Estructura, Topología y Empaquetamiento del DNA

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APUNTES BIOLOGÍA Y GENÉTICA MOLECULAR Grado en Biotecnología Universidad Autónoma de Barcelona AprenAI 2026-2027 Apuntes completos de Biología Molecular: bases nitrogenadas, formas B, A y Z, topología y superenrollamiento, histonas y condensación cromosómica.

APREN.AI Índice Estructura del DNA 1 Composición química y tipos de ácidos nucleicos Funciones moleculares del DNA y del RNA Clasificación de Baltimore Composición química de los nucleótidos Estabilidad química y desaminación de citosinas 2 Modificaciones químicas y leyes de Chargaff Metilaciones canónicas del DNA y sus funciones biológicas Modificaciones químicas en los distintos tipos de RNA Leyes de Chargaff y estabilidad de la doble hélice 3 Variantes conformacionales de la doble hélice Principios de la doble hélice y conformación canónica (B-DNA) Forma A-DNA y hélices de RNA Estructura y función del Z-DNA Topología del DNA 4 Cinéticas de reasociación y paradoja del valor C Dimensiones físicas del genoma humano Complejidad biológica y la paradoja del valor C Cinética Cot de reasociación del DNA Cinética Rot de hibridación con RNA 5 Matemáticas del superenrollamiento y topoisomerasas Parámetros y teorema topológico fundamental Densidad de superhélice y su trascendencia fisiológica Resolución electroforética de confórmeros de DNA Clasificación y mecanismo catalítico de las topoisomerasas Empaquetamiento génico 6 Nucleoide bacteriano y bases de la cromatina El nucleoide bacteriano: organización y proteínas de curvatura Transición al núcleo eucariota: compartimentación y densidad genómica Organización cromatínica: eucromatina, heterocromatina y citogenética Proteínas de la cromatina: histonas y grupo HMG 7 Jerarquía del nucleosoma al cromosoma metafásico El primer nivel de compactación: el nucleosoma Estructura, Topología y Empaquetamiento del DNA 1 Papel funcional de la histona H1 y la fibra de 30 nm (solenoide) Lazos radiales, matriz nuclear (scaffold) y condensación metafásica 8 Resumen para repasar Estructura química y variantes helicoidales Cinéticas y topología molecular Empaquetamiento génico y cromatina Soluciones de las preguntas de repaso Estos apuntes pueden contener errores u omisiones.

Son un material de apoyo y no sustituyen al temario oficial ni al profesorado: contrasta la información importante. Estructura, Topología y Empaquetamiento del DNA 2 1 Composición química y tipos de ácidos nucleicos AL ACABAR SABRÁS Diferenciar las funciones celulares del DNA frente a las diversas variantes funcionales del RNA. Clasificar los genomas virales según el sistema de Baltimore y sus rutas de replicación. Identificar la conectividad química de las pentosas, bases nitrogenadas y enlaces fosfodiéster. Explicar la ventaja adaptativa de la timina y el papel de la uracil N-glicosilasa frente a la desaminación.

PIÉNSALO ANTES DE LEER 1 ¿Por qué el material genético de nuestras células utiliza timina en lugar de uracilo para codificar la información? Los ácidos nucleicos almacenan, transmiten y procesan la información genética en todos los seres vivos y en las entidades virales. Estructura del DNA 1 Composición química y tipos de ácidos nucleicos 2 Modificaciones químicas y leyes de Chargaff 3 Variantes conformacionales de la doble hélice Estructura, Topología y Empaquetamiento del DNA 3 ESQUEMA Estructura y empaquetamiento del DNA Funciones moleculares del DNA y del RNA El ácido desoxirribonucleico (DNA) constituye el soporte primario de la herencia celular.

Su función consiste en dirigir tanto su propia replicación como la síntesis de moléculas de RNA mediante el proceso de transcripción. Por su parte, el ácido ribonucleico (RNA) exhibe una gran diversidad de funciones estructurales, catalíticas y reguladoras: Material genético viral: ciertos virus utilizan RNA en lugar de DNA como genoma. RNA mensajero (mRNA): transfiere las instrucciones del genoma hacia los ribosomas. RNA transferente (tRNA): aporta los aminoácidos específicos a la maquinaria de traducción. RNA ribosómico (rRNA): conforma aproximadamente dos tercios de la masa del ribosoma.

El rRNA catalítico, representado por la subunidad 23S en bacterias o 28S en eucariotas, actúa directamente como una ribozima catalizando la unión peptídica entre aminoácidos. Partículas ribonucleoproteicas (snRNPs o esnarps): pequeños RNA nucleares asociados a proteínas catiónicas ricas en arginina y lisina. Estas proteínas apantallan las cargas negativas del RNA y participan activamente en el procesamiento postranscripcional, como el corte de intrones en eucariotas. RNA no codificantes (ncRNAs): agrupan a todas las moléculas transcritas que no se traducen a polipéptidos, incluyendo intrones escindidos, secuencias intergénicas y elementos reguladores transcripcionales.

DEFINICIÓN Una ribozima es una molécula de RNA con actividad catalítica intrínseca capaz de acelerar reacciones químicas específicas sin depender de un centro activo proteico, como ocurre con la formación del enlace peptídico en el ribosoma.

Estructura química Bases, enlaces y modificaciones Monómeros y Baltimore Composición y genomas virales Conformaciones helicoidales Formas B, A y Z Topología macromolecular Superenrollamiento y cinéticas Topoisomerasas Control del superenrollamiento Empaquetamiento génico Nucleoide, nucleosoma y cromosoma Cromatina celular Histonas y fibra cromosómica Estructura, Topología y Empaquetamiento del DNA 4 Clasificación de Baltimore El esquema propuesto por David Baltimore clasifica a los virus en siete grupos según la naturaleza de su genoma y la estrategia que emplean para generar mRNA traducible: Tabla de la clasificación de Baltimore para virus.

Grupo Tipo de genoma Estrategia de replicación y expresión Ejemplos característicos I dsDNA (cadena doble) Transcripción directa a mRNA y replicación dependiente de la maquinaria celular. Herpesvirus, varicela, papiloma, viruela II ssDNA (cadena simple) Conversión previa a dsDNA intermedio antes de transcribir y replicar. Eritema infeccioso (Parvovirus) III dsRNA (cadena doble) Transcripción directa de la hebra molde a mRNA monocatenario. Reovirus (gastroenteritis) IV ssRNA(+) (sentido positivo) Traducción directa inmediata; síntesis de molde ssRNA(-) para replicar el genoma (+) con RNA polimerasa viral.

Coronavirus V ssRNA(-) (sentido negativo) Transcripción obligada de hebra (-) a (+) para poder traducirse y generar nuevo genoma. Ébola, gripe, sarampión, rabia Estructura, Topología y Empaquetamiento del DNA 5 Grupo Tipo de genoma Estrategia de replicación y expresión Ejemplos característicos VI ssRNA-RT (Retrovirus) Retrotranscripción mediante transcriptasa inversa a cDNA bicatenario e integración en el genoma hospedador. VIH VII dsDNA-RT (Retrovirus) Transcripción a mRNA viral seguida de retrotranscripción a DNA durante el ensamblaje de la cápside. Hepatitis B COMPRUEBA 2 ¿Por qué un virus de ssRNA(-) (Grupo V) no puede iniciar la síntesis proteica directamente al ingresar al citoplasma?

Composición química de los nucleótidos Los monómeros que forman los ácidos nucleicos constan de una pentosa de cinco carbonos en conformación de furanosa, una base nitrogenada heterocíclica y grupos fosfato. Esquema químico del nucleótido monofosfatado de adenina. Las bases nitrogenadas se clasifican en dos familias estructurales: Purinas (R): formadas por dos anillos fusionados con mayor carácter hidrofóbico. Incluyen la adenina y la guanina. Se unen al carbono C1' de la furanosa mediante un enlace N-glicosídico a través de su nitrógeno N9. Pirimidinas (Y): presentan un único anillo heterocíclico de menor hidrofobicidad.

Incluyen la citosina, la timina (exclusiva del DNA) y el uracilo (presente en RNA). Su unión a la pentosa ocurre mediante un enlace N-glicosídico a través del nitrógeno N1. Estructura, Topología y Empaquetamiento del DNA 6 Estructura molecular de la base púrica adenina. La polimerización de la hebra se produce siempre a partir de nucleósidos trifosfato (dNTPs o NTPs). La reacción aprovecha la energía libre liberada por la hidrólisis del enlace fosfodiéster entre los fosfatos alfa y beta, desprendiendo pirofosfato. El enlace fosfodiéster enlaza covalentemente el hidroxilo del C3' de un azúcar con el fosfato unido al C5' del nucleótido contiguo.

Debido a la ionización de estos grupos fosfato a pH celular, la cadena resultante se comporta como un polianión con densas cargas negativas. Esta repulsión electrostática requiere la presencia de contraiones catiónicos (como el ion ) para apantallar las cargas y mantener estable la doble hélice (para el análisis de parámetros de la doble hélice, véase «Estructura del DNA — Variantes conformacionales de la doble hélice»). ERROR FRECUENTE Confundir los átomos implicados en la unión entre la base y la ribosa: el enlace N-glicosídico conecta el carbono C1' de la furanosa con el nitrógeno N9 en las purinas, pero con el nitrógeno N1 en las pirimidinas.

Intercambiar estas posiciones es un fallo habitual en los exámenes de estructura molecular. COMPRUEBA 3 ¿Cuál es el papel fundamental de los iones de sodio frente al esqueleto de fosfodiéster en solución acuosa? Estabilidad química y desaminación de citosinas La presencia diferencial de grupos químicos entre el DNA y el RNA determina drásticamente su estabilidad funcional a largo plazo: Na+ Desaminación espontánea: la citosina sufre desaminación oxidativa espontánea, transformándose en uracilo. En un genoma primitivo de RNA, era imposible discernir si un residuo de uracilo correspondía a una base original o a una citosina dañada.

1 Incorporación de timina: la evolución favoreció el uso de la timina (5-metiluracilo) en el DNA. Al estar metilada en C5, cualquier uracilo presente en el genoma bicatenario se identifica inequívocamente como una mutación. 2 Reparación por UNG: la enzima uracil N-glicosilasa (UNG) rastrea continuamente el DNA, reconoce los restos de uracilo generados por desaminación y escinde el enlace N-glicosídico para restaurar la citosina correcta. 3 Estructura, Topología y Empaquetamiento del DNA 7 COMPRUEBA 4 ¿Por qué la ausencia del grupo hidroxilo en la posición C2' beneficia al DNA frente al RNA?

IDEAS CLAVE El DNA almacena la información celular mientras que el RNA presenta roles codificantes, catalíticos (rRNA 23S/28S) y de procesamiento. La clasificación de Baltimore categoriza los virus en siete grupos según su genoma y su ruta hacia el mRNA. El enlace N-glicosídico conecta el C1' de la pentosa con el N9 de las purinas y con el N1 de las pirimidinas. El esqueleto de fosfodiéster confiere carácter polianiónico al DNA, requiriendo contraiones como el . La desaminación de citosina en uracilo es reparada por la uracil N-glicosilasa (UNG), lo que justifica el uso evolutivo de la timina en el DNA.

La ausencia del 2'-OH en la desoxirribosa confiere al DNA una estabilidad química muy superior a la del RNA. COMPRUEBA LO QUE HAS APRENDIDO 5. ¿Qué actividad ejerce el rRNA 23S o 28S en el complejo ribosómico? 6. ¿Por qué el sistema de reparación celular utiliza la uracil N-glicosilasa (UNG) en lugar de permitir uracilo en el DNA? ESTRUCTURA DEL DNA 2 Modificaciones químicas y leyes de Chargaff AL ACABAR SABRÁS Diferenciar las funciones de las metilaciones de adenina y citosina en bacterias y eucariotas. Detallar las modificaciones químicas principales en mRNA, tRNA y rRNA. Formular las leyes de Chargaff y justificar la correlación entre porcentaje de pares CG y estabilidad térmica.

Reactividad del grupo 2'-OH: el RNA posee un hidroxilo en el carbono C2' con capacidad nucleofílica en medio alcalino o ácido, lo que provoca su rápida autolisis. La desoxirribosa del DNA carece de este grupo, otorgándole la inercia química necesaria para el almacenamiento a largo plazo del código genético. 4 Na+ Estructura, Topología y Empaquetamiento del DNA 8 PIÉNSALO ANTES DE LEER 7 ¿Por qué el DNA de una bacteria que vive en aguas termales a 80 °C no se desnaturaliza espontáneamente en comparación con el genoma humano?

Metilaciones canónicas del DNA y sus funciones biológicas Las modificaciones químicas enzimáticas sobre el DNA bicatenario son altamente específicas y consisten principalmente en la adición de grupos metilo. En los ácidos desoxirribonucleicos destacan dos bases metiladas canónicas: la N6-metildesoxiadenosina (metilación en adenina) y la 5- metildesoxicitidina (metilación en citosina). Mientras que los organismos procariotas emplean de manera recurrente modificaciones tanto en adenina como en citosina, en los eucariotas predomina tradicionalmente la metilación de adenina o citosina según el contexto celular.

La desaminación espontánea de una citosina metilada la transforma en timina; al no ser reconocida fácilmente como una base extraña por la maquinaria celular, puede provocar mutaciones puntuales y errores conducentes a procesos tumorales. Estas modificaciones cumplen cometidos biológicos esenciales: Sistemas de restricción-modificación procariotas: actúan como un mecanismo inmunitario frente a agentes externos. Las bacterias metilan secuencias específicas de su propio genoma para salvaguardarlo de sus correspondientes endonucleasas de restricción. Así, el DNA foráneo (como el de un bacteriófago) carente del patrón protector resulta degradado.

Control del origen de replicación: en bacterias, la metilación de residuos de adenina en secuencias diana del origen sirve de interruptor para coordinar y autorizar el inicio de una nueva ronda replicativa. Reparación post-replicativa de desapareamientos: tras la síntesis, la hebra parental conserva temporalmente sus grupos metilo mientras que la hebra recién sintetizada todavía no está metilada. Esta hemimetilación transitoria permite que las enzimas de reparación reconozcan la cadena molde original y corrijan selectivamente los errores en la hebra hija. Regulación epigenética en islas CpG: en eucariotas, las agrupaciones ricas en dinucleótidos CG operan como moduladores de la transcripción.

La metilación de estas regiones reprime la expresión génica al favorecer transiciones conformacionales hacia formas menos accesibles como el Z-DNA (véase «Estructura del DNA — Variantes conformacionales de la doble hélice»), en tanto que el estado no metilado promueve la conformación activa B-DNA facilitando la transcripción. PARA RECORDARLO En bacterias, la hemimetilación transitoria resuelve el dilema de la reparación post-replicativa: el sistema siempre toma como referencia fiable la cadena parental marcada con metilos para corregir la hebra nueva no metilada.

COMPRUEBA 8 ¿Cómo distingue el sistema de reparación de desapareamientos cuál es la hebra que contiene el error tras la replicación? Estructura, Topología y Empaquetamiento del DNA 9 Modificaciones químicas en los distintos tipos de RNA Frente a la uniformidad del DNA, los ácidos ribonucleicos celulares exhiben una variedad notablemente mayor de modificaciones covalentes y metilaciones, necesarias para su estabilidad, procesamiento y actividad: RNA mensajero (mRNA): en eucariotas se añade una estructura protectora en el extremo 5' denominada capuchón o cap, que consiste en una guanosina metilada imprescindible para la estabilidad y el inicio de la traducción.

RNA de transferencia (tRNA): tanto en procariotas como en eucariotas, las bases y ribosas experimentan numerosas modificaciones y metilaciones específicas indispensables para consolidar su plegamiento tridimensional nativo y permitir la interacción correcta con los ribosomas. RNA ribosómico (rRNA): sufre metilaciones de maduración altamente conservadas para ensamblar la partícula ribosómica activa. Requiere 24 sitios metilados en procariotas y alrededor de 100 sitios en células humanas.

Leyes de Chargaff y estabilidad de la doble hélice A mediados del siglo XX, Erwin Chargaff estableció una serie de regularidades empíricas cuantitativas sobre la composición nucleotídica del DNA duplex: Organismo / Grupo térmico Rango aproximado de %CG Mecanismo principal de compensación Bacterias termófilas Alrededor de 75 % Elevado %CG para resistir el choque térmico directo Bacterias mesófilas 25 % - 75 % Ajustado al nicho térmico óptimo de crecimiento Bacterias psicrófilas Alrededor de 25 % Bajo %CG para mantener flexibilidad a bajas temperaturas Organismos eucariotas 39 % - 42 % Mecanismos de homeostasis y regulación fisiológica interna La estabilidad de la doble hélice está determinada en gran medida por las fuerzas de apilamiento hidrofóbico entre los planos de las bases contiguas.

No obstante, un contenido elevado de pares CG confiere una superior resistencia térmica al poseer tres puentes de hidrógeno intercatenarios frente a Equivalencia molar de bases complementarias: en cualquier molécula de DNA bicatenario, la proporción molar de adenina es igual a la de timina ( ) y la de guanina equivale a la de citosina ( ). Por consiguiente, la relación entre purinas y pirimidinas se mantiene igual a la unidad ( ). 1 A = T G = C A + G = T + C Constancia tisular del contenido nucleotídico: el porcentaje relativo de los pares CG es constante e idéntico en todos los tejidos de un mismo individuo, siendo completamente independiente del tipo celular o función tisular analizada.

2 Variación interespecífica del porcentaje CG: la composición global de bases varía ampliamente entre organismos distintos. 3 Estructura, Topología y Empaquetamiento del DNA 10 los dos enlaces presentes en el par AT. ERROR FRECUENTE Asumir que las leyes de Chargaff se cumplen para cualquier ácido nucleico. Los RNA monocatenarios (ssRNA) o los genomas virales de hebra simple no satisfacen las relaciones ni , pues carecen del emparejamiento complementario global continuo propio del dúplex de DNA. COMPRUEBA 9 ¿Por qué un organismo termófilo presenta un porcentaje de CG sustancialmente superior al de uno psicrófilo?

IDEAS CLAVE Las principales bases metiladas del DNA son la N6-metildesoxiadenosina y la 5- metildesoxicitidina. La metilación en bacterias protege contra nucleasas propias en sistemas de restricción- modificación y marca la cadena parental en la reparación post-replicativa. En eucariotas, la metilación de dinucleótidos en islas CpG actúa como interruptor transcripcional alterando la conformación entre B-DNA y Z-DNA. El RNA requiere múltiples modificaciones post-transcripcionales, destacando el cap 5' del mRNA, la conformación funcional del tRNA y sitios específicos de maduración en el rRNA (24 en bacterias y 100 en humanos).

Las leyes de Chargaff establecen que en DNA bicatenario y , con un contenido de CG constante en todos los tejidos de una misma especie pero variable entre distintos organismos. COMPRUEBA LO QUE HAS APRENDIDO 10. ¿Cuál es la función biológica de las islas CpG en el genoma eucariota y cómo incide su metilación en la conformación del DNA? 11. ¿Por qué un ácido ribonucleico monocatenario no cumple las equivalencias cuantitativas de Chargaff? 12. ¿Cuántas metilaciones específicas requiere el rRNA de procariotas frente al de células humanas para alcanzar su conformación ribosómica madura?

A = T G = C A = T G = C Estructura, Topología y Empaquetamiento del DNA 11 ESTRUCTURA DEL DNA 3 Variantes conformacionales de la doble hélice AL ACABAR SABRÁS Diferenciar los parámetros físicos fundamentales de las conformaciones B-DNA, A-DNA y Z- DNA. Explicar el motivo estérico por el cual los dúplex de RNA adoptan geometría A. Identificar los inductores biológicos y fisicoquímicos de las transiciones conformacionales del DNA. PIÉNSALO ANTES DE LEER 13 ¿Por qué las moléculas bicatenarias de RNA nunca forman una estructura idéntica a la doble hélice de B-DNA descrita por Watson y Crick?

Principios de la doble hélice y conformación canónica (B-DNA) La formulación original de la doble hélice por James Watson y Francis Crick en 1953 integró dos pilares: la complementariedad descrita en las leyes de Chargaff (véase «Estructura del DNA — Modificaciones químicas y leyes de Chargaff») y las imágenes cristalográficas obtenidas por Rosalind Franklin. Este modelo reveló el mecanismo molecular de la transmisión genética mediante dos hebras polinucleotídicas de polaridad antiparalela orientadas en sentido 5' 3' y 3' 5'.

DEFINICIÓN El enrollamiento plectonémico es la disposición helicoidal trenzada en la cual ambas hebras se entrelazan de tal manera que resulta físicamente imposible separarlas lateralmente sin desenrollar previamente la hélice a lo largo de su eje. En el interior hidrofóbico se apilan los pares de bases nitrogenadas, mientras que el esqueleto exterior de desoxirribosas y grupos fosfato expone cargas negativas en disolución acuosa para minimizar repulsiones electrostáticas. Bajo condiciones fisiológicas, definidas por una humedad relativa del 92 % y la presencia de contraiones alcalinos como el catión , la molécula se estabiliza en la variante B- DNA.

El B-DNA constituye una hélice dextrógira con un diámetro de 20 Å. Cada vuelta de hélice comprende 10,5 pares de bases, lo que determina una rotación helicoidal de por par de bases (con variaciones habituales entre y según la secuencia) y un paso de rosca total de 34 Å. La distancia mínima de van der Waals o elevación axial entre pares contiguos es de 3,4 Å, manteniéndose los pares sensiblemente perpendiculares al eje con una inclinación modesta de apenas . La asimetría en la unión de los anillos de azúcar a las bases y la geometría trapezoidal de cada par originan dos hendiduras externas desiguales: el surco mayor y el surco menor.

El surco mayor expone un patrón de átomos más diferenciado y amplio, por lo que actúa como la vía preferente donde se unen las proteínas de reconocimiento de secuencia. Na+ 34,3 28 42 6 Estructura, Topología y Empaquetamiento del DNA 12 COMPRUEBA 14 ¿Por qué el surco mayor es la diana prioritaria para las proteínas que reconocen secuencias específicas de DNA? Forma A-DNA y hélices de RNA Cuando el nivel de hidratación disminuye por debajo del 92 % (por ejemplo, en soluciones con 75 % de etanol), el DNA bicatenario adopta la conformación A-DNA. Aunque mantiene el enrollamiento dextrógiro, sufre una profunda reorganización geométrica.

El A-DNA es notablemente más ancho y comprimido a lo largo del eje. Presenta un diámetro helicoidal de 26 A{ A{ ormalfont {A}}} y agrupa 11 pares de bases por vuelta. La elevación axial por base desciende a 2,9 Å, manteniendo un paso de rosca constante de 34 Å y un giro de por par. Sus bases experimentan un desplazamiento radial hacia la periferia que genera un canal central hueco de 6 Å de diámetro, junto con una pronunciada inclinación de los pares de bases de respecto a la perpendicular del eje. En la naturaleza, esta forma es adoptada por el genoma de bacterias esporuladas Gram-positivas.

En estas esporas deshidratadas, las proteínas SASP inducen la transición a la forma A, una disposición que impide físicamente la dimerización fototóxica de pirimidinas frente a la radiación ultravioleta. Por su parte, los dúplex formados por ribonucleótidos (ds-RNA o RNA-11), así como los híbridos DNA- RNA producidos durante procesos como el cebado de fragmentos de Okazaki, adoptan de modo obligado una geometría semejante a la del A-DNA. La presencia intrínseca del sustituyente hidroxilo en el carbono C2' de la ribosa introduce un impedimento estérico insalvable dentro de la cavidad compacta del B-DNA, forzando la conformación A con una inclinación de bases de .

COMPRUEBA 15 ¿Cuál es el factor estructural determinante que impide que un dúplex de RNA adopte la conformación de tipo B? Estructura y función del Z-DNA El Z-DNA representa una desviación drástica respecto a las hélices convencionales: es una conformación levógira (hélice con giro hacia la izquierda). Su esqueleto de azúcar-fosfato sigue una trayectoria angulada en zigzag debido a la alternancia entre dos tipos de enlaces y orientaciones glucosídicas. La unidad de repetición helicoidal del Z-DNA no es un único nucleótido, sino un dímero dinucleotídico. Por ello, una vuelta completa de 44 Å abarca 12 pares de bases, organizados en 6 dímeros.

La distancia axial entre pares homólogos es de 7,4 Å y el diámetro helicoidal se reduce a 18 A{ A{ ormalfont {A}}}, conformando la variante más delgada y estirada. La formación de Z-DNA requiere condiciones fisiológicas o experimentales concretas: concentraciones salinas elevadas in vitro o secuencias alternantes purina-pirimidina en las que no existan colisiones entre anillos voluminosos. A nivel celular, la metilación epigenética de citosinas (véase «Estructura del 33 20 17 Estructura, Topología y Empaquetamiento del DNA 13 DNA — Modificaciones químicas y leyes de Chargaff») en islas CpG y promotores facilita la transición conformacional de B a Z.

Esta reorganización invierte los pares de bases en un giro de y actúa como conmutador estructural en secuencias reguladoras de la diferenciación génica. ERROR FRECUENTE Un fallo común es catalogar el Z-DNA como una hélice dextrógira por analogía con las formas A y B, o calcular su paso asumiendo un solo par de bases como unidad repetitiva. El Z-DNA gira en sentido levógiro y su unidad cristalográfica elemental es el dímero dinucleotídico purina- pirimidina (6 dímeros = 12 pares de bases por vuelta).

Parámetro conformacional A-DNA B-DNA Z-DNA Sentido de giro de la hélice Dextrógiro Dextrógiro Levógiro Diámetro exterior 26 Å 20 Å 18 Å Pares de bases por vuelta 11 pb 10,5 pb 12 pb (6 dímeros) Paso de rosca total 34 Å 34 Å 44 Å Elevación axial por base 2,9 Å 3,4 Å 7,4 Å (por dímero) Inclinación de las bases 20° 6° Aprox. 9° / 51° Condiciones inductoras Deshidratación (<92 % humedad) Humedad fisiológica (92 %, contraiones) Alta salinidad, secuencias alternantes purina-pirimidina ESQUEMA Variantes conformacionales de la doble hélice COMPRUEBA 16 ¿Qué consecuencia física directa tiene sobre la molécula el paso conformacional de B-DNA a Z-DNA?

180 Hélices dextrógiras Giro a derechas B-DNA Fisiológica, 10,5 pb por vuelta A-DNA / RNA-11 Deshidratada, 11 pb por vuelta Hélice levógira Giro a izquierdas Z-DNA Dímeros purina-pirimidina, 12 pb Estructura, Topología y Empaquetamiento del DNA 14 IDEAS CLAVE El B-DNA es la conformación fisiológica predominante en disolución acuosa, caracterizada por ser dextrógira, con un diámetro de 20 Å y 10,5 pares de bases por vuelta. El enrollamiento plectonémico impide la disociación lateral de las dos cadenas polinucleotídicas sin un desenrollamiento rotacional previo. El A-DNA aparece por deshidratación ( de humedad), presentando mayor grosor (26 Å de diámetro) y pares de bases inclinados a .

Los dúplex de RNA e híbridos DNA-RNA adoptan geometría A debido a la interferencia estérica ejercida por el grupo 2'-OH de la ribosa. El Z-DNA constituye una doble hélice levógira de 18 Å de diámetro, inducida por alta salinidad, secuencias alternantes de purina-pirimidina y metilación de citosinas. COMPRUEBA LO QUE HAS APRENDIDO 17. ¿Por qué las esporas de bacterias Gram-positivas adoptan la estructura del A-DNA? 18. ¿Qué rasgos geométricos diferencian la unidad de giro del Z-DNA respecto al B-DNA? Test Rodea la respuesta correcta. Las soluciones están al final. 19. ¿A qué átomo de la adenina se une el C1' de la ribosa? 20. ¿Cuál es la función del rRNA 23S en bacterias? 21.

¿Qué grupo de Baltimore incluye a los retrovirus como el VIH? 22. ¿Por qué el DNA es más resistente a la degradación alcalina que el RNA? 23. ¿Qué par de bases nitrogenadas modificadas constituyen las metilaciones estándar en el DNA?

< 92% 20 Al nitrógeno N3 a) Al carbono C6 b) Al nitrógeno N1 c) Al nitrógeno N9 d) Alinear los factores proteicos a) Catalizar enlaces peptídicos b) Desaminar las citosinas c) Fosforilar los dNTPs d) Grupo V a) Grupo VII b) Grupo VI c) Grupo IV d) Por carecer de grupo 2'-OH a) Por contener timina metilada b) Por apantallamiento con sodio c) Por tener enlaces fosfodiéster 3'-5' d) 5-metiltimina y N1-metiladenina a) O6-metilguanina y 4-metilcitosina b) N7-metilguanina y 3-metiluracilo c) N6-metiladenina y 5-metilcitosina d) Estructura, Topología y Empaquetamiento del DNA 15 24. ¿Cuál es la función del sistema de modificación bacteriano junto a las enzimas de restricción? 25.

¿Qué relación estequiométrica se deriva estrictamente de las leyes de Chargaff para el DNA duplex? 26. ¿Por qué las bacterias termófilas suelen presentar porcentajes de CG cercanos al 75 %? 27. ¿Qué factor físico imposibilita que un dúplex de RNA bicatenario adopte la conformación B- DNA? 28. ¿Cuál es el sentido de giro y el diámetro característico del Z-DNA? 29. ¿Cuántos pares de bases componen una vuelta helicoidal canónica de B-DNA en disolución acuosa? 30. ¿Bajo qué condiciones experimentales o celulares se favorece la conformación del A-DNA?

Promover la desaminación de timinas a) Inducir mutaciones post-replicativas b) Proteger el propio genoma bacteriano c) Activar la transcripción de fagos d) A + G = T + C a) A / G = 1 b) A + T = G + C c) T + G = C - A d) Aumentan la formación de RNA cap a) Evitan la desaminación de adeninas b) Incrementan la estabilidad térmica c) Reducen la densidad de apilamiento d) La ausencia de enlaces fosfodiéster estables a) El impedimento estérico del grupo 2'-OH b) La presencia de enlaces peptídicos auxiliares c) La orientación levógira obligatoria del ribósido d) Levógiro y 34 Å a) Dextrógiro y 26 Å b) Levógiro y 18 Å c) Dextrógiro y 20 Å d) 6 pares de bases a) 11 pares de bases b) 10,5 pares de bases c) 12 pares de bases d) Presencia de desoxirribosas exclusivamente planas a) Humedad superior al 95 % con iones monovalentes b) Deshidratación relativa por debajo del 92 % de humedad c) Altas concentraciones de sal y timinas metiladas d) Estructura, Topología y Empaquetamiento del DNA 16 4 Cinéticas de reasociación y paradoja del valor C AL ACABAR SABRÁS Calcular las dimensiones físicas y moleculares del genoma humano a partir del número de pares de bases.

Explicar la paradoja del valor C y fundamentar su resolución estructural. Diferenciar las tres fases de la cinética Cot según su grado de repetición y función génica. Distinguir la utilidad analítica de la cinética Rot frente a la cinética Cot. PIÉNSALO ANTES DE LEER 31 ¿Tiene un ser humano necesariamente más cantidad de DNA en sus células que una cebolla o una salamandra? El estudio físico y molecular del genoma permite entender cómo se organiza la información genética y qué proporción de esta codifica realmente productos funcionales.

ESQUEMA Estructura del tema: Topología del DNA Dimensiones físicas del genoma humano La dotación haploide humana contiene aproximadamente 3·10^9 pares de bases. Si extendemos linealmente este material genético, abarca una longitud de 1 metro ( ). En una célula somática diploide, la suma total asciende a 2 metros lineales empaquetados en un espacio microscópico.

Topología del DNA 4 Cinéticas de reasociación y paradoja del valor C 5 Matemáticas del superenrollamiento y topoisomerasas Topología del DNA Organización y propiedades físicas de la doble hélice Escala y cinéticas génicas Paradoja del valor C y análisis Cot/Rot Superenrollamiento Parámetros topológicos y topoisomerasas 10 μm 9 Estructura, Topología y Empaquetamiento del DNA 17 Desde el punto de vista molecular, el DNA celular no se encuentra aislado, sino neutralizado por cationes. Un par de bases junto con dos contraiones de presenta una masa molecular media calculada de 660 Da.

Complejidad biológica y la paradoja del valor C Existe una tendencia preliminar por la cual los seres vivos más complejos albergan mayor número de genes. Por ejemplo, los micoplasmas codifican unos 340 genes, la bacteria Escherichia coli posee alrededor de 3000 y el ser humano contiene unos 25000. A pesar de esta tendencia, la cantidad total de DNA no guarda una correlación directa con la complejidad fenotípica del organismo. Esta discrepancia clásica se conoce como la paradoja del valor C. DEFINICIÓN El valor C es la cantidad total de DNA por dotación genómica haploide en una especie determinada.

La paradoja del valor C describe cómo organismos morfológicamente más simples presentan genomas mucho más extensos que organismos evolutivamente más complejos. Los mamíferos poseen mayor número de genes que bacterias, hongos y reptiles. Sin embargo, contienen sustancialmente menos DNA que varios taxones de plantas, anfibios o insectos. La resolución de esta paradoja reside en la estructura de secuencias: el exceso de genoma en estos grupos no corresponde a nuevos genes codificantes, sino a amplias regiones de DNA repetitivo no codificante. COMPRUEBA 32 ¿Por qué una especie de anfibio puede tener un genoma diez veces mayor que el humano sin ser biológicamente más compleja?

Cinética Cot de reasociación del DNA La técnica de reasociación evalúa la complejidad genómica mediante la desnaturalización térmica del DNA y su posterior renaturalización a lo largo del tiempo. Al fragmentar el material en piezas pequeñas y homogéneas de idéntico tamaño, la velocidad de renaturalización depende únicamente de la concentración de secuencias complementarias disponibles en disolución.

Al graficar el porcentaje de renaturalización frente al parámetro (concentración inicial multiplicada por el tiempo), el DNA eucariota genera una curva sigmoidal trifásica con tres componentes bien diferenciados: Fracción génica Velocidad de reasociación Tipos de secuencias y función principal Altamente repetitivo (DNA satélite) Muy rápida Secuencias en gran número de copias; no codifica proteínas, contiene islas CpG (véase «Estructura del DNA — Modificaciones químicas y leyes de Chargaff») con función reguladora.

Na+ C t 0 C t 0 Estructura, Topología y Empaquetamiento del DNA 18 Fracción génica Velocidad de reasociación Tipos de secuencias y función principal Moderadamente repetitivo Intermedia Familias multigénicas esenciales para la maquinaria celular, como los genes para rRNA y las histonas. Copia única Muy lenta Presente entre 1 y 10 copias; incluye la mayoría de genes codificantes convencionales y factores reguladores. PARA RECORDARLO A mayor redundancia de una secuencia en el tubo de ensayo, menor tiempo requiere para localizar a su hebra complementaria; por ello el DNA satélite se reasocia a los valores de más bajos.

Cinética Rot de hibridación con RNA Mientras que la técnica clasifica las secuencias del genoma según su grado de repetición en el DNA, la cinética Rot analiza la expresión génica midiendo la hibridación entre una población de mRNA fragmentado y cantidades mínimas de DNA molde. Este ensayo discrimina la abundancia transcripcional celular en dos categorías principales: Transcritos abundantes: Proceden de una minoría de genes muy activos que codifican proteínas estructurales o de secreción masiva. Transcritos escasos o complejos: Representan la transcripción de la inmensa mayoría de los genes activos de la célula, típicamente implicados en tareas de control y regulación.

EJEMPLO En el tejido especializado del oviducto aviar, más del 50 % de todas las moléculas de mRNA celulares corresponden al transcrito de ovoalbúmina, derivado de un único gen codificante, mientras que el resto de transcritos se reparten en niveles abundantes moderados y escasos. ERROR FRECUENTE Confundir los objetivos de ambas cinéticas: informa sobre la estructura genómica global y repetición del DNA, mientras que mide niveles de expresión y abundancia relativa de transcritos de mRNA en un tejido concreto. COMPRUEBA 33 ¿En qué categoría transcripcional de un ensayo Rot se agrupan la mayoría de los genes activos de una célula?

C t 0 C t 0 C t 0 R t 0 Estructura, Topología y Empaquetamiento del DNA 19 IDEAS CLAVE El genoma haploide humano contiene pb, extendiéndose 1 metro lineal por dotación. Un par de bases con sus dos contraiones de sodio promedia un peso molecular de 660 Da. La paradoja del valor C describe la ausencia de relación directa entre la cantidad de DNA y la complejidad del organismo. La cinética eucariota presenta tres fases: altamente repetitivo (DNA satélite), moderadamente repetitivo y copia única. La cinética mide la expresión transcripcional discriminando entre transcritos abundantes y escasos o complejos. COMPRUEBA LO QUE HAS APRENDIDO 34.

¿Qué explica físicamente que la fracción de copia única requiera valores de más altos para renaturalizar? 35. ¿Cómo se resuelve la paradoja del valor C al comparar anfibios o plantas frente a humanos? TOPOLOGÍA DEL DNA 5 Matemáticas del superenrollamiento y topoisomerasas AL ACABAR SABRÁS Deducir el número de enlace topológico aplicando el teorema fundamental L = T + W. Calcular la densidad de superhélice celular y evaluar su impacto en la termorresistencia bacteriana. Interpretar la movilidad electroforética relativa de los confórmeros CCC, L y OC en gel de agarosa. Diferenciar las clases de topoisomerasas según el tipo de corte de hebra y su valor de ΔL.

PIÉNSALO ANTES DE LEER 36 ¿Por qué un cable de teléfono o de auriculares enrollado en espiral forma lazos sobre sí mismo cuando intentamos retorcerlo desde los extremos? Parámetros y teorema topológico fundamental La conformación tridimensional del DNA en bucles cerrados o moléculas circulares está sometida a restricciones geométricas estrictas. La topología del DNA regula procesos vitales como la replicación, la transcripción y la recombinación génica, ya que una doble hélice desprovista del superenrollamiento adecuado carece de funcionalidad biológica.

En moléculas lineales desprovistas de extremos 3 109 C t 0 R t 0 C t 0 Estructura, Topología y Empaquetamiento del DNA 20 anclados, los extremos rotan con libertad disipando cualquier tensión; sin embargo, en moléculas circulares covalentemente cerradas o en dominios lineales fijados a complejos proteicos específicos, la topología queda fijada. DEFINICIÓN El comportamiento geométrico y torsional del DNA cerrado se cuantifica mediante tres variables interrelacionadas: Número de enlace topológico ( o linking number): número de veces que una hebra se cruza sobre la otra en el espacio tridimensional.

Es un invariante topológico que permanece constante siempre que el esqueleto covalente de fosfodiéster no sufra roturas enzimáticas o mecánicas. Giro helicoidal ( o twist): recuento total de vueltas helicoidales completas que efectúa una hebra alrededor del eje central de la doble hélice. Depende directamente del número de pares de bases por vuelta ( para hélices dextrógiras y para levógiras). Número de torsión ( o writhe): grado de curvatura y cruce del eje del dúplex sobre sí mismo en el espacio, formando una superhélice. Valores de representan superhélices levógiras, mientras que corresponden a giros dextrógiros.

Estos tres parámetros se relacionan mediante el teorema topológico fundamental: Cuando el eje de la molécula carece de cruces tridimensionales ( ), se dice que el DNA se halla en su estado relajado ( ). En disolución acuosa, el B-DNA presenta canónicamente 10,5 pares de bases por vuelta (B-DNA: 10,5 pb/vuelta; véase «Estructura del DNA — Variantes conformacionales de la doble hélice»). L T T > 0 T < 0 W W > 0 W < 0 L = T + W W = 0 L = 0 T Estructura, Topología y Empaquetamiento del DNA 21 Esquema del equilibrio conformacional entre tensión helicoidal e inducción de superenrollamiento negativo. Consideremos un plásmido cerrado de 105 pares de bases.

En condiciones fisiológicas relajadas adopta y , resultando en con exactamente 10,5 pb por vuelta. Si mecánicamente se retira una vuelta completa antes de cerrar los extremos covalentemente, el número de enlace desciende de forma permanente a . La molécula se encuentra ante dos alternativas energéticas: Mantenerse en un plano forzado sin enrollamiento superhelicoidal ( ), obligando a la doble hélice a desestabilizarse y adoptar , lo que eleva el paso a (círculo bajo tensión conformacional inactivo).

Restaurar la geometría natural de mínima energía del B-DNA ( , es decir, 10,5 pb/vuelta) a expensas de doblar el eje de la doble hélice en el espacio tridimensional con un superenrollamiento negativo ( ), adoptando la conformación activa. Entre ambas conformaciones se establece un equilibrio dinámico de confórmeros, donde la energía torsional favorece la torsión espacial superhelicoidal. COMPRUEBA 37 ¿Por qué el número de enlace topológico L no varía al estirar o retorcer físicamente un plásmido intacto?

T = 10 W = 0 L = 10 L = 9 W = 0 T = 9 105/9 = 11,67 pb/vuelta T = 10 W = 1 Estructura, Topología y Empaquetamiento del DNA 22 Densidad de superhélice y su trascendencia fisiológica Para comparar el grado de superenrollamiento entre moléculas de diferente tamaño se emplea la densidad de superhélice o diferencia específica de enlace ( ): En la inmensa mayoría de organismos celulares, el valor promedio de la densidad de superhélice es de = -0,06. Este parámetro cuantifica un déficit topológico del 6 % respecto a la forma relajada (6 enlaces menos por cada 100). Así, una molécula teórica con exhibe un ; al mantener , compensa dicha diferencia con una superhélice dextrógira de .

Este superenrollamiento negativo confiere una ventaja energética crítica: almacena energía libre que facilita la desnaturalización local y la apertura transitoria de las hebras, paso indispensable para que actúen las polimerasas durante la replicación y la transcripción. Por el contrario, los microorganismos termófilos habitan a temperaturas extremas que desnaturalizarían espontáneamente el DNA. Para evitarlo, presentan densidades de enlace positivas ( , superhélice levógira), lo cual confiere mayor estabilidad al dúplex; no obstante, para activar sus genes deben invertir transitoriamente esta tensión pasando sucesivamente de a y finalmente a .

COMPRUEBA 38 ¿Qué repercusión molecular inmediata tendría para una bacteria mesófila que su DNA adoptase una densidad σ = +0,04? Resolución electroforética de confórmeros de DNA La relajación del superenrollamiento puede alcanzarse in vitro mediante daño mecánico (agitación vigorosa o pipeteo brusco), rotura con nucleasas endonucleolíticas como la DNAasa I, o bien mediante el control fisiológico por topoisomerasas. La alteración de la forma tridimensional repercute de manera directa en el rozamiento hidrodinámico experimentado en electroforesis en geles de agarosa: Gráfica de migración electroforética comparada entre confórmeros CCC, L y OC.

DNA circular covalentemente cerrado (CCC): presenta un superenrollamiento compacto que reduce su volumen hidrodinámico efectivo. Al encontrar menor resistencia en el gel, migra a mayor σ σ = = L 0 ΔL L 0 L L 0 σ L = 0 100 L = 94 T = 100 W = 6 W > 0 W > 0 W = 0 W < 0 Estructura, Topología y Empaquetamiento del DNA 23 velocidad y se sitúa en la banda inferior. DNA lineal (L): se origina tras una rotura de doble hebra (por ejemplo, con enzimas de restricción). Presenta una movilidad electroforética intermedia. DNA circular abierto o con muesca (OC o CC): generado al producirse una muesca o corte de cadena sencilla (por digestión limitada con DNAasa I).

Al perderse la continuidad en una hebra, la molécula gira libremente sobre el enlace intacto y libera toda su torsión ( ). Adopta una conformación relajada de gran volumen hidrodinámico, por lo que su avance queda retenido y se ubica en la posición más rezagada (superior). ERROR FRECUENTE Es muy común suponer por error que el confórmero circular relajado (OC) viaja más rápido que el lineal (L) por ser circular, o que el superenrollado (CCC) es más pesado. Todas las formas comparten la misma masa molecular; la diferencia de migración obedece exclusivamente a la compactación espacial: .

Clasificación y mecanismo catalítico de las topoisomerasas Las topoisomerasas son enzimas que modulan el grado de superenrollamiento mediante ciclos ordenados de rotura del enlace fosfodiéster (véase «Estructura del DNA — Composición química y tipos de ácidos nucleicos»), paso helicoidal de hebras y religación.

ESQUEMA Clasificación general de topoisomerasas Clase Topoisomerasa IA Topoisomerasa IB DNA Girasa Topoisomerasa II (eucariota) Tipo topológico Tipo I (monocatenaria) Tipo I (monocatenaria) Tipo II (bicatenaria) Tipo II (bicatenaria) W = 0 movilidad CCC > movilidad L > movilidad OC Tipo I Corte de una sola hebra sin ATP Topo IA ΔL = +1; relaja superenrollamiento negativo Topo IB ΔL = ±1; relaja tanto W(-) como W(+) Tipo II Corte bicatenario dependiente de ATP DNA Girasa ΔL = -2; introduce superenrollamiento negativo Topo II eucariota ΔL = ±2; relaja superenrollamiento sin generarlo Estructura, Topología y Empaquetamiento del DNA 24 Clase Topoisomerasa IA Topoisomerasa IB DNA Girasa Topoisomerasa II (eucariota) Distribución celular Universal (todas las células) Universal salvo E.

coli Específica de bacterias (E. coli) Universal (todas las células) Requerimiento de ATP Independiente de ATP Independiente de ATP Dependiente de ATP Dependiente de ATP Sustrato y sentido Relaja (giro a la derecha) Relaja (giro a der.) o (giro a izq.) Introduce desde (giro a der.) Relaja (giro a izq.) o (giro a der.) Paso topológico Acción global Relaja tensión negativa Relaja tensión negativa y positiva Superenrolla negativamente Relaja tensión positiva y negativa Esquema comparativo de mecanismos y variaciones topológicas de las diferentes topoisomerasas. La DNA girasa bacteriana destaca funcionalmente porque introduce superenrollamiento negativo activo acoplado a la hidrólisis de ATP.

En organismos eucariotas, la inducción del superenrollamiento negativo no la ejecuta una girasa, sino el ensamblaje del DNA alrededor de los octámeros de histonas (véase «Empaquetamiento génico — Jerarquía del nucleosoma al cromosoma metafásico»). Durante la duplicación y expresión génica, la helicasa y la RNA polimerasa separan las cadenas parentales para permitir la lectura secuencial. Este avance genera una acumulación de superenrollamiento positivo por delante de la burbuja y superenrollamiento negativo por detrás de la maquinaria transcripcional.

Para evitar el bloqueo estérico, la Topoisomerasa IA relaja el exceso torsional negativo acumulado en la región rezagada, mientras que la girasa y los nucleosomas restauran los niveles fisiológicos basales de superhélice negativa. W < 0 W < 0 W > 0 W < 0 W = 0 W < 0 W > 0 ΔL = +1 ΔL = ΔW = ±1 ΔL = ΔW = 2 ΔL = ΔW = ±2 Estructura, Topología y Empaquetamiento del DNA 25 COMPRUEBA 39 ¿Por qué la DNA girasa varía el número de enlace en saltos de 2 unidades mientras que la Topoisomerasa IA lo hace de 1 en 1? IDEAS CLAVE El número de enlace topológico se rige por la ecuación fundamental L = T + W, donde L es invariante mientras no se rompan enlaces covalentes.

El B-DNA fisiológico en disolución mantiene 10,5 pares de bases por vuelta helicoidal. La densidad de superhélice típica celular es de σ = -0,06, lo que representa un déficit del 6 % de enlaces que favorece la desnaturalización local para replicación y transcripción. En electroforesis en agarosa, el confórmero cerrado superenrollado (CCC) posee la máxima migración, el lineal (L) intermedia y el circular abierto muescado (OC) la menor movilidad. Las topoisomerasas tipo I cortan una sola hebra alterando L en pasos de ±1, mientras que las de tipo II escinden ambas hebras modificando L en pasos de ±2. COMPRUEBA LO QUE HAS APRENDIDO 40.

Un plásmido de 2100 pares de bases se encuentra en su estado relajado nativo tipo B con 10,5 pb por vuelta. ¿Cuáles son sus valores de L, T y W? 41. ¿Cómo se compensa topológicamente la apertura local de una vuelta de doble hélice provocada por la maquinaria de transcripción en un dominio cerrado sin cortes? Test Rodea la respuesta correcta. Las soluciones están al final. 42. ¿Cuál es la masa molecular media asignada a un par de bases junto con sus contraiones Na+? 43. ¿Qué fracción de la curva Cot incluye los genes que codifican para histonas y rRNA? 44. ¿Qué información proporciona fundamentalmente un experimento de cinética Rot?

1000 Da a) 660 Da b) 25000 Da c) 330 Da d) DNA satélite a) Copia única b) Moderadamente repetitivo c) Altamente repetitivo d) Densidad de superenrollamiento a) Número de cromosomas b) Abundancia de transcritos mRNA c) Tamaño haploide total d) Estructura, Topología y Empaquetamiento del DNA 26 45. ¿Por qué el DNA satélite se renaturaliza en primer lugar en la cinética Cot? 46. ¿Qué relación define el teorema fundamental de la topología del DNA? 47. ¿Cuál es la densidad de superhélice celular canónica promedio? 48. ¿Qué forma plasmídica migra a mayor distancia en una electroforesis en gel? 49. ¿Cuál es la variación del número de enlace que introduce la DNA girasa bacteriana?

Sus secuencias están muy repetidas a) Carece de contraiones Na+ b) Posee menor longitud lineal c) Solo contiene bases adenina d) L = T / W a) T = L × W b) W = L + T c) L = T + W d) σ = -0,50 a) σ = -0,06 b) σ = 0,00 c) σ = +0,06 d) Circular covalentemente cerrado superenrollado a) Circular abierto relajado con muesca b) Círculo plano no superenrollado c) Lineal de longitud completa d) ΔL = -1 a) ΔL = +1 b) ΔL = -2 c) ΔL = +2 d) Estructura, Topología y Empaquetamiento del DNA 27 6 Nucleoide bacteriano y bases de la cromatina AL ACABAR SABRÁS Describir la organización en lazos y las proteínas estructurales del nucleoide procariota.

Calcular relaciones de empaquetamiento cromosómico a partir de datos métricos. Distinguir funcional y estructuralmente entre eucromatina y heterocromatina constitutiva y facultativa. Explicar las propiedades electrostáticas y de conservación evolutiva de las histonas y proteínas HMG. PIÉNSALO ANTES DE LEER 50 ¿Por qué un corte enzimático simple en el cromosoma bacteriano circular no hace que toda la molécula pierda su superenrollamiento? El almacenamiento del material genético requiere empaquetar moléculas de enorme longitud en volúmenes celulares microscópicos.

En bacterias y eucariotas, este reto se resuelve mediante estrategias estructurales distintas que garantizan tanto la compactación física como el acceso a la información biológica. Empaquetamiento génico 6 Nucleoide bacteriano y bases de la cromatina 7 Jerarquía del nucleosoma al cromosoma metafásico Estructura, Topología y Empaquetamiento del DNA 28 ESQUEMA Niveles de empaquetamiento del genoma procariota y eucariota El nucleoide bacteriano: organización y proteínas de curvatura En bacterias como Escherichia coli, el material genético no se encuentra disperso libremente en el citoplasma.

Está confinado en una región densa denominada nucleoide, la cual ocupa aproximadamente un tercio del volumen celular. Este complejo macromolecular está compuesto en un 80% por DNA y en un 20% restante por RNA y proteínas. Debido a esta composición mixta, la estructura del nucleoide es vulnerable al tratamiento enzimático con nucleasas (DNAsas, RNAsas) y proteasas. El genoma bacteriano de E. coli tiene un tamaño de 4,6·10^3 kb y se encuentra físicamente anclado a la membrana plasmática. Cuando se somete a la célula a una lisis osmótica controlada, se constata que las fibras de DNA emergen y convergen siempre fijadas a un mismo punto membranoso central.

Genoma procariota Nucleoide circular sin histonas Lazos de 40 kb ~100 dominios anclados a membrana Dímeros de curvatura Proteínas HU, IHF y H1 Genoma eucariota Cromatina lineal nuclear Eucromatina Dispersa y activa transcripcionalmente Heterocromatina Condensada e inactiva Histonas y HMG Proteínas básicas electrostáticas Estructura, Topología y Empaquetamiento del DNA 29 Esquema del nucleoide en lazos independientes y su digestión enzimática. A nivel tridimensional, la molécula circular de DNA se pliega sobre un núcleo central constituido por RNA y proteínas. Este andamiaje divide la doble hélice en aproximadamente 100 lazos o bucles independientes de unas 40 kb cada uno.

La propiedad definitoria de estos lazos es su independencia topológica: cada dominio puede superenrollarse o relajarse sin alterar el estado de torsión de los bucles contiguos. Por lo general, los genes que actúan de forma coordinada se localizan dentro del mismo lazo topológico. La estabilización y el superenrollamiento de estos lazos dependen de un grupo de proteínas básicas procariotas organizadas como dímeros inductores de curvatura en el DNA: Proteína HU: dímero conservado que se une al DNA induciendo flexión estructural. Proteína IHF (Integration Host Factor): dímero requerido originalmente para la integración del bacteriófago λ mediante una curvatura pronunciada de la doble hélice.

Proteína H1: dímero bacteriano implicado en la compactación que no debe confundirse funcionalmente con la histona conectora de eucariotas. A nivel experimental, la pérdida de uno solo de estos dímeros resulta viable celularmente, lo que demuestra un solapamiento funcional entre ellos. Sin embargo, mutar dos simultáneamente es letal para el microorganismo. Adicionalmente, el componente de RNA desempeña un papel estructural estabilizador indispensable en el andamio central. Estructura, Topología y Empaquetamiento del DNA 30 Esquema de relajación torsional y superenrollamiento durante el avance de la horquilla. ERROR FRECUENTE Confundir la proteína procariota H1 con la histona eucariota H1.

Aunque compartan una nomenclatura semejante, la proteína H1 de bacterias es un dímero que genera curvatura en los dominios del nucleoide, mientras que la histona H1 es una proteína eucariota monomérica que sella el ADN al nucleosoma. COMPRUEBA 51 ¿Por qué una muesca producida por DNAsa relaja solo una porción del cromosoma de E. coli en lugar de toda la molécula? Transición al núcleo eucariota: compartimentación y densidad genómica El genoma humano diploide posee 3·10^9 pares de bases por dotación haploide.

Al considerar una distancia internucleotídica de 3,4 Å por par de bases en el B-DNA (véase «Estructura del DNA — Variantes conformacionales de la doble hélice»), las células diploides albergan aproximadamente 2 metros de DNA lineal ( ). Esta inmensa hebra debe albergarse en un núcleo celular de apenas 8 μm de diámetro. La adquisición de la envoltura nuclear en eucariotas impone una separación espacial y temporal directa: la transcripción y la traducción están desacopladas, a diferencia de la síntesis simultánea procariota. Asimismo, la organización génica carece de operones policistrónicos en los mensajeros.

Este incremento de tamaño genómico conlleva una densidad de empaquetamiento notablemente mayor: Entidad biológica Concentración de empaquetamiento Anclaje del material genético Procariotas (E.

coli) 10 mg/mL Membrana plasmática Eucariotas (núcleo humano) 100 mg/mL Envoltura / Lámina nuclear Virus (cápsides víricas) 500 mg/mL Cápside proteica interna La magnitud de este plegamiento se cuantifica mediante la relación de empaquetamiento, definida como el cociente entre la longitud lineal del DNA extendido y la dimensión real de la estructura compactada: 2 × 1010 Å Estructura, Topología y Empaquetamiento del DNA 31 Durante la interfase celular, la cromatina —complejo que ocupa casi todo el volumen nuclear compuesto por menos del 50% de DNA y un 50% de proteínas junto con RNA— presenta una relación de empaquetamiento promedio de 2000.

Al condensarse en cromosomas durante la mitosis, este valor asciende drásticamente. En el cromosoma metafásico humano 21 ( y 2 μm de longitud), la relación alcanza una tasa aproximada de 8000: COMPRUEBA 52 ¿Qué magnitud biológica mide la relación de empaquetamiento y cuánto vale en la cromatina interfásica eucariota? Organización cromatínica: eucromatina, heterocromatina y citogenética En el núcleo interfásico, la cromatina adopta dos estados morfológicos y funcionales distintos según su grado de condensación: Eucromatina: porción dispersa, poco condensada y transcripcionalmente activa.

Heterocromatina: fracción fuertemente condensada mediante metilación y otros mecanismos, inactiva para la transcripción. Micrografía que muestra la distribución de eucromatina dispersa y heterocromatina condensada. La heterocromatina se subdivide en dos tipos funcionales: Relaci n de empaquetamiento = o ˊ Longitud de la estructura condensada Longitud del DNA extendido 47 × 10 pb 6 = 2 μm 47 × 10 pb × 3,4 /pb × 10 μm/ 6 Å 4 Å = 2 μm 1600 μm 8000 Heterocromatina constitutiva: permanece condensada en todos los linajes celulares del organismo de manera invariable. Ocupa posiciones con funciones predominantemente estructurales como los telómeros y los centrómeros cromosómicos.

1 Estructura, Topología y Empaquetamiento del DNA 32 En el análisis citogenético mediante tinciones con Giemsa se revelan las bandas G, las cuales corresponden a regiones densamente compactadas de heterocromatina. La morfología del cromosoma metafásico duplicado se compone de dos cromátidas unidas que exhiben un brazo superior corto denominado brazo p y un brazo inferior largo conocido como brazo q. COMPRUEBA 53 ¿En qué se diferencian fundamentalmente la heterocromatina constitutiva y la facultativa en cuanto a su reversibilidad tisular? Proteínas de la cromatina: histonas y grupo HMG Las histonas constituyen el 50% de la masa total de la cromatina.

Son proteínas globulares pequeñas caracterizadas por una altísima abundancia de aminoácidos básicos como la arginina y la lisina. Esta composición les confiere un punto isoeléctrico (pI) superior a 7, permitiendo el establecimiento de fuertes interacciones electrostáticas con la carga polianiónica del esqueleto fosfodiéster del DNA. Para disociar las histonas del DNA in vitro es necesario emplear medios de alta fuerza iónica (altas concentraciones salinas) o medios ácidos. Los genes que codifican histonas se encuentran reiterados en el genoma en familias de DNA moderadamente repetitivo. Se dividen en cinco clases primarias: H1, H2A, H2B, H3 y H4.

Histona Residuos Masa (kDa) % Arginina % Lisina UEP ( ) H1 215 23,0 1 29 8 H2A 129 14,0 9 11 60 H2B 125 13,8 6 16 60 H3 135 15,3 13 10 330 H4 102 11,3 14 11 600 La conservación evolutiva de las histonas es la más estricta descrita en el mundo vivo, medida mediante el periodo evolutivo unitario (UEP, tiempo necesario para que dos secuencias diverjan un 1%). La histona H4 exhibe el valor más elevado ( ), carece de variantes o subclases y sufre pocas modificaciones.

En contraposicion, H1 tiene un UEP de solo , no existe en levaduras y presenta numerosas subclases y variantes funcionales: Histona H5: variante de H1 hallada en eritrocitos nucleados de aves, enriquecida en argininas, que inactiva de manera irreversible el genoma eritroide. Histona H1°: variante que sella fuertemente zonas heterocromatínicas terminales en neuronas adultas. Heterocromatina facultativa: regiones genómicas que se compactan o se dispersan dependiendo de la diferenciación tisular o del estado celular.

Su manifestación prototípica es la inactivación estocástica de uno de los cromosomas X en las células somáticas de las hembras de mamíferos, originando un patrón de expresión en mosaico. 2 ×10 a os 6 ñ 600 × 10 a os 6 ñ 8 × 10 a os 6 ñ Estructura, Topología y Empaquetamiento del DNA 33 Las histonas experimentan diversas modificaciones post-traduccionales (PTMs) reversibles como acetilación, metilación, fosforilación y ADP-ribosilación. Estas modificaciones modulan las cargas eléctricas netas de los extremos amino-terminales, alterando la afinidad por el DNA y facilitando el acceso de complejos de remodelación.

Junto a las histonas coexisten las proteínas HMG (High Mobility Group), factores no histónicos de gran movilidad electroforética dotados de alta densidad de carga positiva. Las proteínas HMG cooperan transitoriamente con la maquinaria de replicación y transcripción facilitando la apertura local de la doble hélice sobre la fibra cromatínica. COMPRUEBA 54 ¿Cómo se consigue disociar experimentalmente las histonas del esqueleto fosfodiéster del DNA? IDEAS CLAVE El nucleoide bacteriano está constituido por un 80% de DNA y un 20% de RNA-proteínas, organizado en ~100 lazos de 40 kb con independencia topológica anclados a la membrana plasmática.

La curvatura y empaquetamiento del DNA bacteriano dependen de los dímeros HU, IHF y la proteína procariota H1, cuyas deleciones conjuntas son letales. El genoma humano diploide (2 metros de longitud) se…