El ácido desoxirribonucleico ( / d i ɒ k s ɪ r aɪ b oʊ nj U k l i ɪ k , 
; [1] ADN ) es una molécula compuesta de dos cadenas que la bobina alrededor de la otra para formar una doble hélice que lleva las instrucciones genéticas utilizadas en el crecimiento, desarrollo, funcionamiento y reproducción de todos los organismos conocidos y muchos virus.. El ADN y el ácido ribonucleico (ARN) son ácidos nucleicos ; Junto con las proteínas , los lípidos y los carbohidratos complejos ( polisacáridos ), los ácidos nucleicos son uno de los cuatro tipos principales de macromoléculas que son esenciales para todas las formas de vida conocidas .
; [1] ADN ) es una molécula compuesta de dos cadenas que la bobina alrededor de la otra para formar una doble hélice que lleva las instrucciones genéticas utilizadas en el crecimiento, desarrollo, funcionamiento y reproducción de todos los organismos conocidos y muchos virus.. El ADN y el ácido ribonucleico (ARN) son ácidos nucleicos ; Junto con las proteínas , los lípidos y los carbohidratos complejos ( polisacáridos ), los ácidos nucleicos son uno de los cuatro tipos principales de macromoléculas que son esenciales para todas las formas de vida conocidas .
Las dos cadenas de ADN también se conocen como polinucleótidos, ya que están compuestas de unidades monoméricas más simples llamadas nucleótidos . [2] [3] Cada nucleótido se compone de una de las cuatro nucleobases que contienen nitrógeno ( citosina [C], guanina [G], adenina [A] o timina [T]), un azúcar llamada desoxirribosa y un grupo fosfato . Los nucleótidos se unen entre sí en una cadena por enlaces covalentes entre el azúcar de un nucleótido y el fosfato del siguiente, lo que resulta en una alternanciaesqueleto de azúcar-fosfato . Las bases nitrogenadas de las dos cadenas de polinucleótidos separadas se unen entre sí, de acuerdo con lasreglas de apareamiento de bases (A con T y C con G), con enlaces de hidrógeno para hacer ADN de doble cadena.
Las bases nitrogenadas complementarias se dividen en dos grupos, pirimidinasy purinas . En el ADN, las pirimidinas son timina y citosina; Las purinas son adenina y guanina.
Ambas cadenas de ADN de doble cadena almacenan la misma información biológica . Esta información se replica cuando las dos cadenas se separan. Una gran parte del ADN (más del 98% para los humanos) no está codificada , lo que significa que estas secciones no sirven como patrones para las secuencias de proteínas .
Las dos cadenas de ADN se ejecutan en direcciones opuestas entre sí y, por lo tanto, son antiparalelas . Se adjunta a cada azúcar uno de los cuatro tipos de nucleobases (informalmente, bases ). Es la secuencia de estas cuatro nucleobases a lo largo de la columna vertebral que codifica la información genética. Las hebras de ARN se crean utilizando las hebras de ADN como una plantilla en un proceso llamado transcripción . Bajo el código genético , estas cadenas de ARN especifican la secuencia de aminoácidos dentro de las proteínas en un proceso llamado traducción .
Dentro de las células eucariotas, el ADN se organiza en estructuras largas llamadas cromosomas . Antes de la división celular típica , estos cromosomas se duplican en el proceso de replicación del ADN , lo que proporciona un conjunto completo de cromosomas para cada célula hija. Los organismos eucariotas ( animales , plantas , hongos y protistas ) almacenan la mayor parte de su ADN dentro del núcleo celular como ADN nuclear , y algunos en la mitocondria como ADN mitocondrial , o en cloroplastos como ADN de cloroplasto . [4]En contraste, los procariotas ( bacterias y arqueas ) almacenan su ADN solo en el citoplasma , en los cromosomas circulares . Dentro de los cromosomas eucariotas, las proteínas de la cromatina , como las histonas , compactan y organizan el ADN. Estas estructuras de compactación guían las interacciones entre el ADN y otras proteínas, ayudando a controlar qué partes del ADN se transcriben.
Friedrich Miescher aisló el ADN por primera vez en 1869. Francis Crick y James Watson identificaron por primera vez su estructura molecular en el Laboratorio Cavendish de la Universidad de Cambridge en 1953, cuyos esfuerzos de construcción de modelos se guiaron por los datos de difracción de rayos X adquiridos por Raymond Gosling , quien era un estudiante de posgrado de Rosalind Franklin . El ADN es utilizado por los investigadores como una herramienta molecular para explorar leyes y teorías físicas, como el teorema ergódico y la teoría de la elasticidad.. Las propiedades materiales únicas del ADN lo han convertido en una molécula atractiva para los científicos e ingenieros en materiales interesados en la micro y nano fabricación. Entre los avances notables en este campo se encuentran el origami de ADN y los materiales híbridos basados en ADN.
Propiedades
El ADN es un polímero largo hecho de unidades repetitivas llamadas nucleótidos . [6] [7] La estructura del ADN es dinámica a lo largo de su longitud, pudiendo enrollarse en bucles apretados y otras formas. [8] En todas las especies se compone de dos cadenas helicoidales, unidas entre sí por enlaces de hidrógeno . Ambas cadenas están enrolladas alrededor del mismo eje y tienen el mismo paso de 34 angstroms (Å) (3.4 nanómetros ). El par de cadenas tiene un radio de 10 angstroms (1.0 nanómetro). [9]Según otro estudio, cuando se midió en una solución diferente, la cadena de ADN midió de 22 a 26 angstroms de ancho (2.2 a 2.6 nanómetros), y una unidad de nucleótidos midió 3.3 Å (0.33 nm) de largo. [10] Aunque cada nucleótido individual es muy pequeño, un polímero de ADN puede ser muy grande y contener cientos de millones, como en el cromosoma 1 . El cromosoma 1 es el cromosoma humano más grande con aproximadamente 220 millones de pares de bases , [11] y tendría una longitud de 85 mm si se endereza.
El ADN no suele existir como una sola hebra, sino como un par de hebras que se mantienen unidas entre sí. [9] [12] Estas dos hebras largas se enrollan entre sí, en forma de doble hélice . El nucleótido contiene tanto un segmento del esqueleto de la molécula (que mantiene la cadena unida) como una nucleobase (que interactúa con la otra cadena de ADN en la hélice). Una nucleobase unida a un azúcar se llama nucleósido , y una base vinculada a un azúcar y a uno o más grupos fosfato se llama un nucleótido . Un biopolímero que comprende múltiples nucleótidos unidos (como en el ADN) se llama polinucleótido .[13]
La columna vertebral de la cadena de ADN está hecha de restos alternados de fosfato y azúcar . [14] El azúcar en el ADN es 2-desoxirribosa , que es un azúcar pentosa (cinco carbonos ). Los azúcares están unidos por grupos fosfato que forman enlaces fosfodiéster entre el tercer y quinto átomos de carbono de los anillos de azúcar adyacentes. Estos se conocen como los carbonos de los extremos 3′ (tres primos) y 5′ (cinco primos); el símbolo principal se usa para distinguir estos átomos de carbono de los de la base a la que la desoxirribosa forma un enlace glicosídico. Cuando se imagina ADN, normalmente se considera que cada fosforilo "pertenece" al nucleótido cuyo carbono 5 'forma un enlace con él. Por lo tanto, cualquier hebra de ADN normalmente tiene un extremo en el que hay un fosforilo unido al carbono 5 'de una ribosa (el fosforilo 5') y otro extremo en el que hay un hidroxilo libre unido al carbono 3 'de una ribosa (el 3 'hidroxilo). La orientación de los carbonos 3 'y 5' a lo largo del esqueleto de azúcar-fosfato confiere direccionalidad (a veces llamada polaridad) a cada cadena de ADN. En una doble hélice de ácido nucleico , la dirección de los nucleótidos en una cadena es opuesta a su dirección en la otra cadena: las cadenas son antiparalelas. Se dice que los extremos asimétricos de las cadenas de ADN tienen una direccionalidad de cinco extremos principales (5 ') y tres extremos principales (3'), con el extremo 5 'que tiene un grupo fosfato terminal y el extremo 3' un grupo hidroxilo terminal. Una diferencia importante entre el ADN y el ARN es el azúcar, con la 2-desoxirribosa en el ADN que se reemplaza por la ribosaazucarada pentosa alternativa en el ARN. [12]
La doble hélice del ADN se estabiliza principalmente por dos fuerzas: los enlaces de hidrógeno entre los nucleótidos y las interacciones de apilamiento de basesentre las nucleobases aromáticas . [16] En el citosol de la célula, los enlaces piconjugados de las bases de nucleótidos se alinean perpendicularmente al eje de la molécula de ADN, minimizando su interacción con la capa de solvatación . Las cuatro bases encontradas en el ADN son adenina (A), citosina (C), guanina (G) y timina (T). Estas cuatro bases están unidas al azúcar-fosfato para formar el nucleótido completo, como se muestra para el monofosfato de adenosina.. Pares de adenina con la timina y la guanina se empareja con citosina, formación de AT y GC pares de bases . [17] [18]
Clasificación de nucleobase
Las nucleobases se clasifican en dos tipos: las purinas , A y G, que son compuestos heterocíclicos fusionados de cinco y seis miembros , y las pirimidinas , los anillos de seis miembros C y T. [12] Un quinto nucleobase de pirimidina, uracilo ( U), usualmente toma el lugar de la timina en el ARN y se diferencia de la timina por carecer de un grupo metilo en su anillo. Además del ARN y el ADN, se han creado muchos análogos de ácidos nucleicos artificiales para estudiar las propiedades de los ácidos nucleicos o para su uso en biotecnología. [19]
Bases no canónicas
El uracilo generalmente no se encuentra en el ADN, y se presenta solo como un producto de degradación de la citosina . Sin embargo, en varios bacteriófagos , como los fagos PBS1 y PBS2 de Bacillus subtilis y el fago de Yersinia piR1-37, la timina ha sido reemplazada por uracilo. [20] Otro fago, el fago estafilocócico S6, se identificó con un genoma en el que la timina se reemplazó por uracilo. [21]
El uracilo también se encuentra en el ADN de Plasmodium falciparum [22]. Está presente en cantidades relativamente pequeñas (7-10 residuos de uracilo por millón de bases).
También se sabe que la 5-hidroximetildeoxiuridina (hm5dU) reemplaza a la timidina en varios genomas, incluidos los fagos Bacillus SPO1, ϕe, SP8, H1, 2C y SP82. También se ha descrito otro uracilo modificado, el 5-dihidroxipentauracilo. [23]
La base J (beta-d-glucopiranosiloximetiluracilo), una forma modificada de uracilo, también se encuentra en varios organismos: los flagelados Diplonema y Euglena , y todos los géneros kinetoplastidos . [24] La biosíntesis de J se produce en dos pasos: en el primer paso, una timidina específica en el ADN se convierte en hidroximetildeoxiuridina; en el segundo, HOMedU está glicosilado para formar J. [25] Se han identificado proteínas que se unen específicamente a esta base. [26] [27] [28] Estas proteínas parecen ser parientes lejanos del oncogén Tet1 que está involucrado en la patogénesis de la leucemia mieloide aguda. [29] J parece actuar como una señal de terminación para la ARN polimerasa II . [30] [31]
En 1976, se encontró que el bacteriófago S-2La , que infecta especies del género Synechocystis , tiene todas las bases de adenosina dentro de su genoma reemplazadas por 2,6-diaminopurina . [32] En 2016 se descubrió que la desoxarqueosina estaba presente en los genomas de varias bacterias y en el fago de Escherichia 9 g. [33]
Las bases modificadas también aparecen en el ADN. El primero de estos reconocidos fue la 5-metilcitosina , que se encontró en el genoma de Mycobacterium tuberculosis en 1925. [34] El reemplazo completo de la citosina por 5-glicosilhidroximetilcitosina en fagos T (T2, T4 y T6) se observó en 1953. [35] En los genomas de Xanthomonas oryzae bacteriophage Xp12 y halovirus FH, el complemento completo de cistosina ha sido reemplazado por 5-metilcitosina. [36] [37] Se descubrió que la 6N-metiladenina estaba presente en el ADN en 1955. [38] La N6-carbamoil-metiladenina se describió en 1975. [39] La 7-metilguanina se describió en 1976. [40] La N4-metilcitosinaen el ADN se describió en 1983. [41] En 1985 , se encontró 5-hidroxicitosina en los genomas de los fagos de Rhizobium RL38JI y N17. [42] α-putrescinylthymine se produce tanto en los genomas de la Delftia fago ΦW-14 y el Bacillus SP10 fago. [43] La α-glutamiltimidina se encuentra en el fago Bacillus SP01 y 5-dihydroxypentyluracil se encuentra en el fago Bacillus SP15.
La razón de la presencia de estas bases no canónicas en el ADN no se conoce. Parece probable que al menos parte de la razón de su presencia en virus bacterianos (fagos) es evitar las enzimas de restricción presentes en las bacterias. Este sistema enzimático actúa, al menos en parte, como un sistema inmunitario molecular que protege a las bacterias de la infección por virus.
Esto no parece ser toda la historia. Se han reportado cuatro modificaciones a los residuos de citosina en el ADN humano. [44] Estas modificaciones son la adición de metilo (CH 3 ) -, hidroximetilo (CH 2 OH) -, formilo (CHO) - y carboxilo (COOH) - grupos. Se cree que estas modificaciones tienen funciones reguladoras.
El uracilo se encuentra en las regiones centroméricas de al menos dos cromosomas humanos ( cromosoma 6 y cromosoma 11 ). [45]
Listado de bases no canónicas encontradas en el ADN.
Se sabe que en el ADN se encuentran diecisiete bases no canónicas. La mayoría de estos son modificaciones de las bases canónicas más uracilo.
- Adenosina modificada
- N6-carbamoil-metiladenina
- N6-Methyadenine
- Guanina modificada
- 7-metilguanina
- Citosina modificada
- N4-Metilcitosina
- 5-carboxilcitosina
- 5-formilcitosina
- 5-glicosilhidroximetilcitosina
- 5-hidroxicitosina
- 5-metilcitosina
- Timidina modificada
- α-glutamicina timidina
- α-putresciniltimina
- Uracil y modificaciones.
- Base J
- Uracilo
- 5-dihidroxipentauracilo
- 5-hidroximetildeoxiuracilo
- Otros
- Deoxyarchaeosine
- 2,6-diaminopurina
Surcos
Dos hebras helicoidales forman la columna vertebral del ADN. Se puede encontrar otra doble hélice trazando los espacios, o ranuras, entre las hebras. Estos vacíos son adyacentes a los pares de bases y pueden proporcionar un sitio de enlace . Como las hebras no están ubicadas simétricamente entre sí, las ranuras tienen un tamaño desigual. Una ranura, la ranura principal, tiene 22 angstroms (Å) de ancho y la otra, la ranura menor, tiene 12 Å de ancho. [46] El ancho de la ranura principal significa que los bordes de las bases son más accesibles en la ranura principal que en la ranura menor. Como resultado, las proteínas como los factores de transcripción que pueden unirse a secuencias específicas en el ADN de doble cadena generalmente hacen contacto con los lados de las bases expuestas en el surco principal.[47] Esta situación varía en las conformaciones inusuales de ADN dentro de la célula (ver a continuación), pero los surcos mayor y menor siempre se nombran para reflejar las diferencias en tamaño que se verían si el ADN se retuerza en la forma B ordinaria.
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