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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

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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

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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).

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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

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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.

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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

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Figura 4. Energías de interacción por puente de hidrógenos calculadas por Pranata &

Jorgensen en los diferentes apareamientos.

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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.

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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.

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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.

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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

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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

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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).

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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.

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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

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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

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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.

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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.

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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

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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.

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* 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.

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* 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.

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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

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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.