Estructura cuaternaria de ácido nucleico - Nucleic acid quaternary structure
La estructura cuaternaria de ácido nucleico se refiere a las interacciones entre moléculas de ácido nucleico separadas o entre moléculas de ácido nucleico y proteínas . El concepto es análogo a la estructura cuaternaria de la proteína , pero como la analogía no es perfecta, el término se usa para referirse a varios conceptos diferentes en ácidos nucleicos y se encuentra con menos frecuencia. De manera similar, otras biomoléculas , como las proteínas , los ácidos nucleicos tienen cuatro niveles de disposición estructural: estructura primaria , secundaria , terciaria y cuaternaria . La estructura primaria es la secuencia lineal de nucleótidos , la estructura secundaria implica pequeños motivos de plegamiento locales y la estructura terciaria es la forma plegada en 3D de la molécula de ácido nucleico. En general, la estructura cuaternaria se refiere a interacciones 3D entre múltiples subunidades . En el caso de los ácidos nucleicos, la estructura cuaternaria se refiere a interacciones entre múltiples moléculas de ácido nucleico o entre ácidos nucleicos y proteínas. La estructura cuaternaria del ácido nucleico es importante para comprender el ADN , el ARN y la expresión génica porque la estructura cuaternaria puede afectar la función. Por ejemplo, cuando el ADN se empaqueta en cromatina , exhibiendo por tanto un tipo de estructura cuaternaria, se inhibirá la transcripción génica .
ADN
La estructura cuaternaria del ADN se utiliza para referirse a la unión del ADN a las histonas para formar nucleosomas y luego su organización en fibras de cromatina de orden superior . La estructura cuaternaria del ADN afecta en gran medida la accesibilidad de la secuencia de ADN a la maquinaria de transcripción para la expresión de genes. La estructura cuaternaria del ADN varía con el tiempo, ya que las regiones del ADN se condensan o se exponen para la transcripción. El término también se ha utilizado para describir el ensamblaje jerárquico de bloques de construcción de ácidos nucleicos artificiales utilizados en la nanotecnología del ADN .
La estructura cuaternaria del ADN se refiere a la formación de cromatina. Debido a que el genoma humano es tan grande, el ADN debe condensarse en cromatina, que consiste en unidades repetidas conocidas como nucleosomas . Los nucleosomas contienen ADN y proteínas llamadas histonas . El núcleo del nucleosoma generalmente contiene alrededor de 146 pares de bases de ADN envueltos alrededor de un octámero de histonas . El octámero de histonas está compuesto por ocho proteínas de histonas totales, dos de cada una de las siguientes proteínas: H2A, H2B, H3 y H4. Las histonas son las principales responsables de dar forma a los nucleosomas, por lo que contribuyen drásticamente a la estructura de la cromatina. Las proteínas histonas están cargadas positivamente y, por lo tanto, pueden interactuar con la cadena principal de fosfato cargada negativamente del ADN. Una porción de las proteínas de las histonas centrales, conocidas como dominios de la cola de las histonas, son extremadamente importantes para mantener el nucleosoma bien envuelto y dar al nucleosoma una estructura secundaria y terciaria. Esto se debe a que los dominios de la cola de las histonas están involucrados en interacciones entre nucleosomas. La histona enlazadora, o proteína H1, también participa en el mantenimiento de la estructura del nucleosoma. La proteína H1 tiene la función especial de garantizar que el ADN permanezca bien enrollado.
Las modificaciones de las proteínas histonas y su ADN se clasifican como estructura cuaternaria. La cromatina condensada, heterocromatina , previene la transcripción de genes. En otras palabras, los factores de transcripción no pueden acceder al ADN de la herida. Esto contrasta con la eucromatina , que se descondensa y, por lo tanto, es fácilmente accesible para la maquinaria transcripcional. La metilación del ADN a nucleótidos influye en la estructura cuaternaria de la cromatina. Los nucleótidos de ADN altamente metilados se encuentran más probablemente dentro de la heterocromatina, mientras que los nucleótidos de ADN no metilados son comunes en la eucromatina. Además, se pueden realizar modificaciones postraduccionales en los dominios de la cola de las histonas centrales, que conducen a cambios en la estructura cuaternaria del ADN y, por lo tanto, en la expresión génica. Las enzimas , conocidas como escritores epigenéticos y borradores epigenéticos, catalizan la adición o eliminación de varias modificaciones en los dominios de la cola de las histonas. Por ejemplo, un escritor de enzimas puede metilar Lisina-9 de la proteína central H3, que se encuentra en el dominio de cola de la histona H3. Esto puede conducir a la represión genética a medida que la cromatina se remodela y se asemeja a la heterocromatina. Sin embargo, se pueden realizar decenas de modificaciones en los dominios de la cola de las histonas. Por lo tanto, es la suma de todas esas modificaciones lo que determina si la cromatina se parecerá a la heterocromatina o la eucromatina.
ARN
El ARN se subdivide en muchas categorías, que incluyen ARN mensajero ( ARNm ), ARN ribosómico ( ARNr ), ARN de transferencia ( ARNt ), ARN largo no codificante ( ARNlnc ) y varios otros ARN funcionales pequeños. Mientras que muchas proteínas tienen estructura cuaternaria, la mayoría de las moléculas de ARN solo tienen estructura primaria a terciaria y funcionan como moléculas individuales en lugar de estructuras de múltiples subunidades. Algunos tipos de ARN muestran una estructura cuaternaria clara que es esencial para la función, mientras que otros tipos de ARN funcionan como moléculas individuales y no se asocian con otras moléculas para formar estructuras cuaternarias. Los complejos simétricos de moléculas de ARN son extremadamente raros en comparación con los oligómeros de proteínas . Un ejemplo de un homodímero de ARN es la ribozima VS de Neurospora , con sus dos sitios activos que consisten en nucleótidos de ambos monómeros. El ejemplo más conocido de ARN que forma estructuras cuaternarias con proteínas es el ribosoma , que consta de múltiples ARNr apoyados por rProteínas . En el espliceosoma también se encuentran complejos similares de ARN-proteína .
Riboswitches
Los ribosconmutadores son un tipo de estructura de ARNm que ayudan a regular la expresión génica y, a menudo, se unen a un conjunto diverso de ligandos . Los ribosconmutadores determinan cómo la expresión génica responde a concentraciones variables de moléculas pequeñas en la célula. Este motivo se ha observado en el mononucleótido de flavina (FMN), el di-AMP cíclico (c-di-AMP) y la glicina . Se dice que los riboswitch muestran una estructura pseudocuaternaria. Varias regiones estructuralmente similares de una sola molécula de ARN se pliegan juntas simétricamente. Debido a que esta estructura surge de una sola molécula y no de múltiples moléculas separadas, no puede denominarse verdadera estructura cuaternaria. Dependiendo de dónde se une un riboswitch y cómo está dispuesto, puede suprimir o permitir que se exprese un gen. La simetría es una parte importante de las configuraciones biomoleculares tridimensionales. Muchas proteínas son simétricas a nivel de estructura cuaternaria, pero los ARN rara vez tienen estructuras cuaternarias simétricas. Aunque la estructura terciaria es variante y esencial para todos los tipos de ARN, la oligimerización del ARN es relativamente rara.
ARNr
Los ribosomas , el orgánulo para la traducción de proteínas , están hechos de ARNr y proteínas. Los ribosomas pueden ser el mejor y más abundante ejemplo de estructura cuaternaria de ácido nucleico. Las características específicas de la estructura de los ribosomas varían entre los diferentes reinos y especies, pero todos los ribosomas están formados por una subunidad grande y una unidad pequeña. Las diferentes clases de organismos tienen subunidades ribosómicas de diferentes tamaños característicos. La asociación tridimensional de subunidades ribosómicas es esencial para la función ribosómica. La subunidad pequeña se une primero al ARNm y luego se recluta la subunidad grande. Para que se forme un polipéptido, debe producirse la asociación adecuada del ARNm y ambas subunidades de ribosoma. A la izquierda, la estructura secundaria del ARNr en el centro de la peptidiltransferasa del ribosoma en la levadura. El centro de la peptidiltransferasa es donde se cataliza la formación del enlace peptídico durante la traducción. A la derecha, la estructura tridimensional del centro de la peptidiltransferasa. El ARNr helicoidal está asociado con proteínas ribosómicas globulares. Los codones entrantes llegan al sitio A y se mueven al sitio P, donde se cataliza la formación de enlaces peptídicos. Una estructura tridimensional específica que se observa comúnmente en el ARNr es el motivo A-minor. Hay cuatro tipos de motivos A-minor, todos los cuales incluyen muchas adenosinas desaparecidas . Estas adenosinas solitarias se extienden desde el exterior y permiten que las moléculas de ARN se unan a otros ácidos nucleicos en el surco menor .
ARNt
Si bien se han observado estructuras secundarias y terciarias de consenso en los ARNt, hasta ahora no ha habido evidencia de que los ARNt hayan creado una estructura cuaternaria. Es de destacar que, a través de imágenes de alta resolución, se ha observado que el ARNt interactúa con la estructura cuaternaria del ribosoma 70S bacteriano y otras proteínas.
Otros ARN pequeños
ARNp
El ARN procabezal del bacteriófago φ29 ( ARNp ) tiene la capacidad de formar una estructura cuaternaria. El ARNp puede formar una estructura cuaternaria oligimerizando para crear la cápside que encierra el ADN genómico del bacteriófago. Varias moléculas de pRNA rodean el genoma y, a través de interacciones de apilamiento y emparejamiento de bases, los pRNA encierran y protegen el DNA. Los estudios de cristalografía muestran que el pRNA forma anillos tetraméricos, aunque las estructuras crio-EM sugieren que el pRNA también puede formar anillos pentaméricos.
Motivo de lazo de besos
En este modelo, basado en la metiltransferasa del virus del dengue, cuatro monómeros de metiltransferasa rodean dos octámeros de ARN. Las asociaciones de ácidos nucleicos demuestran el motivo del bucle de besos. El motivo plegable tridimensional conocido como lazo de besos. En este diagrama, se superponen dos modelos de bucle de besos para mostrar similitudes estructurales. La columna vertebral blanca y las bases rosadas son de B. subtilis , y la columna vertebral gris y las bases azules son de V. vulnificus .
El motivo del bucle de beso se ha observado en retrovirus y ARN codificados por plásmidos . La determinación del número de bucles de beso para formar la cápside varía entre 5 y 6. Se ha demostrado que cinco bucles de beso tienen una estabilidad más fuerte debido a la simetría particular que proporciona la estructura de 5 bucles de beso.
ARN nuclear pequeño
El ARN nuclear pequeño ( snRNA ) se combina con proteínas para formar el espliceosoma en el núcleo . El espliceosoma es responsable de detectar y eliminar intrones del pre-ARNm , que es uno de los primeros pasos del procesamiento del ARNm . El espliceosoma es un gran complejo macromolecular . La estructura cuaternaria permite que snRNA detecte secuencias de mRNA que necesitan ser escindidas.