os puede ser muy útil jsancho/estructuramacromoleculas... · 16/12/2013 - 4 - figura 2. posibles...
TRANSCRIPT
16/12/2013
- 1 -
CAP. 10. ESTRUCTURA SECUNDARIA DEL DNA.
10.1 INTERACCIONES ENTRE BASES
- INTERACCIONES POR PUENTE DE HIDROGENO: WATSON CRICK Y OTROS.
- INTERACCIONES DE APILAMIENTO (STACKING)
- DINAMICA DE LAS INTERACCIONES ENTRE BASES. EL PAPEL DEL AGUA
- APAREAMIENTOS ERRONEOS (MISSTMACHINGS)
10.2 PARAMETROS CONFORMACIONALES PARA DESCRIBIR EL DNA 10.3 FORMAS DEXTROGIRAS Y LEVOGIRAS DEL DNA. OTRAS CONFORMACIONES. 10.4 ESTRUCTURAS IRREGULARES DEL DNA 10.5 FUERZAS ESTABILIZADORAS I TRANSICIONES ENTRE FORMAS DEL DNA. Saenger,W. Principles of Nucleic Acid Structure; Springer; New York, 1984. Blacburn,G.M., Gait,M.J.: Nucleic Acids in Chemistry and Biology; IRL Press, Oxford, 1990. J.Am.Chem.Soc, 113, 2810 (1991), J.Am.Chem.Soc, 112, 503 (1990), J.Mol.Biol, 205, 787 (1989) Beveridge & Lavery (ed). “Theoretical Biochemistry and Molecular Biology”. Adenine Press 1990, pp 153- R.R.Sinden, DNA structure and function. Academic Press. San Diego 1994, chapters 5-7 Os puede ser muy útil http://www.imb-jena.de/IMAGE.html
16/12/2013
- 2 -
10.1 INTERACCIONES ENTRE BASES
Los nucleótidos se asocian según las interacciones fisicoquímicas comentadas en
los capítulos precedentes. Particularmente, las interacciones electrostáticas juegan un
papel clave en la unión por puente de hidrógeno de las bases, lo que da el
mantenimiento del código genético, y en la activación de la maquinaria proteica
necesaria para la replicación y la transcripción. Interacciones de van der Waals son por
el contrario claves para explicar fuerzas de empaquetamiento de las bases.
De todas la interacciones que afectan a los nucleótidos son las que se efectuan
entre las bases las que son de mayor importancia desde un punto de vista funcional. Las
bases efectúan dos interacciones básicas:
• Interacciones de formación de puentes de hidrógeno en el plano.
• Interacciones de stacking o apilamiento.
10.1.1 Asociaciones de bases por puentes de hidrógeno.
Los puentes de hidrógeno son como hemos visto unas interacciones guiadas por
el término electrostático que se efectúan entre un grupo electronegativo poseedor de
pares libres (aceptor) y otro que tiene unido un hidrógeno (dador). El sistema de los tres
átomos: X-H...Y suele ser lineal con una desviación que no es típicamente mayor de 20
grados. La distancia típica entre heteroátomos está establecida entre 2.6 y 3.5 Å.
Típicamente en sistemas biológicos se encuentran distancias cercanas a 3 Å.
El reconocimento entre bases se da por enlaces de hidrógeno. A priori existen
muchos patterns de formación de puentes de hidrógeno que las bases pueden efectuar.
En el DNA in vivo el modo más común de reconocimiento es el propuesto por Watson
y Crick (WC); véase Figura 1. No obstante, es importante recordar que WC no es el
16/12/2013
- 3 -
único modo de interacción por puente de hidrógeno de las bases, y que son cada vez
más las evidencias que demuestran que también in vivo son posibles otros modos de
reconocimiento. Ejemplos de estos otros modos de reconocimiento son los tipo
Hogsteen, los que se dan en los mistmacthings (aparemaientos incorrectos), o los que se
pueden dar en interacciones por el surco ancho en la formación de determinados tipos
de estructuras unusales del DNA.
Figura 1. Esquema de apareamientos Watson-Crick del DNA.
Las características del apareamiento WC son: i) preferencia por la coplanaridad
de las 2 bases, ii) formación de 3 puentes de H para el apareamiento C:G, esto son:
N4H..O6, N3..HN1 y O2..HN2; iii) formación de solo 2 puentes de H en el
reconocimento T:A o U:A, estos son: O4..HN6 y N3H..N1; iv) la distancia del par de
bases G:C y A:T es casi la misma (10.7 y 10.4 Å) y el ángulo de inclinación de los 2
pares de bases es también muy similar (entre 54 y 57 grados).
16/12/2013
- 4 -
Figura 2. Posibles tipos de apareamiento de las bases en los que (las formas
neutras y keto-amino) de las bases forman al menos 2 interacciones de puente de H.
Figura extraída del Sanger
Veremos como el hecho de que GC tenga un puente de H más que AT es clave
para explicar las propiedades diferenciales de fragmentos de DNA con composición
diferencial en AT o GC. El hecho de que los pares de bases GC t AT tengan una
geometría macroscópica tan parecida juega un papel clave en permitir la formación de
una doble hélice regular como es la que adopta en general el ADN. De hecho como
16/12/2013
- 5 -
veremos más adelante, existen modos de apareamiento mucho más eficaces que WC
para unir 2 bases, y es posiblemente el hecho de la necesidad de formar una hélice lo
que explica porque se reconocen en WC (véase Figura 1).
Como hemos comentado más arriba, existen otros modos de reconocimiento de
las bases que no son el WC. De hecho es posible (ver Figura 2) encontrar 28 posibles
modos de aparear las bases (nueutras) con alta eficiencia (al menos 2 ptes de H
lineales). Es interesante ver que son posibles además formar puentes de hidrógeno entre
purinas y purinas y pirimidinas y pirimidinas, no solo entre purinas y pirimidinas. Si
incluimos las posibilidades diferenciales que nos proporcionan el cambio en el estado
de ionización de las bases, o apareamientos con solo 1 pte de H, las posibilidades son
enormes.
Un modo de unión que posiblemente tiene un papel importante in vivo, y que se
ha detectado experimentalmente en ciertos tipos de DNA, y en localmente en
fragmentos de DNA que interaccionan con algunos fármacos es el apareamiento
Hoogsteen (Figura 3). En condiciones de electroneutralidad Hogsteen se puede formar
solo entre AT, pero si la citosina se protona se puede formar también en pares GC.
Mirando la estructura Hoogsteen AT (Figura 3) vemos que el sistema forma 2 ptes de H
muy cercanos (entre 2.8 y 2.9 Å) actuando N6H y N3H de A y T como dadores,
mientras que N1 y O4 son los aceptores. Comparando los apareamientos WC y
Hogsteen vemos como para que este último se forme la adenina tiene que rotar 180
grados con respecto a su orientación primitiva en el dímero WC. Como veremos dicha
rotación puede conseguirse tanto con una rotación del nucleótido en su conjunto, como
con una rotación parcial de la adenina con respecto al enlace glicosídico. El
apareamiento Hoogsteen (GC)+ también se ha comprobado que existe in vivo, al
detectarse fragmentos de triple hélice en secuencias ricas en GC que son muy estables a
pH acidos, y que a pH por encima de 7 se van volviendo inestable. Se especula que la
intensidad de la unión Hoogsteen G-C cuando la citosina está protonada llega a producir
un cambio en el pKa local de la citosina que hace que mantenga su protón a pH en los
que debería estar neutra.
16/12/2013
- 6 -
Figura 3. Esquema de reconocimientos Hoogsteen A-T y G-C.
Un punto muy importante es ver la energética de los apareamientos en fase gas.
Este tipo de información puede extraerse de datos espectrofotométricos que miden la
diferencia de entalpía entre las bases libres y unidas por pte de hidrógeno. El problema
de este tipo de técnica es que no permiten diseccionar entre los diferentes tipos de
apareamientos, y que la precisión de los resultados no está clara. Así, la mayoría de la
información proviene de cálculos teóricos. Pranata y Jorgensen (JACS 113, 2810
(1991)) estudiaron todos los posibles modos de reconocimiento (Figura 4) llegando a las
siguentes conclusiones: i) G-C (WC) es el modo de interacción energéticamente más
favorable con una ∆H de binding de más de 20 kcal/mol (valor muy cercano al
experimental), los otros modos de interacción son mucho menos estables
energéticamente; ii) para A-T Hoogsteen es ligeramente más estable que Watson Crick
(la diferencia pequeña ha sido confirmada por cálculos más recientes); iii) los
apareamientos erróneos son sorprendentemente estables, por ejemplo G-T es
energéticamente más estable que A-T. De hecho diversos missmatchings se han
cristalizado y resuelto por Rayos X confirmando su estabilidad (véase más abajo).
d(C+-G) d(A-T)
+
N1
N3N9
N7
R
ON1N3 R
HO
NH
H
H
NH
H
N1
N3N9
N7
R
NN1N3 R
HO
OH H
Me
16/12/2013
- 7 -
Figura 4. Energías de interacción por puente de hidrógenos calculadas por Pranata &
Jorgensen en los diferentes apareamientos.
16/12/2013
- 8 -
Respecto al término entrópico es evidente que será desfavorable en la unión de
las bases. Tradicionalmente se ha sugerido que la ∆S de binding era entre -15 y -20 ues
en vacio (o disolvente apolar). A una T de 298 K el término -T∆S tendrá un valor entre
4.5 y 6 kcal/mol. Ello hará que en general las energías libres de asociación (∆G) sean
claramente inferiores (en valor absoluto) a las correspondientes ∆H. No obstante, en
general se ve que no cambian sustancialmente las preferencias.
10.1.2 Interacciones de apilamiento (stacking)
A parte de formar puentes de hidrógeno las bases las bases interaccionan entre
ellas por interacciones de apilamiento (stacking). El stacking es una interacción por la
cual dos bases se disponen (aprox) paralelas una sobre la otra (a una distancia de unos
3.4 Å) siempre evitando contactos electrostáticos no deseados (p.ej se evitan
alineamientos paralelos de dipolos o que átomos de la misma carga se superpongan). La
interacción de stacking tiene una fuente componente de interacción de van der Waals
relacionada al solapamiento de los orbitales π de los anillos aromáticos. Actualmente se
considera como la más importante para mantener la estructura del DNA. Es también la
responsable del establecimiento de interaccions de intercalación entre drogas y el DNA.
El stacking en dobles cadenas tiene 2 componentes: i) intra-strand stacking y ii)
inter.-strand stacking. El primero es el apilamiento de una base con las que tiene arriba
y abajo, mientras que la segunda es el apilamiento de una base con las de abajo o arriba
pero en la cadena complementaria (Figura 5). Existen términos de apilamiento a más de
2 bases pero estos son despreciables en la energática global. Así el stacking de 2
dimeros de pares de bases tendrá dos contribuciones intra y dos inter-strand.
16/12/2013
- 9 -
Figura 5. Representación de las contribuciones inter. e intra del stacking en
DNA.
La interacción de stacking viene dominada por términos de dispersión (van der
Waals) y de hecho los términos electrostáticos que mandaban en las interacciones de
puente de hidrógeno son desfavorables aquí. Esto lo podemos ver mirando la Figura 6
los cálculos SCF (que incorporan términos electrostáticos pero no de van der Waals)
con los cálculos MP2 que incorporan también términos de van der Waals. Sólo en estos
últimos aparecen energía de stacking intra-strand negativas.
La energética del proceso de stacking es favorable en fase gas. En vacío se
pueden obtener ∆H de asociación elevados (véase Figura 7). Los stackings que
involucran G suelen ser los más estables y los que involucran a T los menos, pero las
diferencias son en general pequeñas, por lo que el stacking no parece ser un motor
fuerte de diferenciar entre secuencias (véase Figura 5), tema que parece estar más
dominado por interacciones de puente de hidrógeno.
16/12/2013
- 10 -
Figura 6. Energía de stacking intra-molecular en cálculos SCF y MP2 para bases
en la conformación canónica B y A del DNA.
Figura 7. Energías totales de stacking para diferentes dímeros del DNA en
conformación A y B.
16/12/2013
- 11 -
Estudios de RMN y de infrarrojo han permitido determinar que en general en
solución acuosa la estabilidad del stacking es purina-purina > pirimidina-purina >
pirimidina-pirimidina, pero no parece que las diferencias que se encuentran en solución
sean tampoco dramáticas entre un tipo de dímeros y otros. Finalmente es de señalar que
comparando los valores de energía de puente de hidrógeno con los de stacking podemos
deducir que estos últimos son más débiles en fase gas. No obstante, como ya se
mencionó más arriba, se admite actualmente que el stacking es más importante que la
formación de pte de H para la estabilización de la doble hebra de DNA. La razón de este
aparente contrasentido cabe buscarlo en el papel del agua que es un factor clave para
entender las interacciones entre bases.
10.1.3 Dinámica de la interacción entre bases. El papel del agua
Las interacciones entre bases son muy fuertes en vacio, lo que implicaría que en
fase gas el sistema sería excesivamente rígido, poco funcional, porque nunca se podrían
abrir las bases. En solución todo esto cambia ya que el solvente disminuye mucho (en
valor absoluto) la magnitud de las interacciones electrostáticas entre las bases. Esto es
especialmente dramático en el caso del puente de hidrógeno. Para que se forme este en
solución dador y aceptor deben desolvatarse, es decir, deben romper los puentes de
hidrógeno que forman con moléculas de agua y esto es muy costoso energéticamente.
Por ello, se ha descrito a partir de cálculo teórico y de estudios de NMR que a pesar de
los grandes valores de energía de interacción en vacío las bases de DNA no forman
dímeros de puente de hidrógeno en solución por el efecto distorsionador del agua. Este
efecto también impacta sobre el apilamiento de las bases, pero aquí el coste de
desolvatar es menor porque las bases se apilan por sus partes más apolares, aquellas que
cuando están expuestas al solvente interaccionan peor con el agua. En resumen, el agua
tiende a cambiar el relación de importancia de las interacciones de puente de hidrógeno
y stacking de la situación en fase gas H-bond>> stacking a la situación fisiológica
stacking >> H-bond!. De hecho, en agua el puente de hidrógeno no se detecta mientras
que el stacking tiene una energía libre de asociación en el rango –1 a -2 kcal/mol
16/12/2013
- 12 -
Por lo tanto se considera que es el stacking el motor del empaquetamiento de la
doble hélice y los puentes de H solo se dan una vez se ha eliminado el agua que existía
entre las bases. Una vez ya están formados estabilizan ciertamente la estructura del
DNA, pero no son la fuerza directriz que explica las razones por la que se forma un
ácido nucleico.
10.1.4 APAREAMIENTOS ERRONEOS (MISSTMACHINGS)
Hemos visto más arriba que el código genético no es el alfabeto infalible que fue
propuesto por Watson-Crick. Cálculos energético precisos demuestran que otros
apareamientos que G:C y A:T son también estables. El hecho de que no se den a
menudo cabe buscarlo en factores estructurales más que energéticos ya que el
apareamiento WC de G:C y A:T es muy eficaz para mantener la estructura de doble
hebra del DNA por su isomorfismo. No obstante, en ciertas circunstancias se dan
errores en el reconocimiento (missmatchings). Estos errores se suelen producir durante
el proceso de replicación o transcripción y suelen ser reparados en el acto por la
polimerasa que reconoce (básicamente por la forma) que hay un apareamiento
incorrecto. Si sobrevien a la polimerasa hay sistemas celulares (como el de reparación
por excisión) que corrigen el error. No obstante, hay una evidencia experimental
incuestionable que algunos de estos missmatchings pueden ser extremadamente estables
y que sobreviven a todos los sistemas de control celulares.
Por ejemplo, se da una mutación p.ej G:C que pasa a G:G lo más posible es que
al cabo del tiempo los enzimas encargados de la reparación del DNA detectaran la G
incorrecta y la substituyeran por C. No obstante, en ciertos casos puede darse que
eliminen la G correcta con lo que se acaba pasando de G:C a C:G, eso es obvio que
supondrá una mutación en el genotipo y tal vez fenotipo del individuo. Este tipo de
apareamiento erroneos son comunes y muchas veces su formación se debe a factores
estéricos que distorsionan el DNA y hacen que sea más fácil la formación de estos que
de los correctos.
Otra posibilidad interesante de mutaciones son las ligadas a cambios en la
preferencia tautomérica de las moléculas como los comentados en el capítulo
16/12/2013
- 13 -
precedente. También parecen cada vez más importantes los apareamientos erróneos
debidos a cambios en el estado de ionización debidos a distorsiones locales del pH en el
DNA y los debidos a cambios químicos en las bases inducidos por la presencia de
mutágenos.
Simplificando el problema de los missmatchings a aquellos que suceden solo
con las bases normales podemos hablar de dos tipos de missmatchings: transition
(apareamiento erroneo purina:pirimidina), y transversion (apareamiento purina:purina o
pirimidina:pirimidina). Uno de los missmatchings tipo transition mas común es el
apareamiento G:T, aunque el A:C se ha encontrado también siempre que la adenina esté
protonada. Respecto a la tranversion el más claro ejemplo es el par G:A que se ha
detectado por diversos autores.
10.2 PARAMETROS CONFORMACIONALES PARA DESCRIBIR EL DNA
Los polinucleótidos se adoptan estructuras secundarias helicoidales de doble
hebra. Estas estructuras suelen ser regulares y se nomenclan con criterios específicos.
Los que veremos (J.Mol.Biol., 205, 787 (1989)) son los que se corresponden a hélices
lineales. Existen otros criterios más complejos para nomenclar hélice curvadas o
estructuras distorsionadas. En este curso únicamente comentaremos los criterios para
hélices lineales.
La nomenclatura actual (ver Dickerson et al., J.Mol.Biol., 205, 787 (1989))
define primero un sistema de coordenadas para cada par de bases y a partir de él
construye el eje global de la hélice. Los sistemas de referencia son siempre el eje de la
hélice y los surcos “major” y “minor” (tambien llamados “ancho y estrecho”. Es
muy importante no dejarse engañar por las definiciones de los surcos ya que el major o
ancho no siempre es el mayor, el más ancho o el más profundo, ni el minor o estrecho
es siempre el más pequeño, menos profundo o más estrecho (las definiciones tienen sus
origenes en la estructura del B-DNA). La nomenclatura de los surcos es algo intrínseco
a los pares de bases (ver figuras 8 y 9).
16/12/2013
- 14 -
Figura 8. Esquema de nomenclatura de los ejes en un par de bases.
Figure 9. Esquema de definición de los surcos ancho y estrecho (major & minor
groove).
El procedimiento de nomenclar distingue entre: i) movimientos de traslación, y
ii) movimientos de rotación. Dentro de cada uno de ellos diferencia entre movimientos
de pares de bases respecto al eje de la hélice, de un par de bases respecto a su vecino, y
movimientos de bases por separados.
16/12/2013
- 15 -
Movimientos de translación: i) de pares respecto al eje (y displacement, x
displacement), ii) de un par respecto de otro (rise, slide y shift), iii) de una base con
respeto a otra (stagger, stretch y shear). Movimientos de rotación: i) de pares respecto al
eje (tip e inclination), ii) de un par respecto de otro (twist, roll y tilt), iii) de una base
con respeto a otra (opening, propeller twist y buckle). Ver Figuras 10 y 11 y la
referencia original.
Figura 10. Parámetros de translación de bases/pares de bases.
Y-displacement X-
Stagger Stretch Shear
Rise Slide Shift
16/12/2013
- 16 -
Figura 11. Parámetros de rotación de bases/pares de bases.
10.3 FORMAS DEXTROGIRAS, LEVOGIRAS DEL DNA Y OTRAS
CONFORMACIONES
Tradicionalmente se habla del DNA doble hélice como agrupado en 2 grupos
,tres familias y 6 tipos. Los grupos son: dextrógiros y levógiros. Las familias son: A, B
(dextrógira) y Z (levógira). Todas las familias tienen un único tipo, excepto la B, que
cuenta con 4 tipos: B, C, D y T.
Tip Inclination
Opening Propeller Twist Buckle
Twist Roll Tilt
16/12/2013
- 17 -
Las diferentes características promedio que caracterizan los diferentes tipos de
DNA se muestran en las Figura 12-13. Estos datos en general se han derivado a partir de
datos de difracción en fibras y son valores promedios de baja resolución, que en algunos
casos (p.ej rise del A-DNA) son posiblemente incorrectos.
Figura 12. Parámetros helicoidales de las formas más comunes del DNA /RNA.
Figura 13. Diedros claves en formas típicas del DNA.
16/12/2013
- 18 -
10.3.1 Formas dextrógiras (A,B,C,D,T)
Las formas dextrógiras se caracterizan por una característica común: que la
hélice gira en sentido horario. El tipo A de DNA es el que da lugar a una hélice
dextrógira mas ancha al contar con 11 residuos por vuelta de hélice. Esto mismo se ve
en el twist que pasa de ser 36-38 grados en la familia B, a ser 33 en la familia A, y en el
rise que demuestra que las bases en la familia A se encuentran más apiladas que en la
familia B. Otras características son el puckering de los azucares que en las familias B es
C2’-endo(C3’-exo), mientras que es C3’-endo para la familia A. También es destacable,
y tendrá gran importancia in vivo las diferentes características de los surcos. En la
familia B-DNA el surco ancho (o major groove) es más ancho y típicamente (tipo B) un
poco más profundo que el estrecho o minor groove. Por el contrario, en el A-DNA el
major groove es mucho más profundo que el minor, pero mucho más estrecho.
Figura 14. Representación frontal y acimutal del DNA del tipo A.
16/12/2013
- 19 -
Figura 15. Representación frontal y acimutal de un B-DNA.
El aspecto de un B-DNA y un A-DNA es totalmente diferente (véase Figuras 14
y 15). El B-DNA se distingue por los pares de bases perpendiculares al eje de la hélice,
la forma estilizada de la hélice, y por lo compacta que es en su interior. Por el contrario,
el A-DNA aparece mucho menos estilizado, los pares de bases se encuentran inclinados
con respecto al eje de la hélice, y es muy visible el hueco existente en el interior de la
hélice.
Es muy interesante ver los resultados que se muestran en la Figura 12 sobre el
DNA en cristal resuelto por Dickerson (obtenida a mucha más resolución que los datos
de fibras, pero con fragmentos menores). Es un ejemplo de que lo dicho anteriormente
es verdad. La descripción de familias es algo promedio, pero el DNA real tiene una
conformación felxible, que no se adapta normalmente a ninguna de las familias
16/12/2013
- 20 -
totalmente. Así, el dodecámero dCGCGAATTCGCG se supone que B-DNA. No
obstante, vemos como no todas las características del B-DNA se cumplen. Si
analizáramos la estructura en detalle, veríamos que el DNA en cristal aparece “doblado”
(bend) por unos 19 grados, mientras que el DNA promedio tipo A, B es lineal. Al
analizar los azúcares vemos que en la estructura cristal aparecen puckerings tales como
O4’-endo, mientras que en los DNA promedio obtenidos de fibras aparecen solo
puckerings C2’-endo(C3’-exo) y C3’-endo(C2’-exo). También se ve, que aún en una
estructura que en general se puede catalogar de B-DNA se detectan pares de bases no
perpendiculares al eje, debido básicamente a movimientos de roll. Otra característica
que se puede ver al analizar las estructuras cristal de diferentes DNAs es el hecho de
que las bases no sean coplanares, sino que uan base sale a menudo del plano de la otra,
típicamente por movimientos de propeller twist.
En la actualidad hay un gran número de estructuras determinadas
experimentalmente, siendo remarcables las diferencias en el detalle que se encuentran
entre ellas. Diferencias que se detectan incluso en estructuras de la misma secuencia que
han cristalizado en sistemas cristalinos diferentes (ver por ejemplo
http://www.mmb.pcb.ub.es/pdb/
10.3.1.1 Familia B
La familia B del DNA es la forma más habitual del DNA en condiciones
fisiológica. Incluye los DNA de los tipos B, C, D y T. Todos estos tipos de DNA son
muy similares, el más común con diferencia es el tipo B.
Las características más comunes de la familia B-DNA son (véase lo comentado
más arriba):
* Son hélices de 8-10 nucleótidos x vuelta: 8 (T,D), 9 (C), 10 (B).
* Las bases están casi en el eje de la hélice (disp entre -.2 y -1.8 Å), y la inclination es
muy pequeña.
* El major groove es mas ancho que el estrecho. En el tipo B que es el más usual el
major groove es también el más profundo.
16/12/2013
- 21 -
* El rise es de 3 a 3.3 Å.
* Los azucares adoptan puckerings en zona S, y el enlace glicosídico esta en zona -ac
(unos -100 grados).
* El B-DNA es mucho más flexible que el A-DNA y la conformación concreta depende
mucho de la secuencia, al contrario del A-DNA que parece ser una conformación más
rigida.
Las características prototípicas de la familia B las presenta el tipo B-DNA que es
el DNA más habitual in vivo, y el que se considera biológicamente activo (sin perjuicio
del posible papel de otras formas del DNA).
A parte de B-DNA hay otros tipos dentro de la familia B. Así, tenemos el C, D y
T-DNA. El C-DNA es un tipo similar al B-DNA pero ligeramente más estilizado, y con
surcos más estrechos. Aparece en DNAs sintéticos o naturales en condiciones de
humedad intermedia. Las zonas ricas en AT parecen dar más propensión a formar estas
estructuras y el Li+ aparece como un catión clave para estabilizarla. Las formas D y T
del DNA son también formas raras que se dan especialmente en DNA sintéticos, aunque
la forma T se ha detectado en ciertos fagos. Su característica más diferencial respecto al
B-DNA es un minor groove profundo pero muy estrecho. Estos tipos de DNA se han
encontrado en DNA sintéticos con secuencias alternantes poly(dA-dT).poly(dA-dT). La
presencia in vivo en fagos de la forma T puede venir dada por el alto grado de
glicosilación de las bases. La trascendencia biológica para organismos superiores de
este tipo de DNA no está clara.
10.3.1.2 Familia A
La familia A cuenta con un solo tipo: el A (T13.12). Es la segunda forma más
detectada de DNA, se ha detectado tanto en cristales como en fibras.
Sus características más relevantes (véase más arriba) son:
* Hélice menos estilizada con 11 residuos por vuelta.
16/12/2013
- 22 -
* Las bases están inclinadas con respecto a la perpendicular al eje (inclination de unos
20 grados).
* El par de bases se encuentran desplazados hacia el major groove unos 4.7 Å (x
displacement). Ello da lugar a la generación de un hueco en el centro mismo de la
hélice.
* El rise es muy pequeño (según datos de fibras 2.6 Å) lo que señala poca flexibilidad.
* El puckering del azucar es N, la rotación respecto al enlace glicosídico es -ap (unos -
160 grados).
* El major groove es muy estrecho, pero muy profundo.
El DNA se ha encontrado en la forma A secuencias ricas en -C-G- en
condiciones de muy baja humedad. El RNA y los híbridos RNA·DNA se encuentran en
cualquier condición en la forma A.
10.3.2 FORMA LEVOGIRA (Z)
La característica más relevante de este DNA es que en lugar de dextrogiro es levógiro.
Su aspecto es inconfundible no solo por esto sino también por la forma de zig-zag del
esqueleto de fosfatos, forma a la que debe su nombre.
Las características más relevantes del Z-DNA son:
* Helice de 12 nucleósidos por vuelta.
* DNA levógiro con consecuencia de que 1 de los 2 nucleótidos que forma el par de
bases adopta una conformación syn respecto al enlace glicosídico.
* El puckering de las ribosas es C2’-endo en ani y C3’-endo en syn.
* El minor groove es muy profundo, pero muy estrecho. Por contra, el major casi
desaparece en una superficie convexa con el C5 citosina, y los C8 y N7 de guanina
expuestos.
El Z-DNA se ha detectado especialmente en secuencias purina-pirimidina
alternantes, ejemplo CGCGCGCG, o en secuencias en las que alguna base,
especialmente las citosinas se han modificado por bromación o metilación.
16/12/2013
- 23 -
Las formas Z del DNA se pueden interconvertir expontáneamente en formas B-
DNA en presencia de drogas, o cambios del medio. Por ejemplo, se sabe que a altas
fuerzas iónicas (superiores 4 M) se produce cambio de B a Z, pero que este cambio se
revierte al bajar la fuerza iónica de nuevo.
Figura 16. Representación frontal y acimutal del Z-DNA
Durante bastante tiempo se pensó que el Z-DNA era un artefacto de las
condiciones de experimentación sin relevancia fisiológica. Actualmente se ha
demostrado (por ejemplo con técnicas inmunológicas) que el Z-DNA existe in vivo en
células eucariotas especialmente en zonas ricas en G-C (véase el trabajo del grupo de
Rich en PNAS 88, 2259 (1991)). Todo esto ha sugerido que el Z-DNA puede tener un
papel en la regulación de la expresión génica.
10.4 EXTRUCTURAS IRREGULARES DEL DNA
16/12/2013
- 24 -
En cualquier caso, no podemos olvidar que si bien los primeros estudios de
difracción de fibras del DNA parecían indicar que este existía en unas formas fijas. No
obstante, en la actualidad, los estudios de difracción de rayos X en cristales, los estudios
de NMR y de la dinámica molecular han permitido concluir que esto no es así. El DNA
tiene una elevada flexibilidad conformacional. Por lo tanto, todo lo que veremos sobre
estructura secundaria del DNA es en realidad sólo una información promedio. El DNA
se mueve muchísimo, movimientos locales de las bases suceden en la escala de 10-12
segundos, los cambios de conformación de los azucares en la escala de los 10-11, y
movimientos globales tales como el bending ocurren en la escala de 10-9 seg. Es decir,
el DNA parece ser una estructura estable, pero con una gran facilidad de cambiar de
conformación. Estos cambios pueden estar propiciados por una serie de agentes
externos, tales como:
- Secuencia
- Fuerza iónica
- Humedad relativa
- Modificaciones de las bases (ej. metilaciones)
- Presencia de protección
- Presencia de drogas
Así encontramos toda una gama de iregularidades en las formas canónicas
regulares de los ácidos nucleicos:
• Un primer tipo de irregularidad son los movimientos de “tip”, “buckle” y
“propeller twist”.
• Otra irregularidad son los bendings (dobleces) locales del DNA. Se
detectaron en cristales y se pensó que podía ser por problemas de packing.
Posteriormente se a visto que este bending existía por ejemplo en zonas de
unión entre A y B. Actualmente se conoce la tendencia de fragmentos
polyd(A) a inducir curvatura en el DNA.
• Otros tipos de irregularidades como las formaciones de hélices de orden
superior, pseudo-nudos, estructuras cruciforme, etc se verán en el próximo
capítulo.