Modificaciones químicas y alteración del empaquetamiento del ADN.
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| citosina | 5-metilcitosina | timina |
Estructura de la citosina con y sin el grupo 5-metilo. La desaminación convierte 5-metilcitosina en timina.
Modificaciones de bases y empaquetamiento de ADN
La expresión de los genes está influenciada por la forma en que el ADN se empaqueta en los cromosomas, en una estructura llamada cromatina . Las modificaciones de la base pueden estar involucradas en el empaquetamiento, con regiones que tienen una expresión génica baja o nula que generalmente contienen altos niveles de metilación de bases de citosina . El empaquetamiento del ADN y su influencia en la expresión génica también pueden ocurrir por modificaciones covalentes del núcleo de la proteína histona alrededor del cual el ADN está envuelto en la estructura de la cromatina o también por remodelación llevada a cabo por complejos de remodelación de la cromatina (ver Remodelación de la cromatina ). Además, existe una interferencia entre la metilación del ADN y la modificación de la histona, por lo que pueden afectar de manera coordinada a la cromatina y la expresión génica.[88]
Por ejemplo, la metilación de la citosina produce 5-metilcitosina , que es importante para la inactivación de los cromosomas por X. [89] El nivel promedio de metilación varía entre los organismos: el gusano Caenorhabditis elegans carece de metilación de citosina, mientras que los vertebrados tienen niveles más altos, con hasta un 1% de su ADN que contiene 5-metilcitosina. [90] A pesar de la importancia de la 5-metilcitosina, puede desaminarsepara dejar una base de timina, por lo que las citosinas metiladas son particularmente propensas a las mutaciones. [91] Otras modificaciones de bases incluyen la metilación de adenina en bacterias, la presencia de 5-hidroximetilcitosinaen el cerebro , [92] y la glicosilación de uracilo para producir la "base J" en los cinetoplastos . [93] [94]
Dañar
El ADN puede ser dañado por muchos tipos de mutágenos , que cambian la secuencia del ADN . Los mutágenos incluyen agentes oxidantes , agentes alquilantes y también de alta energía de radiación electromagnética , tales como ultravioleta luz y los rayos X . El tipo de daño en el ADN producido depende del tipo de mutágeno. Por ejemplo, la luz UV puede dañar el ADN al producir dímeros de timina , que son enlaces cruzados entre las bases de pirimidina. [96] Por otro lado, oxidantes como los radicales libres o el peróxido de hidrógenoproduce múltiples formas de daño, incluidas modificaciones de la base, en particular de guanosina y roturas de doble hebra. [97] Una célula humana típica contiene aproximadamente 150,000 bases que han sufrido daños oxidativos. [98] De estas lesiones oxidativas, las más peligrosas son las roturas de doble hebra, ya que son difíciles de reparar y pueden producir mutaciones puntuales , inserciones , deleciones de la secuencia de ADN y translocaciones cromosómicas . [99] Estas mutaciones pueden causar cáncer . Debido a los límites inherentes a los mecanismos de reparación del ADN, si los humanos vivieran lo suficiente, eventualmente desarrollarían cáncer. [100] [101]Los daños en el ADN que ocurren naturalmente , debido a procesos celulares normales que producen especies reactivas de oxígeno, las actividades hidrolíticas del agua celular, etc., también ocurren con frecuencia. Aunque la mayoría de estos daños son reparados, en cualquier célula puede quedar algún daño en el ADN a pesar de la acción de los procesos de reparación. Estos daños restantes en el ADN se acumulan con la edad en tejidos postmitóticos de mamíferos. Esta acumulación parece ser una importante causa subyacente del envejecimiento. [102] [103] [104]
Muchos mutágenos encajan en el espacio entre dos pares de bases adyacentes, esto se llama intercalación . La mayoría de los intercaladores son moléculas aromáticas y planas; los ejemplos incluyen bromuro de etidio , acridinas , daunomicina y doxorubicina . Para que un intercalador se ajuste entre pares de bases, las bases deben separarse, distorsionando las cadenas de ADN al desenrollar la doble hélice. Esto inhibe tanto la transcripción como la replicación del ADN, causando toxicidad y mutaciones. [105] Como resultado, los intercaladores de ADN pueden ser carcinógenos , y en el caso de la talidomida, un teratógeno . [106] Otros como benzo [a ] piróxido diol epóxido y aflatoxina forman aductos de ADN que inducen errores en la replicación. [107]Sin embargo, debido a su capacidad para inhibir la transcripción y replicación del ADN, también se usan otras toxinas similares en la quimioterapia para inhibir las células cancerosas que crecen rápidamente. [108]
Funciones biologicas
El ADN suele aparecer como cromosomas lineales en eucariotas y cromosomas circulares en procariotas . El conjunto de cromosomas en una célula constituye su genoma ; El genoma humano tiene aproximadamente 3 mil millones de pares de bases de ADN dispuestos en 46 cromosomas. [109] La información transportada por el ADN se guarda en la secuencia de fragmentos de ADN llamados genes . TransmisiónLa información genética en los genes se logra mediante el emparejamiento de bases complementarias. Por ejemplo, en la transcripción, cuando una célula usa la información en un gen, la secuencia de ADN se copia en una secuencia de ARN complementaria a través de la atracción entre el ADN y los nucleótidos de ARN correctos. Por lo general, esta copia de ARN se usa para hacer una secuencia de proteínas coincidente en un proceso llamado traducción , que depende de la misma interacción entre los nucleótidos de ARN. De manera alternativa, una célula puede simplemente copiar su información genética en un proceso llamado replicación de ADN. Los detalles de estas funciones están cubiertos en otros artículos; Aquí el enfoque está en las interacciones entre el ADN y otras moléculas que median la función del genoma.
Genes y genomas
El ADN genómico se empaqueta de manera ordenada y ordenada en el proceso llamado condensación de ADN , para ajustarse a los pequeños volúmenes disponibles de la célula. En los eucariotas, el ADN se encuentra en el núcleo celular , con pequeñas cantidades en mitocondrias y cloroplastos . En procariotas, el ADN se mantiene dentro de un cuerpo de forma irregular en el citoplasma llamado nucleoide . [110] La información genética en un genoma se mantiene dentro de los genes, y el conjunto completo de esta información en un organismo se llama su genotipo . Un gen es una unidad de herencia y es una región del ADN que influye en una característica particular de un organismo. Los genes contienen unamarco de lectura abierto que se puede transcribir, y secuencias reguladoras como promotores y potenciadores , que controlan la transcripción del marco de lectura abierto.
En muchas especies , solo una pequeña fracción de la secuencia total del genoma codifica la proteína. Por ejemplo, solo alrededor del 1,5% del genoma humano consiste en exones codificantes de proteínas , y más del 50% del ADN humano consiste en secuencias repetitivas no codificantes . [111] Las razones de la presencia de tanto ADN no codificante en los genomas eucariotas y las diferencias extraordinarias en el tamaño del genoma , o valor C , entre las especies, representan un rompecabezas de larga data conocido como el " enigma del valor C". [112] Sin embargo, algunas secuencias de ADN que no codifican proteínas pueden codificar ARN funcional no codificanteMoléculas, que intervienen en la regulación de la expresión génica . [113]
Algunas secuencias de ADN no codificantes desempeñan funciones estructurales en los cromosomas. Los telómeros y los centrómerossuelen contener pocos genes, pero son importantes para la función y la estabilidad de los cromosomas. [79] [115] Una forma abundante de ADN no codificante en los seres humanos son los pseudogenes , que son copias de genes que han sido desactivados por mutación. [116] Estas secuencias generalmente son solo fósiles moleculares , aunque ocasionalmente pueden servir como material genético en bruto para la creación de nuevos genes a través del proceso de duplicación de genesy divergencia . [117]
Transcripción y traducción.
Un gen es una secuencia de ADN que contiene información genética y puede influir en el fenotipo de un organismo. Dentro de un gen, la secuencia de bases a lo largo de una cadena de ADN define una secuencia de ARN mensajero , que luego define una o más secuencias de proteínas. La relación entre las secuencias de nucleótidos de los genes y las secuencias de aminoácidos de las proteínas está determinada por las reglas de traducción , conocidas colectivamente como el código genético . El código genético consiste en 'palabras' de tres letras llamadas codones formados a partir de una secuencia de tres nucleótidos (por ejemplo, ACT, CAG, TTT).
En la transcripción, los codones de un gen se copian en ARN mensajero por la ARN polimerasa . Esta copia de ARN es luego decodificada por un ribosoma que lee la secuencia de ARN mediante el emparejamiento de bases del ARN mensajero para transferir ARN , que transporta aminoácidos. Ya que hay 4 bases en combinaciones de 3 letras, hay 64 codones posibles (4 combinaciones 3 ). Estos codifican los veinte aminoácidos estándar , dando a la mayoría de los aminoácidos más de un posible codón. También hay tres codones de 'parada' o 'sin sentido' que significan el final de la región de codificación; estos son los codones TAA, TGA y TAG.
Replicación
La división celular es esencial para que un organismo crezca, pero cuando una célula se divide, debe replicar el ADN en su genoma para que las dos células hijas tengan la misma información genética que sus padres. La estructura de doble cadena del ADN proporciona un mecanismo simple para la replicación del ADN . Aquí, las dos cadenas se separan y luego lasecuencia de ADN complementaria de cada cadena se recrea mediante una enzima llamada ADN polimerasa . Esta enzima crea la cadena complementaria encontrando la base correcta a través del apareamiento de bases complementarias y uniéndola a la cadena original. Como las ADN polimerasas solo pueden extender una cadena de ADN en una dirección de 5 'a 3', se utilizan diferentes mecanismos para copiar las cadenas antiparalelas de la doble hélice.[118] De esta manera, la base en la cadena antigua dicta qué base aparece en la nueva cadena, y la célula termina con una copia perfecta de su ADN.
Acidos nucleicos extracelulares
El ADN extracelular desnudo (eDNA), en su mayoría liberado por la muerte celular, es casi omnipresente en el medio ambiente. Su concentración en el suelo puede ser tan alta como 2 μg / L, y su concentración en ambientes acuáticos naturales puede ser tan alta como 88 μg / L. [119] Se han propuesto varias funciones posibles para el eDNA: puede estar involucrado en la transferencia horizontal de genes; [120] puede proporcionar nutrientes; [121]y puede actuar como un amortiguador para reclutar o valorar iones o antibióticos. [122] El ADN extracelular actúa como un componente funcional de la matriz extracelular en las biopelículas de varias especies bacterianas. Puede actuar como un factor de reconocimiento para regular la unión y dispersión de tipos celulares específicos en el biofilm; [123]puede contribuir a la formación de biopelículas; [124] y puede contribuir a la fuerza física de la biopelícula y la resistencia al estrés biológico. [125]
El ADN fetal sin células se encuentra en la sangre de la madre y puede secuenciarse para determinar una gran cantidad de información sobre el feto en desarrollo. [126]
Interacciones con proteínas.
Todas las funciones del ADN dependen de las interacciones con las proteínas. Estas interacciones de proteínaspueden ser inespecíficas, o la proteína puede unirse específicamente a una única secuencia de ADN. Las enzimas también pueden unirse al ADN y, de estas, las polimerasas que copian la secuencia de bases del ADN en la transcripción y la replicación del ADN son particularmente importantes.
Proteínas de unión al ADN
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Interacción del ADN (en naranja) con histonas (en azul). Los aminoácidos básicos de estas proteínas se unen a los grupos fosfato ácidos en el ADN.
Las proteínas estructurales que se unen al ADN son ejemplos bien entendidos de interacciones no específicas ADN-proteína. Dentro de los cromosomas, el ADN se mantiene en complejos con proteínas estructurales. Estas proteínas organizan el ADN en una estructura compacta llamada cromatina . En los eucariotas, esta estructura implica la unión del ADN a un complejo de pequeñas proteínas básicas llamadas histonas , mientras que en los procariotas se involucran múltiples tipos de proteínas. [127] [128] Las histonas forman un complejo en forma de disco llamado nucleosoma , que contiene dos vueltas completas de ADN de doble cadena envuelto alrededor de su superficie. Estas interacciones no específicas se forman a través de residuos básicos en las histonas, formando enlaces iónicos.al esqueleto ácido-fosfato de azúcar del ADN, y por lo tanto son en gran parte independientes de la secuencia de bases. [129] Las modificaciones químicas de estos residuos de aminoácidos básicos incluyen la metilación , la fosforilación y la acetilación . [130]Estos cambios químicos alteran la fuerza de la interacción entre el ADN y las histonas, lo que hace que el ADN sea más o menos accesible a los factores de transcripción y cambia la velocidad de la transcripción. [131] Otras proteínas de unión al ADN no específicas en la cromatina incluyen las proteínas del grupo de alta movilidad, que se unen al ADN doblado o distorsionado. [132]Estas proteínas son importantes para doblar matrices de nucleosomas y organizarlas en las estructuras más grandes que forman los cromosomas. [133]
Un grupo distinto de proteínas de unión al ADN son las proteínas de unión al ADN que se unen específicamente al ADN monocatenario. En los seres humanos, la proteína de replicación A es el miembro mejor entendido de esta familia y se usa en procesos donde se separa la doble hélice, incluida la replicación del ADN, la recombinación y la reparación del ADN. [134] Estas proteínas de unión parecen estabilizar el ADN de una sola hebra y protegerlo de la formación de bucles troncales o de degradación por las nucleasas .
En contraste, otras proteínas han evolucionado para unirse a secuencias de ADN particulares. Los más estudiados de manera intensiva son los diversos factores de transcripción , que son proteínas que regulan la transcripción. Cada factor de transcripción se une a un conjunto particular de secuencias de ADN y activa o inhibe la transcripción de genes que tienen estas secuencias cerca de sus promotores. Los factores de transcripción hacen esto de dos maneras. En primer lugar, pueden unirse a la ARN polimerasa responsable de la transcripción, ya sea directamente oa través de otras proteínas mediadoras; esto localiza la polimerasa en el promotor y le permite comenzar la transcripción. [136]Alternativamente, los factores de transcripción pueden unir enzimasque modifican las histonas en el promotor. Esto cambia la accesibilidad de la plantilla de ADN a la polimerasa. [137]
Como estas dianas de ADN pueden aparecer en todo el genoma de un organismo, los cambios en la actividad de un tipo de factor de transcripción pueden afectar a miles de genes. [138] En consecuencia, estas proteínas son a menudo los objetivos de los procesos de transducción de señales que controlan las respuestas a los cambios ambientales o la diferenciación y el desarrollo celular . La especificidad de las interacciones de estos factores de transcripción con el ADN proviene de las proteínas que hacen múltiples contactos en los bordes de las bases del ADN, lo que les permite "leer" la secuencia del ADN. La mayoría de estas interacciones de base se realizan en el surco principal, donde las bases son más accesibles. [47]
Enzimas modificadoras de ADN
Nucleasas y ligasas.
Las nucleasas son enzimas que cortan las cadenas de ADN al catalizar la hidrólisis de los enlaces fosfodiéster . Las nucleasas que hidrolizan los nucleótidos de los extremos de las cadenas de ADN se llaman exonucleasas , mientras que las endonucleasas se cortan dentro de las cadenas. Las nucleasas utilizadas con mayor frecuencia en biología molecular son las endonucleasas de restricción , que cortan el ADN en secuencias específicas. Por ejemplo, la enzima EcoRV que se muestra a la izquierda reconoce la secuencia de 6 bases 5′-GATATC-3 'y realiza un corte en la línea horizontal. En la naturaleza, estas enzimas protegen las bacterias contra los fagos.infección al digerir el ADN del fago cuando entra en la célula bacteriana, actuando como parte del sistema de modificación de restricción . [140] En la tecnología, estas nucleasas específicas de secuencia se utilizan en la clonación moleculary la identificación del ADN .
Las enzimas llamadas ADN ligasas pueden volver a unir las hebras de ADN cortadas o rotas. [141] Las ligasas son particularmente importantes en la replicación del ADN de la cadena retrasada , ya que unen los segmentos cortos de ADN producidos en la bifurcación de replicación en una copia completa de la plantilla de ADN. También se utilizan en la reparación del ADN y la recombinación genética . [141]
Topoisomerasas y helicasas
Las topoisomerasas son enzimas con actividad tanto de nucleasa como de ligasa. Estas proteínas cambian la cantidad de supercoiling en el ADN. Algunas de estas enzimas funcionan cortando la hélice del ADN y permitiendo que una sección gire, lo que reduce su nivel de superenrollamiento; La enzima entonces sella la rotura del ADN. [60] Otros tipos de estas enzimas son capaces de cortar una hélice de ADN y luego pasar una segunda hebra de ADN a través de esta ruptura, antes de volver a unirse a la hélice. [142] Las topoisomerasas son necesarias para muchos procesos que involucran el ADN, como la replicación y la transcripción del ADN. [61]
Las helicasas son proteínas que son un tipo de motor molecular . Utilizan la energía química en los trifosfatos de nucleósidos , predominantemente trifosfato de adenosina (ATP), para romper los enlaces de hidrógeno entre las bases y desenrollar la doble hélice del ADN en cadenas sencillas. [143] Estas enzimas son esenciales para la mayoría de los procesos donde las enzimas necesitan acceder a las bases del ADN.
Polimerasas
Las polimerasas son enzimas que sintetizan cadenas de polinucleótidos a partir de trifosfatos de nucleósidos . La secuencia de sus productos se crea según las cadenas de polinucleótidos existentes, que se denominan plantillas . Estas enzimas funcionan agregando repetidamente un nucleótido al grupo hidroxilo 3 ' al final de la cadena de polinucleótido en crecimiento. Como consecuencia, todas las polimerasas funcionan en una dirección de 5 ′ a 3 ′. [144] En el sitio activo de estas enzimas, los nucleósidos trifosfato-pares de bases entrantes a la plantilla: esto permite a las polimerasas sintetizar con precisión la cadena complementaria de su plantilla. Las polimerasas se clasifican según el tipo de plantilla que utilizan.
En la replicación del ADN, las ADN polimerasas dependientes del ADN hacen copias de las cadenas de polinucleótidos del ADN. Para preservar la información biológica, es esencial que la secuencia de bases en cada copia sea precisamente complementaria a la secuencia de bases en la cadena de la plantilla. Muchas ADN polimerasas tienen una actividad de corrección . Aquí, la polimerasa reconoce los errores ocasionales en la reacción de síntesis por la falta de emparejamiento de bases entre los nucleótidos no coincidentes. Si se detecta una falta de coincidencia, se activa una actividad de exonucleasa de 3 ′ a 5 ′ y se elimina la base incorrecta. [145]En la mayoría de los organismos, las ADN polimerasas funcionan en un complejo grande llamado replisome que contiene múltiples subunidades accesorias, como laAbrazadera de ADN o helicasas . [146]
Las ADN polimerasas dependientes de ARN son una clase especializada de polimerasas que copian la secuencia de una cadena de ARN en el ADN. Incluyen la transcriptasa inversa , que es una enzima viralinvolucrada en la infección de las células por los retrovirus , y la telomerasa , que se requiere para la replicación de los telómeros. [78] [147] Por ejemplo, la transcriptasa inversa del VIH es una enzima para la replicación del virus del SIDA. [147] La telomerasa es una polimerasa inusual porque contiene su propia plantilla de ARN como parte de su estructura. Sintetiza telómeros.En los extremos de los cromosomas. Los telómeros evitan la fusión de los extremos de los cromosomas vecinos y protegen los extremos de los cromosomas de daños. [79]
La transcripción se realiza mediante una ARN polimerasa dependiente de ADN que copia la secuencia de una cadena de ADN en ARN. Para comenzar a transcribir un gen, la ARN polimerasa se une a una secuencia de ADN llamada promotor y separa las cadenas de ADN. Luego copia la secuencia del gen en un transcrito de ARN mensajero hasta que alcanza una región del ADN llamada terminador , donde se detiene y se separa del ADN. Al igual que con las ADN polimerasas dependientes de ADN humano, la ARN polimerasa II , la enzima que transcribe la mayoría de los genes en el genoma humano, opera como parte de un gran complejo de proteínascon múltiples subunidades reguladoras y accesorias.
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