA es 0.34 nm.
10 Cada 10 pares de bases el DNA da un giro completo.
11 Las estructuras secundarias en los RNA de transferencia se forman cuando distintas regiones de éste presentan
complementariedad y forman una doble hélice estable.
12 La modificación de bases nitrogenadas para formar bases “menores” en el tRNA ocurre de forma postranscripcional.
13 En eucariontes, la única base “menor” en el DNA es 5-metil-citosina.
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Los ácidos nucleicos, lla​mados así originalmente por su reacción ácida y por su
localización nuclear, son macromoléculas. Hoy se sabe que la localización de estas
moléculas es amplia. El ácido desoxirribonucleico (DNA) reside en el núcleo, en las
mitocondrias y en los cloroplastos de organismos eucarióticos, mientras que el ácido
ribonucleico (RNA) se le encuentra también en el citoplasma y asociado al retículo
endoplás​mico. La lógica de esta distribución celular estriba en las funciones celulares de
los ácidos nucleicos. El DNA, el portador permanente de la información genotípica ce​-
lular, puede determinar el fenotipo de la célula desde el inte​rior del núcleo gracias a la
transcripción de su información en RNA, moléculas efímeras que viajan a otros
compartimientos celulares para ejecutar las ins​trucciones genotípicas transcritas en ellas.
Esta compartimentalización celular de los ácidos nucleicos no existe en los organismos
procarióticos, que carecen de núcleo ce​lular. La compartimentalización de los ácidos
nucleicos afecta el modo en que se expresan los genes en estos dos tipos de organismos.
Por ejemplo, la traducción de los RNA en proteínas en los procariotas se lleva a cabo en
for​ma simultánea con la transcripción del DNA, mientras que en los eucariotas, la
transcripción y traducción están física y temporalmente separadas por la membrana
nuclear. Las mitocondrias y los cloroplastos, al no tener compartimentalizados sus ácidos
nucleicos, asemejan más la situa​ción de los procariotas.
 
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Nucleótidos: bloques de construcción de los ácidos
nucleicos
Los ácidos nucleicos son polímeros construidos por mo​nómeros llamados nucleótidos. A
su vez, un nucleótido está compuesto por una pentosa, una base nitrogenada y un
fosfato. En los nucleótidos que constituyen el RNA, la pentosa es la ribosa y, en el caso
del DNA, es la 2’-de​soxirribosa, es decir, una ribosa que carece del grupo OH en la
posición 2’. De esta distinción a nivel del carbono 2’ surgen las diferencias químicas
fundamentales entre el DNA y el RNA. Ejemplo de una de ellas es la gran susceptibilidad
que tiene el RNA a la hidrólisis alcalina. Las pentosas de los ácidos nucleicos existen en
sus isómeros cíclicos, es decir, son furanosas. Por convención, los car​bonos del anillo
furánico se han designado del 1’ al 5’, co​mo se indica en la figura 27-1.
 
 
Figura 27-1. Los nucleósidos están formados por una pentosa y una base nitrogenada. Dependiendo de la
pentosa constitutiva, los nucleósidos son ribonucleósidos o desoxirribonucleósidos. En ambos casos, la unión de
la base nitrogenada siempre ocurre en la posición 1’ de la pentosa, como se ilustra en estos dos ejemplos.
 
La unión de una base nitrogenada con una pentosa se denomina nucleósido. La base
nitro​genada se une al carbono 1’ de la pentosa, por lo cual queda por arriba del plano de
la ribosa. Hay cinco distin​tas bases nitrogenadas en los ácidos nucleicos: adenina, guanina
y citosina, que se encuentran tanto en el DNA como en el RNA; la timina, presente sólo
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en el DNA, y el uracilo, que se halla sólo en el RNA. Desde el punto de vista químico,
es​tas bases nitrogenadas son compuestos heterocíclicos (anillos con dos o más tipos de
átomos) del tipo de las purinas (guanina y adenina) o las pirimidinas (citosina, uracilo y
timina). Por convención, los átomos que for​man los anillos purínicos y pirimidínicos se
han numera​do como se ve en la figura 27-2. Los nombres de los nucleósidos derivan de
sus correspondientes bases nitrogenadas (cuadro 27-1). Una propiedad de los anillos
purínicos y pirimidínicos es su planaridad, es decir, que todos los átomos del hetero​ciclo
se pueden extender sobre un plano. De ahí que un nucleósido esté formado por dos
estructuras planas, la base nitrogenada y la pentosa. Estos componentes planares tienen
una orientación relativa perpendicular en​tre sí, la cual determina la geometría en el
espacio del polímero de DNA de doble cadena (figuras 27-3 y 27-6C).
 
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Figura 27-2. Bases nitrogenadas de los ácidos nucleicos. Por convención, los átomos constitutivos de los anillos
púricos y pirímidínicos se han numerado como se indica. La hipoxantina es un intermediario metabólico de las
purinas, normalmente no se encuentra en el DNA ni en el RNA.
 
Cuadro 27–1. Nomenclatura de los nucleósidos y nucleótidos más abundantes
Base (+ pentosa) Nucleósido (+ fosfato) = Nucleótido
Adenina (+ ribosa) Adenosina (+1 fosfato en 5’)
Adenosina (+ 2 fosfato en 5’)
Adenosina (+ 3 fosfato en 5’)
AMP
ADP
ATP
5’-Monofosfato de adenosina o ácido adenílico
5’-Difosfato de adenosina o ácido difosfoadenílico
5’-Trifosfato de adenosina o ácido trifosfoadenílico
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Adenina (+ desoxirribosa) Desoxiadenosina (+ 1 fosfato en 5’)
Desoxiadenosina (+ 2 fosfatos en 5’)
Desoxiadenosina (+ 3 fosfatos en 5’)
dAMP
dADP
dATP
5’-Monofosfato de desoxiadenosina
5’-Difosfato de desoxiadenosina
5’-Trifosfato de desoxiadenosina
Citosina (+ ribosa) Citidina (+1 fosfato en 5’)
Citidina (+ 2 fosfatos en 5’)
Citidina (+ 3 fosfatos en 5’)
CMP
CDP
CTP
5’-Monofosfato de citidina o ácido citidílico
5’-Difosfato de citidina o ácido difosfocitidílico
5’-Trifosfato de citidina o ácido trifosfocitidílico
Citosina (+ desoxirribosa) Desoxicitidina (+ 1 fosfato en 5’)
Desoxicitidina (+ 2 fosfatos en 5’)
Desoxicitidina (+ 3 fosfatos en 5’)
dCMP
dCDP
dCTP
5’-Monofosfato de desoxicitidina
5’-Difosfato de desoxicitidina
5’-Trifosfato de desoxicitidina
Guanina (+ ribosa) Guanosina (+1 fosfato en 5’)
Guanosina (+ 2 fosfatos en 5’)
Guanosina (+ 3 fosfatos en 5’)
GMP
GDP
GTP
5’-Monofosfato de guanosina o ácido guanílico
5’-Difosfato de guanosina o ácido difosfoguanílico
5’-Trifosfato de guanosina o ácido trifosfoguanílico
Guanina (+ desoxirribosa) Desoxiguanosina (+ 1 fosfato en 5’)
Desoxiguanosina (+ 2 fosfatos en 5’)
Desoxiguanosina (+ 3 fosfatos en 5’)
dGMP
dGDP
dGTP
5’-Monofosfato de desoxiguanosina5’-Difosfato de desoxiguanosina
5’-Trifosfato de desoxiguanosina
Timina (+ desoxirribosa) Timidina (+ 1 fosfato en 5’)
Timidina (+ 2 fosfatos en 5’)
Timidina (+ 3 fosfatos en 5’)
TMP
TDP
TTP
5’-Monofosfato de timidina o ácido timidílico
5’-Difosfato de timidina o ácido difosfotimidílico
5’-Trifosfato de timidina o ácido trifosfotimidílico
Uracilo (+ ribosa) Uridina (+1 fosfato en 5’)
Uridina (+ 2 fosfatos en 5’)
Uridina (+ 3 fosfatos en 5’)
UMP
UDP
UTP
5’-Monofosfato de uridina o ácido uridílico
5’-Difosfato de uridina o ácido difosfouridílico
5’-Trifosfato de uridina o ácido trifosfouridílico
Hipoxantina (+ ribosa) Inosina (+1 fosfato en 5’)
Inosina (+ 2 fosfatos en 5’)
Inosina (+ 3 fosfatos en 5’)
IMP
IDP
ITP
5’Monofosfato de inosina o ácido inosínico
5’-Difosfato de inosina o ácido difosfoinosínico
5’-Trifosfato de inosina o ácido trifosfoinosínico
 
 
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Figura 27-3. Pentosas de los ácidos nucleicos. La ribofuranosa se encuentra en el ácido ribonucleico (RNA) y la
desoxirribofuranosa en el ácido desoxirribonucieico (DNA).
 
Al incorporar un fosfato, el nucleósido se convierte en un nucleótido y adquiere con
ello su carácter ácido. El grupo fosfato se une a la pentosa del nucleósido me​diante un
enlace fosfoéster. Debido a la posibilidad del fosfato de formar múlti​ples enlaces éster, en
un nucleótido pueden estar presentes dos o hasta tres fosfatos unidos por en​laces
fosfodiéster. En la figura 27-4 se ilustra el nucleósido ade​nina y sus tres posibles
nucleótidos 5’. La nomenclatura de los nucleótidos deriva del nucleósido correspondiente
y debe indicar la posición (5’ o 3’) y el número (mono-, di- otri-) de los grupos fosfato
(cuadro 27-1).
 
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Figura 27-4. Los nucleótidos están formados por un nucleósido y un fosfato. El enlace fosfoéster puede
establecerse con el OH de las posiciones 3’ o 5’. En los nucleótidos llamados “cíclicos”, el fosfato está
doblemente unido a la pentosa. En el caso del AMP cíclico, un solo fosfato establece dos enlaces fosfoéster, uno
con el OH de la posición 5’, y otro con el de la posición 3’ de la adenosina. Cuando dos o tres grupos fosfato se
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unen a la pentosa, el nucleótido resultante se denomina difosfo o trifosfonucleótido, respectivamente.
 
 
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Nucleótidos libres de importancia bioquímica
Además de ser los constituyentes de los ácidos nucleicos, los nucleótidos y sus derivados
participan en otros procesos bioquímicos celulares. Por ejemplo, el ATP, la “moneda”
bioenergética celular, suministra energía libre para la ca​tálisis de múltiples reacciones
biosintéticas. De hecho, las proporciones intracelulares de ATP, ADP y AMP sirven para
determinar el “nivel energético” celular y, con ello, regu​lar de manera coordinada varias
vías metabólicas. El AMP es uno de los nucleótidos del FAD (dinucleótido de flavina y
adenina), del NAD+ (dinucleótido de nicotinamida y adenina) y del NADP+ (fosfato de
dinucleótido de nicoti​namida y adenina), coenzimas que participan en reaccio​nes de
óxido-reducción. El AMP también es el nucleótido presente en la coenzima A (nucleótido
de adenina derivado del ácido pantoténico, una vitamina) involucrada en la “activación”
de grupos acilo. Nucleóti​dos derivados de uridina funcionan como transporta​dores de los
azúcares con que se forman carbohidratos complejos, como el glucógeno y las cadenas
de polisacárido con las cuales se modifican algunas de las proteínas transmembrana y
secretorias. El recambio de GDP por GTP y su subsecuente hidrólisis a GDP sirven para
controlar la actividad de proteínas reguladoras de cascadas de señalización in​tracelular.
Los mononucleótidos cíclicos como el AMP cíclico (cAMP, figura 27-4) son importantes
reguladores metabólicos. En eucariotas, el cAMP funciona como se​gundo mensajero de
hormonas, activando las proteínas cinasas dependientes de cAMP. En células procarióti​-
cas, el cAMP coordina una respuesta de estrés catabólico activando la transcripción de
ciertos genes.
 
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Los nucleótidos usan sus grupos fosfato para formar
polímeros
La posibilidad del fosfato de formar enlaces fosfodiéster también permite eslabonar dos o
más mononucleótidos en cadenas poliméricas, como se ilustra en la figura 27-5. En la
naturaleza, durante la síntesis de los ácidos nuclei​cos, el fosfato del enlace fosfodiéster es
donado por un 5’-trifosfonucleótido que reacciona con el grupo OH libre de la posición
3’ de otro nucleótido. Durante la forma​ción de este enlace se libera una molécula de
pirofosfa​to. La energía liberada por la hidrólisis del pirofosfato es el costo bioenergético
de la adición de un eslabón, o monómero, durante la polimerización o síntesis de los
ácidos nucleicos. En cada nueva adición, el trifosfonu​cleótido por añadirse se enlaza con
un grupo OH libre situado en la posición 3’ del nucleótido aceptor. Debido a esto, en el
DNA el extremo 5’ está fos​forilado y el extremo 3’ tiene un OH libre.
 
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Figura 27-5. Los nucleótidos son los monómeros de los ácidos nucleicos. El armazón constitutivo de los
polinucleótidos está formado por átomos de la pentosa y del fosfato, y es el mismo para el DNA y el RNA. En
esta figura se ejemplifica cómo a la secuencia polinucleotídica 5’-P- (nl)- (n2)-(n3)-OH3’ se le añade, por el
extremo 3’ OH libre, el trifosfonucleótido (n4).
 
Aunque el RNA tiene grupos OH en las posiciones 3’ y 2’, la síntesis del RNA en la
naturaleza sólo ocurre adicionando nucleótidos a los hidroxilos situa​dos en la posición 3’,
como se ilustra en la figura 27-5. De ahí que los polinucleótidos del DNA y el RNA tengan
el mismo armazón químico constituido por los siguientes átomos: P-O-C(5’)-C(4’)-C(3’)-
O, los cuales se repiten tantas veces como mononucleótidos tenga el polímero. Es de
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notarse que a esta armazón sólo contribuyen tres carbonos de la pentosa y que es
independiente de si la posición 2’ está o no hidroxilada. Los átomos de la pen​tosa que no
forman parte de este armazón sirven de en​lace entre las bases nitrogenadas y el armazón.
Así, las bases nitrogenadas quedan unidas al carbono 1’ y funcionan como cadenas
laterales variables del polímero. El mismo armazón podría servir para un polímero que
contenga sólo adeni​nas, guaninas o cualquier combinación de bases nitroge​nadas, sin
importar la longitud y la composición nucleotídica del polímero. En forma análoga a los
polipéptidos, los átomos que forman el armazón de los ácidos nucleicos sirven para
determinar la direccionalidad de estos polímeros linea​les. En los polipéptidos, la
direccionalidad se defi​ne del extremo amino libre hacia el extremo carboxilo libre. En los
ácidos nucleicos, la direccionalidad se define del extremo 5’ del armazón hacia su
extremo 3’. Esta direccionalidad permite identificar de forma química al polímero, sin
ambigüedad alguna. Cada polímero es úni​co, no sólo por la identidad de sus monómeros,
sino tam​bién por la secuencia en que estén ligados al armazón. Por ejemplo, el
polipéptido definido por los aminoácidos metionina (M), alanina (A), asparagina (N),
treonina (T), ácido glutámico (E) y leucina (L), dispuestos en el orden, amino-M-A-N-T-
E-L-carboxilo, es distinguible del polipép​tido formado por los mismos cinco aminoácidos,
pero dis​puestos en otro orden: amino-M-E-N-T-A-L-carboxilo. En el caso de los ácidos
nucleicos, un polímero de DNA de​finido como 5’-C-A-G-A-T-A-3’ es distinguible de
hexa​nucleótido 5’-T-A-C-A-G-A-3’, que está compuesto por los mismos nucleótidos
pero en distinta secuencia u orde​namiento. La célula y su repertorio enzimático recono​-
cen con gran precisión esta identidad de composición y secuencia de los polímeros
informacionales. De hecho, tal identidad es crítica para su funcionamiento como ma​-
cromoléculas que almacenan y expresan información genotípica.
Durante la adición de nucleótidos a las cadenas de DNA o RNA, un 5’-
trifosfonucleótidoreacciona con el grupo OH libre de la posición 3’ de la cadena de DNA
o RNA, liberando pirofosfato, por lo que el nuevo nucleótido queda incorporado como
monofosfonucleótido.
En los ácidos nucleicos la direccionalidad se defi​ne del extremo 5’ de la armazón hacia
su extremo 3’.
Es posible distinguir un polinucleótido de otro por la secuencia de los nucleótidos que
los componen, considerando la direccionalidad 5’ a 3’.
 
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Las dos cadenas del DNA forman una hélice doble
El DNA está formado por dos cadenas o he​bras polinucleotídicas que se aparean entre sí
formando lo que se ha llamado la doble hélice del DNA. Debido a los ángulos que
adoptan entre sí los átomos que confor​man sus armazones, los polinucleótidos del DNA
tien​den a enrollarse en una estructura helicoidal cuando se parean. En esta doble hélice,
los armazones de desoxirribosafosfato de cada cadena, con sus cargas aniónicas, quedan
situadas al exterior, y las bases nitrogenadas en medio de las dos cadenas (figura 27-6). De
hecho, las he​bras de la hélice se mantienen unidas por las interacciones no covalentes
que se dan entre sus bases nitrogenadas. Los puentes de hidrógeno que se establecen
entre al​gunos hidrógenos y átomos electronegativos de las ba​ses nitrogenadas son parte
de estas interacciones. El pareamiento de las bases nitrogenadas por medio de puentes de
hidrógeno se ilustra en la figura 27-6. Este pareamiento ocurre tan sólo entre una purina y
una pirimidina. Los pareamientos que se observan en la doble hélice del DNA son entre
adenina y timina, y entre citosina y guanina. Esto explica de modo satisfac​torio porqué en
el DNA de todos los organismos analizados, las cantidades molares de adenina son
iguales a las de timina y las de guanina igual a las de citosina (la llamada regla de
equivalencia de Char​gaff). Nótese que el par guanina-citosina establece tres puentes de
hidrógeno (G ≡ C), mientras que el par adenina-timina sólo forma dos puentes (A = T).
Esto se traduce en una mayor cohesión o estabilidad para el par G ≡ C que pa​ra el par A
= T. No obstante, la diferencia en número de puentes de hidrógeno, las dimensiones del
par G ≡ C y del par A = T, medidas desde los carbonos 1’ de las desoxirribosas mediante
las cuales se unen al armazón, son idénticas (1.085 nm). Debido a ello, los armazones de
las cadenas se mantienen equidistantes en​tre sí a lo largo de la hélice, dándole aspecto
cilíndri​co, con un diámetro uniforme de 2 nm. Si las bases pareadas en el interior de la
hélice son diferentes de los pares A = T o C ≡ G, el grosor de la hélice puede sufrir una
distorsión. Por ejemplo, el pareamiento entre dos puri​nas ocasionaría que las distancias
entre las armazones aumentasen, causando un “abultamiento” en la hélice. Es​tas
distorsiones permiten que ciertas proteínas reconoz​can un pareamiento anómalo y
procedan a “repararlo”.
 
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Figura 27-6. Las cadenas del DNA son complementarias y antiparalelas. A) Vista aplanada de un segmento de
DNA. Los armazones constitutivos de estos polinucleótidos complementarios tienen orientaciones antiparalelas, es
decir, que mientras una sigue la dirección 5’ → 3’, su cadena apareada se orienta en la dirección opuesta, 3’→
5’. Al interior de estos armazones quedan los pares de bases complementarias A = T y G ≡ C. B) Puentes de
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hidrógeno del tipo Watson-Crick que se observan comúnmente en el DNA. Las distancias que existen entre los
carbonos 1’ de los armazones son las mismas, independientemente del par de bases C) Vista tridimensional de un
segmento de DNA. Nótese la orientación relativa, casi perpendicular, de los anillos planos del par de bases
nitrogenadas con respecto a las pentosas del armazón y al eje de la doble hélice.
 
 
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Las dos cadenas del DNA son complementarias y
antiparalelas
El pareamiento y enrollamiento de las dos cadenas de la doble hélice del DNA son
complementarios de secuen​cias y ocurren en forma antiparelela. La primera característica
es fácil de intuir, pues depende del pareamiento entre los pares de bases: G ≡ C y A = T.
Cada posición A de una cadena se pareará con su base complementa​ria T. Del mismo
modo, un grupo de bases con la secuencia 5’GAATTC3’ en una cadena requerirá, para
parearse, de la secuencia 3’CTTAAG5’ complementaria corres​pondiente en la otra
cadena. La segunda característica, la antiparalelidad, indica que la dirección en que
corren dos cadenas del DNA es opuesta. Es de​cir, una de las cadenas se dispone a lo
largo del eje de la hélice con direccionalidad 5’ → 3’ y que su ca​dena complementaria lo
hará con la direccionalidad opuesta 3’ → 5’ (figura 27-6). En la naturaleza, las cade​nas del
DNA siempre se disponen en forma complemen​taria y antiparalela. De esta manera, en el
ejemplo anterior, la dirección de estos hexanucleótidos es la si​guiente:
 
 
Sólo cadenas que tengan complementariedad de bases cuando se alinean en forma
antiparalela pueden formar una doble hélice, ya que sólo de esta manera los átomos que
forman los puentes de hidrógeno están lo suficiente cerca para que los puentes se puedan
formar. Esta pro​piedad de la hélice doble del DNA es fundamental para su función
biológica, pues determina que una cadena tenga una contraparte única e inequívoca. La
secuencia nucleotídica de una cadena queda de forma implícita determinada por la
secuencia de su cadena complementaria. Gracias a esto, cada una de las cadenas del
DNA sirve de molde para dirigir la duplicación fidedigna de su cadena complementaria.
También, gracias a esta complementariedad y antiparalelidad, una cadena senci​lla de
DNA identifica en forma específica a su comple​mentaria. En esta capacidad de
identificación de las cadenas complementarias se basa el análisis de genes por medio de
técnicas de hibridación.
 
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Estructura tridimensional de la hélice doble del DNA
Los estudios cristalográficos de Franklin y Wilkins, así co​mo su análisis por Watson y
Crick, sirvieron para propo​ner un modelo tridimensional para la estructura de la hélice
doble del DNA. El tipo principal de hélice que el DNA forma en la naturaleza se
denomina conformación B (figura 27-7). Otras conformaciones que puede adoptar el DNA
son la conforma​ción cruciforme, la cuádruplex-G y la Z. Estas conformaciones del DNA
diferentes a la canónica conformación B, han mostrado ser sitios con altas tasas de
mutaciones, que se asocian con varias patologías. También se ha determinado que ciertos
genes regulan su expresión al adoptar la conformación Z, una hélice alargada de giro
zurdo. No debe pensarse que otras conformaciones del DNA, como la Z, son raras en la
naturaleza. Se estima que en el DNA humano existen, de forma transitoria, unas 100 000
regiones de DNA con conformación Z en cualquier momento dado.
 
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Figura 27-7. La hélice doble del DNA en la conformación tipo B. A) Corte transversal y perpendicular a la
dirección del eje de la doble hélice. La sección resultante enfatiza que la superficie de la hélice no está
completamente cubierta por el armazón de pentosas y fosfatos. Las porciones descubiertas esculpen los surcos
menor y mayor que se observan claramente en la vista lateral. B) Vista lateral de la doble hélice. Se requiere de la
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aposición de 10 pares de bases para obtener un giro completo de la hélice. Por convención, se dice que la
dirección de este giro es hacia la derecha o diestro. Aunque las bases nitrogenadas quedan apiladas al interior de la
hélice, algunos de sus átomos asoman por los espacios libres dejados por los surcos.
 
En la conformación B, la hélice del DNA tiene la forma de un largo cilindro con diáme​-
tro de 2 nm. Cada par de bases contribuye a la longitud de la hélice en 0.34 nm y la hace
girar 36° hacia la dere​cha. Este giro hace que, al irse apilando, los pares de ba​ses se
desplacen en un factor de 36° con respecto al par vecino y quecada 10 pares de bases
haya una revolución completa (360°) del enrollamiento de la hélice. El armazón,
constituido por las pentosas y los fos​fatos, con sus cargas negativas, queda por fuera de
la hé​lice y va girando a lo largo del eje de ésta en forma diestra. Los anillos purínicos y
pirimidínicos de cada par de bases se sitúan en el interior de la hélice, alineándose en un
solo plano. Este plano, que incluye el par de bases y sus puentes de hidrógeno, se sitúa
en forma casi per​pendicular al eje de rotación de la hélice. El apilamiento de los pares de
bases permite una interacción electróni​ca del tipo de las fuerzas de van der Waals entre
los ani​llos, la cual contribuye a la estabilidad de la hélice.
El cilindro imaginario que constituye la doble hélice del DNA es flexible y tiene relieves
en su superficie. Aunque el es​pacio que separa las cadenas del DNA es constante, el eje
de rotación de la hélice no está del todo centrado entre las bases pareadas. Este eje está
desplazado hacia el frente de la línea imaginaria que une los carbonos 1’ por donde se
enlazan las bases al armazón. Esto causa que, al girar, la hélice vaya esculpiendo en su
exterior un sur​co mayor y un surco menor. Estos surcos corresponden a los espacios de
la hélice no cubiertos por el armazón de pentosa fosfato. Constituyen áreas por donde
ciertos ti​pos de proteínas pueden interactuar con el DNA me​diante el reconocimiento
específico de secuencias nucleotídicas. A través de estos surcos, los átomos de las bases
nitrogenadas (que definen las secuencias del DNA) presentan sitios específicos de
contacto e interacción con moléculas exteriores a la hélice. No importa que las ba​ses
nitrogenadas estén alojadas en el interior de la hélice doble, los surcos son el sitio de
acceso a ellas; son sitios de crucial importancia para que la maquinaria enzimáti​ca y otras
proteínas reguladoras “lean”, a través de ellos, las secuencias nucleotídicas del DNA
responsables de la especificidad de la interacción.
 
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Estructura secundaria del RNA: dobles cadenas
complementarias y antiparalelas
Aunque el RNA difiere de forma estructural del DNA por tener un OH en la posición 2’ y
por emplear la base uraci​lo en vez de la base timina, existen entre ellos semejanzas
importantes. El DNA y el RNA son polímeros muy pa​recidos, ambos poseen el mismo
armazón de pentosa fosfa​to y tienen bases nitrogenadas que funcionan como cadenas
laterales variables, unidas a la posición 1’ del arma​zón. Esta semejanza se extiende a la
capacidad del RNA de formar, como el DNA, estructuras de dos cadenas poliméricas.
Para su formación, estas estructuras siguen también las reglas de la complementariedad
de bases y de la antiparalelidad en la orientación de las cadenas. En el caso del RNA, las
purinas y pirimidinas que for​man los pares de bases son C ≡ G y A = U, con 3 y 2
puentes de hidrógeno, respectivamente. Cuando se forma un RNA de doble cadena, la
estructura que resulta tam​bién es helicoidal de giro diestro, parecida, aunque no idéntica,
a la conformación B del DNA. De hecho, una cadena sencilla de DNA puede formar una
doble hélice híbrida (DNA/RNA) con una cadena sencilla de RNA, siempre y cuando
tengan un buen grado de complementa​riedad de secuencias. No obstante, el RNA
también puede asociarse con otro RNA, o con una región de sí mismo, con sufi​ciente
complementariedad para formar una hélice doble estable. De hecho, la actividad biológica
de los RNA ri​bosómicos y de los RNA de transferencia depende, en gran parte, de la
estructura secundaria que adquieren gracias al autopareamiento parcial del
polirribonucleó​tido (figuras 31-5 y 31-6).
 
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Bases nitrogenadas “menores” en los ácidos nucleicos
Los ácidos nucleicos también contienen algunas bases ra​ras, que derivan de las cuatro
bases nitrogenadas que suelen hallarse en ellas. Por lo común, estas bases raras resultan
de modificaciones químicas que ocu​rren en las bases ordinarias prexistentes en el poli​-
nucleótido.
Los RNA de transferencia (figura 31-5) pueden es​tar constituidos, hasta en 20% de sus
secuencias, por bases “menores” o modificadas. En general, estas mo​dificaciones
ocurren de manera postranscripcional, es decir, se hacen después de la transcripción del
RNA. Ejemplos de estas bases son la seudouridina (Ψ), en la cual el uracilo se une a la
ribosa a través de su carbono 5 en lugar del usual nitrógeno 1; la dihidrouridina (hU), en
la cual los carbonos 5 y 6 del uracilo contienen dos hidrógenos y es​tán unidos por un solo
enlace covalente. Las otras bases modificadas en los tRNA son derivados metilados de
las bases ordinarias. Estas metilaciones se han observa​do en diversas posiciones de los
anillos púricos y pirimi​dínicos (bases m2G, m5G, m1A, entre otras, en la figura 31-5), así
como en el OH de la posición 2’ de la ribosa (bases Cm y Gm en la figura 31-5). Aunque,
al parecer, ningu​na de estas modificaciones químicas es indispensable para la correcta
estructura o función in vitro de los tRNA, se sa​be que las bacterias incapaces de llevar a
cabo estas modi​ficaciones proliferan de manera más deficiente que sus variantes
normales o silvestres, lo cual sugiere una impor​tancia in vivo de las bases así
modificadas.
En el DNA, las bases menores más frecuentes son la 5-metil-citosina y la N6-metil-
adenina. La introducción del grupo metilo ocurre, después de la duplicación del DNA, en
forma específica de secuencia, y por lo tanto en una proporción pequeña de las bases
citosina y adenina. En general, la metilación del DNA sirve para introducir “etiquetas
químicas” que permitan una discriminación estructural y funcional de las cadenas del
DNA.
En las bacterias, estas “etiquetas” permiten la dis​cri​mi​na​ción del DNA propio del DNA
proveniente de un bacterió​fago invasor, mediante los sistemas de
restricción/modificación. La EcoRI, una endonucleasa de restricción, pertenece a este
sistema de reconocimien​to y protección del DNA bacteriano. Cuando la secuen​cia de
reconocimiento 5’GAATTC3’ se encuentra metilada en las adeninas o citosinas, el corte
nucleotídico por EcoRI no ocurre. Las cepas de E. coli que poseen el sistema de
restricción/modificación del tipo EcoRI meti​lan la secuencia 5’GAATTC3’, y de esa
manera pueden degradar en forma selectiva el DNA proveniente del bac​teriófago, que no
tiene estas metilaciones, y dejan intac​to su propio DNA, que sí está metilado. Este tipo
de metilaciones también permite a la bacteria distinguir las cadenas maternas (metiladas)
que sirvieron de molde para la síntesis de las cadenas hijas recién sintetizadas, las cuales
carecen de esa metilación. Esta distinción es de gran importancia, pues permite reparar
errores (muta​ciones) ocurridos durante la síntesis, usando el molde materno como la
referencia correcta original.
En el caso de las células eucarióticas, la única base metilada del DNA es la 5-metil-
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citosina. Esta metilación también ocurre en patrones específicos de secuencia, por lo
general en un dinucleótido 5’CG3’. De manera funcional, la metilación en los eucariotas
sirve para regular la expresión génica. Debido a un diferente estado de me​tilación,
algunos genes o alelos específicos se comportan de modo distinto o son reconocidos por
la maquinaria transcripcional de manera diferente. Un alto nivel de metilación
(hipermetilación) en sus secuencias reguladoras puede impedir su transcripción. La
metilación está invo​lucrada también en la identificación del origen materno o paterno de
ciertos alelos. Por ejemplo, los embriones de ratón sólo transcriben el alelo paterno, que
no está meti​lado, del gen que codifica al IGF-II (insulin-likegrowth fac​tor II), un factor
autocrino regulador de la proliferación celular. En estos animales, el alelo de origen
materno de este gen, que sí está metilado, no se expresa. Aún se desconocen los
mecanismos mediante los cuales estos patrones reguladores de metilación del DNA se
estable​cen durante la gametogénesisy el desarrollo embrionario.
 
Cuadro clínico
Relación bioquímica clínica
 
Conformaciones del DNA diferentes a la canónica conformación B han sido asociadas a patologías. La enfermedad de Huntigton,
por ejemplo, resulta de la expansión de regiones ricas en el trinucleótido CAG en el exon 1 del gen HTT (hungtintina). Dependiendo
del número de repeticiones, podemos formar tres categorías: 1) Regiones con un número bajo de repeticiones (5-35) del
trinucleótido CAG, que se encuentran en los individuos sanos y no se encuentran propensas a ser expandidas. 2) Regiones con
número medio de repeticiones (36-39) sujetas a ser expandidas hasta el estado patológico, y 3) Regiones con número alto de
repeticiones CAG (>40) las cuales se encuentran en individuos con enfermedad de Hungtinton. En estas regiones ricas en
repeticiones CAG, el DNA pierde la conformación B y adopta conformaciones distintas, como la formación de una estructura en
forma de tronco con un asa (stem-loop) y otras en las cuales, se plantea, la DNA polimerasa es propensa a cometer errores
(coloquialmente se dice que se patina), llevando a cabo una síntesis reiterativa de los tripletes CAG mientras realiza la replicación
del DNA, lo que causa la expansión de estas regiones, como en el gen HTT, causando el desarrollo de la enfermedad de Hungtinton.
 
 
Preguntas de reforzamiento
1 La diferencia entre un ribonucleótido y un desoxiribonucleótido es:
 
a) El tipo de nucleótidos que los constituyen.
b) Los desoxirribonucleótidos no poseen grupo fosfato.
c) Los desoxirribonucleótidos no tienen un grupo hidroxilo en el átomo de carbono 3’.
d) Los desoxirribonucleótidos no tienen un grupo hidroxilo en el átomo de carbono 2’.
e) Los desoxirribonucleótidos no tienen un grupo hidroxilo en los átomos de carbono 2’ y 3’.
2 Las regiones de doble cadena de RNA:
 
a) Sólo ocurren entre dos moléculas distintas de RNA de cadena sencilla.
b) Pueden ocurrir en un mismo RNA de cadena sencilla.
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c) No requieren de complementariedad entre las bases.
d) Se pueden formar sólo en el RNAm.
e) No se pueden formar.
3 Además de utilizarse para la síntesis de ácidos nucleicos, los nucleótidos funcionan como:
 
a) Segundos mensajeros en la transducción de señales.
b) Parte de coenzimas en reacciones de óxido-reducción.
c) Portadores de energía metabólica.
d) Todas las anteriores son correctas.
e) Sólo c es correcta.
4 En la doble hélice de DNA, el apareamiento entre bases es:
 
a) A-T y G-C.
b) A-G y T-C.
c) A-C y G-T.
d) A-A, C-C, G-G y T-T.
e) Ninguna de las anteriores.
5 En una misma hebra de DNA (cadena sencilla), los nucleótidos se unen mediante:
 
a) Enlaces fosfodiéster.
b) Enlaces peptídicos.
c) Puentes de hidrógeno entre A-T y G-C.
d) Puentes de hidrógeno entre A-G y T-C.
e) Enlaces covalentes entre las bases nitrogenadas.
6 Las cadenas de DNA en la doble hélice se unen mediante:
 
a) Enlaces fosfodiéster.
b) Enlaces peptídicos.
c) Puentes de hidrógeno entre las bases nitrogenadas.
d) Enlaces covalentes entre las desoxirribosas.
e) Enlaces covalentes entre las bases nitrogenadas.
7 El diámetro de la doble hélice de DNA es:
 
a) 1 μm.
b) 2 μm.
c) 2 nm.
d) 1 nm.
e) 20 nm.
8 La distancia entre cada par de nucleótidos en el DNA conformación B es:
 
a) 0.34 nm.
b) 1 nm.
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c) 2 nm.
d) 0.34 μm.
e) 1 μm.
9 La conformación B del DNA:
 
a) Es la forma predominante de DNA en las células.
b) Es una hélice que gira a la derecha.
c) Es una hélice alargada que gira a la izquierda.
d) Sólo ocurre en células procariontes.
e) Sólo a y b son correctas.
10 La conformación Z del DNA:
 
a) Es la forma predominante de DNA en las células.
b) Es una hélice que gira a la derecha.
c) Es una hélice alargada que gira a la izquierda.
d) Sólo ocurre en células procariontes.
e) Sólo a y b son correctas.
Respuestas: 1. d, 2. b, 3. d, 4. a, 5. a, 6. c, 7. c, 8. a, 9. e, 10. c.
 
Referencias
Devlin T: Bioquímica. Libro de texto con aplicaciones clínicas, 5a ed. Barcelona: Reverté, 2004.
Lewin B: Genes V. Oxford: Oxford University Press, 1994.
Lozano J, Galindo J, García J, Martínez J, et al.: Bioquímica y biología molecular, 3a ed. México: McGraw-Hill
Interamericana, 2005.
Metzler D: Biochemistry, the chemical reactions of living cells. 2nd ed. New York: Academic Press, 2003.
Melo R, Cuamatzi T: Bioquímica de los procesos metabólicos. Barcelona: Reverté, 2004.
Murray K, et al: Harper. Bioquímica ilustrada, 17aed., México: El Manual Moderno, 2007.
Nelson D, Cox M: Lehninger. Principios de bioquímica, 14a ed. Barcelona: Omega, 2006.
Pearson H: Beyond the double helix. Nature 2003;421:310-312.
Smith C, Marks A: Bioquímica básica de Marks. Un enfoque clínico. México: McGraw-Hill Interamericana, 2006.
Van Meer G, Sprong H: Membrane lipids and vesicular traffic. Curr Opin Cell Biol 2004;16:373.
Zhao J, et al. Non-B DNA structure-induced genetic instability and evolution. Cell Mol Life Sci. 2010;67:43-62.
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