ÁCIDOS NUCLEICOS

ADN :  DNA superenrollado es una molécula de DNA bicatenario que como su título lo dice es superenrollada o girada sobre sí misma, de tal modo que el eje de la doble hélice propia del DNA no sigue una curva plana sino que forma otra hélice, una superhélice.

El concepto de ADN superenrollado aparece como resultado del análisis topológico de la molécula de ADN. Una molécula con la misma secuencia puede estar en estado relajado o en diferentes estados de enrollamiento. Estas moléculas se conocen como topoisómeros, ya que son idénticas excepto en lo relativo a su topología.

Las moléculas pueden sufrir superenrollamiento tanto positivo como negativo, dependiendo del sentido de la torsión. Para que el superenrollamiento se mantenga, la molécula debe estar topológicamente restringida; así ocurre con un ADN bicatenario circular cerrado covalentemente. Un ADN bicatenario lineal puede estar restringido cuando está unido a proteínas o debido a la elevada longitud de su cadena.

La generación de superenrollamientos se da como consecuencia de una tensión estructural en la propia molécula. In vivo el proceso está regulado por las enzimastopoisomerasas.

Una forma de distinguir entre topoisómeros es realizar una corrida electroforética, ya que las distintas conformaciones poseen volumen diferente y por ello migran a diferente velocidad en el gel de electroforesis: el ADN superenrollado es más compacto y migra una distancia mayor que el ADN relajado.

Superenrollamiento es el retorcimiento o giro sobre si misma de una hélice, de forma que su eje no sigue una línea recta, sino otra hélice. Puesto que la hélice de partida ya lleva implícito un enrollamiento, a la nueva hélice descrita por el eje de la primera se la llama una "superhélice".

    Un ejemplo muy intuitivo es el cordón del teléfono, que tiene un enrollamiento helicoidal y con el uso alcanza un superenrollamiento:

    Otro modelo, más próximo a la estructura que queremos estudiar, es una cuerda formada por dos hebras arrolladas entre sí. La cuerda puede ser forzada a un mayor o menor número de vueltas entre sus hebras(una mayor o menor torsión); en este caso se genera una tensión que espontáneamente se libera mediante la formación de superenrollamientos. (Esto se explica con detalle en el apartado 2.)

     Una singularidad que debe tenerse siempre presente es que el superenrollamiento sólo permanece si los extremos se mantienen retenidos o sujetos, pues de no ser así el libre giro "deshace" las superhélices. Tal sujeción puede ser externa o bien debida a la unión de ambos extremos entre sí, de modo que la cuerda (o la molécula de DNA) forme un círculo (no en el sentido geométrico, sino en el de línea cerrada). En este caso la restricción de movimiento es permanente, con lo que este tipo de sistemas son el paradigma de los estudios topológicos del superenrollamiento.

     En 1963 se descubrió que el DNA bicatenariodel virus de polioma [1] existe en forma de círculo cerrado. En la actualidad, se admite que ésta es la forma típica del DNA en las bacterias y en los orgánulos eucarióticos (es decir, el DNA no nuclear presente en las mitocondrias y en los cloroplastos). Además, las grandes moléculas (cromosomas) del DNA nuclear en los organismos superiores, aun siendo lineales y no circulares, forman grandes bucles retenidos mediante proteínas, de modo que cada bucle  es bastante análogo al DNA circular cerrado(esto se explica con detalle en el apartado 3). Por todo ello, el DNA en las células de todo tipo experimenta constantemente fenómenos de superenrollamiento.

Terminología para describir el superenrollamiento

Molécula modelo

Para entender mejor los conceptos y terminología relacionados con el superenrollamiento, emplearemos como ejemplo una molécula bicatenaria de DNAde 104 pb (pares de bases; es decir, la asociación de dos hebras con 104 nucleótidos cada una). Si adopta la conformación más habitual, la doble hélice de tipo B, habrá exactamente 10 vueltas de hélice (explicación). Decimos que la torsiónde la molécula tiene un valor de 10 (T=10, o Tw=10, del inglés twist).

Restricción topológica

        Ahora supongamos que flexionamos la molécula, aproximando sus extremos para formar un círculo. Puesto que el número de vueltas de hélice en la molécula es entero (10 en este ejemplo), los extremos de ambas hebras quedarán correctamente alineados con posibilidad de unirse por sendos enlaces fosfodiéster (3' con 5' y 5' con 3'). Si se realiza esa unión, tendremos unamolécula circular cerrada.

       Al ser esta molécula plana y sin tensión estructural (pues sigue adoptando la conformación B), se la denomina una forma relajada. Por definición, la conformación relajada es la que tiene superenrollamiento cero. (Estrictamente, lo que es plano no es la molécula, sino la trayectoria del eje de la doble hélice.)

       Como consecuencia del cierre de la molécula, las hebras ya no se pueden separar físicamente (por ejemplo, tirando de ellas en sentidos contrarios), sino que están trabadas, ligadas, entrelazadas (similarmente a los eslabones de una cadena o los anillos de los prestidigitadores). Concretamente, en este ejemplo están entrelazadas 10 veces, y se dice que la molécula tiene un índice de ligazón de 10 (L=10, o Lk=10, del inglés linking number).

       Un valor Lk = 0 significa que las dos hebras no están ligadas, es posible separarlas. Cuando Lk es distinto de cero las dos hebras están ligadas físicamente, es decir, no se pueden separar; esto es así a pesar de que no hay enlaces covalentes entre ellas; para referirnos a esta unión física sin enlace covalente se dice que hay un enlace topológico.

       En una molécula con enlace topológico sólo se pueden separar las hebras mediante ruptura de un enlace covalente (fosfodiéster) o, dicho de otro modo, cortando una hebra. Lo mismo es aplicable para cualquier proceso que cambie el valor Lk (por ejemplo, de Lk=10 a Lk=9). Por la misma razón, la deformación, plegamiento, etc. de las hebras, sin cortarlas, no altera el índice de ligazón.

Generación de superenrollamiento

       Si, en lugar de unir los extremos de la molécula lineal tal y como quedaron enfrentados, antes rotamos uno de ellos sobre sí mismo, de modo que se reduzca el enrollamiento de la doble hélice en una vuelta (la torsión es menor, Tw=9), y entonces unimos los extremos, tendremos una molécula con sus hebras menos entrelazadas, con menor índice de ligazón, Lk=9. Al mismo tiempo, los 104 pb ahora se reparten en sólo 9 vueltas de hélice, por lo que en lugar de una vuelta cada 10,4 pb habrá una cada 11,56 pb (=104/9) y la conformación no será ya de tipo B. Esto supone una inestabilidad para la molécula, una tensión estructural (similar a la que tiene el cable retorcido del teléfono si intentamos aplanarlo sobre la mesa sin que forme bucles). La tensión se puede liberar si la molécula forma un bucle sobre sí misma, una vuelta superhelicoidal; así recupera la torsión más estable (Tw=10, con 10,4 pb/vuelta). Al número de vueltas superhelicoidales se le denomina retorcimiento(W o Wr, del inglés writhe). En este caso, debe considerarse de signo negativo (Wr=–1), pues suple la disminución de torsión inicial. El giro de esta superhélice es dextrorso, hacia la derecha, como se puede comprobar con un modelo de cuerda (la cuerda empleada como modelo tiene 4 hebras en lugar de 2, pero sirve para analizar el fenómeno):

Forma relajada Modelo de DNA dextrorso (forma B) en conformación estable y sin superenrollamiento  llamemos Two al valor de la torsión en este estado, que para el B-DNA es Two = nºpb/10,4
Alteración experimental hipotética:  girando hacia la derecha una hebra con respecto a la otra (desenrollando): Superenrollamiento negativo		Alteración experimental hipotética:  girando hacia la izquierda una hebra con respecto a la otra (enrollando más): Superenrollamiento positivo
Hélice infraenrollada, menos vueltas de hélice de lo esperado; Tw < Two aparece una tensión (no es la conformación estable). Más pb/vuelta que el modelo B-DNA (p.ej., 11). Menor giro por cada residuo (p.ej., 32°).		Hélice sobreenrollada, más vueltas de hélice de lo esperado; Tw > Two aparece una tensión (no es la conformación estable). Menos pb/vuelta que el modelo B-DNA (p.ej., 9). Mayor giro por cada residuo (p.ej., 40°).
Tw < Two ,   Wr = 0 (curva plana) Para liberar la tensión (hélice muy abierta y demasiados pb/vu), la molécula se retuerce sobre sí misma, formando una superhélice hacia la derecha Ahora ya no hay tensión, Tw es de nuevo igual a Two; este aumento que ha sufrido Tw ha tenido lugar gracias al cambio en el retorcimiento, Wr ha disminuido: Tw = Two ,   Wr < 0		Tw > Two ,   Wr = 0 Para liberar la tensión (hélice muy apretada y escasos pb/vu), la molécula se retuerce sobre sí misma en una superhélice hacia la izquierda Ahora ya no hay tensión, Tw es de nuevo igual a Two; esta disminución que ha sufrido Tw ha tenido lugar gracias al cambio en el retorcimiento, Wr ha aumentado: Tw = Two ,   Wr > 0
Puedes ver la generación de estos superenrollamientos en segmentos de vídeo:
Superenrollamiento negativo		Superenrollamiento positivo

    En un caso general, con reducción o aumento de varias vueltas de hélice, la tensión no tiene por qué eliminarse exclusivamente mediante retorcimiento (negativo o positivo, respectivamente), sino que en parte puede asumirse adoptando una conformación de menor o mayor torsión. Por ello, se cumple que cualquier cambio de Lk se puede repartir entre un cambio de torsión y un cambio de retorcimiento:

    En el ejemplo anterior, al añadir inicialmente el giro adicional antes de unir los extremos de la molécula, se cambió de Lk=10 (conformación relajada) a Lk=9 (conformación tensionada); la situación en ese momento era
                                 Lk=9, Tw=9, Wr=0
y después del retorcimiento era
                                 Lk=9, Tw=10, Wr=–1
Dicho de otro modo, la eliminación de una ligazón o enlace topológico, Lk=–1, se compensa:

• en la primera situación, con una reducción de la torsión* sin retorcimiento:
  (Tw=–1) + (Wr=0)
  (* desenrollamiento parcial de la doble hélice) 
• en la segunda, con una reducción del retorcimiento** manteniendo la torsión:
  (Tw=0) + (Wr=–1)
  (** un aumento del retorcimiento pero de sentido negativo) 

    Puesto que ambas situaciones son interconvertibles, se puede considerar que hay superenrollamiento tanto cuando se forman superhélices (retorcimiento, curvatura del eje de la doble hélice) como cuando se mantiene una torsión diferente de la más estable (deformación de la geometría local de la doble hélice).