La macromolécula de ADN puede adoptar una forma lineal o una forma circular cerrada. Gran parte del ADN de las bacterias y de los virus, el ADN mitocondrial y el de los plásmidos, adoptan formas circulares. Aunque en general se acepta que el ADN nuclear de las células eucariotas (células de los seres superiores con núcleos bien definidos) se halla organizado en largas unidades de cadena abierta o lineal, una importante cantidad de datos experimentales tiende a modificar este concepto. En el núcleo en interfase (período entre dos divisiones celulares) gran parte de la fibrilla de cromatina se halla organizada en forma de múltiples bucles o asas. Los dos extremos de cada una de estas asas se unen a estructuras de la membrana nuclear denominadas complejos de poro nuclear y se comportan, por lo tanto, como una unidad circular cerrada. Dado que cada una de las asas contiene ADN, queda probado que el núcleo de la célula eucariota aloja múltiples unidades de ADN circular.
El ADN circular puede encontrarse en forma relajada o en forma superenrollada. En la forma relajada, el círculo se halla desplegado sobre un único plano; en la forma superenrollada el contorno del círculo va girando sobre sí mismo de manera tal que adquiere profundidad (véase la figura 8).
Las dos formas de ADN circular pueden visualizarse en el microscopio electrónico como círculos relajados o superenrollados. Además, pueden identificarse por electroforesis o por centrifugación (separación de partículas en suspensión coma ayuda de un campo eléctrico o de un campo gravitacional respectivamente). En estos casos, la estructura compactada del ADN superenrollado aumenta su migración electroforética y su velocidad de sedimentación, lo cual permite diferenciarlo del ADN circular relajado o del ADN lineal.
Como casi todas las propiedades físicas, químicas y biológicas del ADN se vinculan al ADN circular y a su estado relajado o superenrollado, la clara definición de estas formas es importante para alcanzar una acabada comprensión de dichas propiedades. La matemática resulta, en estas circunstancias, un aliado indispensable (véase "ADN circular y matemática topológica ").
Dado que el ADN es un polímero con propiedades elásticas,cuando se produce la ruptura de una de las dos cadenas complementarias en una molécula superenrollada, la cadena rota gira sobre la sana hasta que se pierde el superenrollamiento. Por tal motivo, cualquier agente físico (radiaciones ionizantes) o químico (bleomicina, radicales libres, etc.) capaz de romper el ADN tiene la capacidad de relajar la molécula circular. Cuando la ruptura del ADN acontece en la célula viva, ocurre habitualmente un proceso enzimático de reparación que cierra la brecha con rapidez y restituye la integridad del ADN circular. En estas condiciones es factible que se recupere también el superenrollamiento. Las modificaciones del enrollamiento del ADN circular se realizan a través de enzimas denominadas topoisomerasas. La topoisomerasa II tiene la propiedad de transformar un ADN circular relajado en superenrollado. Este proceso implica pasar de una forma sin almacenamiento de energía a una forma con alto contenido energético, y por lo tanto es necesaria la presencia de adenosinatrifosfato (ATP) como donante energético.Por el contrario, la transformación de ADN superenrollado en relajado con subsecuente liberación de energía es catalizada directamente por la topoisomerasa I sin necesidad de ATP.
En organismos eucariontes, las topoisomerasas se ubican selectivamente en la membrana nuclear, punto de inserción de las asas de cromatina que forman los dominios circulares de ADN. Esta localización resulta ideal para que la enzima promueva o corrija cambios de superenrollamiento que afectan a toda el asa cromatínica.
Como se explica detalladamente en "ADN circular y matemática topológica", una modificación estructural en una región limitada de la molécula circular de ADN modifica la topología alolargo de todo el círculo. Estos cambios arquitectónicos son sumamente importantes porque modifican la relación del ADN con proteínas reguladoras y ejercen, por lo tanto,un profundo efecto en el funcionamiento génico.
Ha sido demostrado recientemente que el modelo de Watson y Crick no es el único. En efecto, se han descripto asociaciones dedos, tres y cuatro hebras de ADN que se interconectan mediante uniones no complementarias de guanina. Estas estructuras, denominadas de Hoogsteen en homenaje a quien las describió por primera vez en 1959, se encuentran en los extremos (telómeros) de cada cromosoma eucarionte. Recientemente, nuestro grupo de investigación junto con J. Kere de la Universidad de Helsinki, ha podido demostrar que algunos genes producen múltiples copias de sí mismos que se asocian entre sí y con el ADN de copia única mediante estructuras de Hoogsteen.
Lejos ha quedado la época en que se pensaba que una molécula constituida por sólo cuatro nucleótidos diferentes no podía tener la versatilidad y ductilidad necesarias como para almacenar la información genética de un ser vivo. Se pensaba entonces que las proteínas con sus veinte aminoácidos reunían las condiciones adecuadas para actuar como depósitos de genes. Pero hoy sabemos que pese a su limitada variedad química, el ADN puede organizarse y estructurarse en formas muy cambiantes. Esta maravillosa molécula contiene todos los genes de las formas vivas de nuestro planeta, es capaz de autoduplicarse,de transmitir la información genética, de modificar su arquitectura y modificar el funcionamiento génico,de mutar, fijar y también corregirlas mutaciones.
Durante los últimos cuarenta años se han develado la estructura química del ADN y el código genético (véase "El lenguaje de la vida"). Las próximas décadas permitirán comprender mejor su arquitectura y topología, así como la forma en que microcambios moleculares provocan macrocambios en el funcionamiento génico.
El ADN circular puede encontrarse en forma relajada o en forma superenrollada. En la forma relajada, el círculo se halla desplegado sobre un único plano; en la forma superenrollada el contorno del círculo va girando sobre sí mismo de manera tal que adquiere profundidad (véase la figura 8).
Las dos formas de ADN circular pueden visualizarse en el microscopio electrónico como círculos relajados o superenrollados. Además, pueden identificarse por electroforesis o por centrifugación (separación de partículas en suspensión coma ayuda de un campo eléctrico o de un campo gravitacional respectivamente). En estos casos, la estructura compactada del ADN superenrollado aumenta su migración electroforética y su velocidad de sedimentación, lo cual permite diferenciarlo del ADN circular relajado o del ADN lineal.
Como casi todas las propiedades físicas, químicas y biológicas del ADN se vinculan al ADN circular y a su estado relajado o superenrollado, la clara definición de estas formas es importante para alcanzar una acabada comprensión de dichas propiedades. La matemática resulta, en estas circunstancias, un aliado indispensable (véase "ADN circular y matemática topológica ").
Dado que el ADN es un polímero con propiedades elásticas,cuando se produce la ruptura de una de las dos cadenas complementarias en una molécula superenrollada, la cadena rota gira sobre la sana hasta que se pierde el superenrollamiento. Por tal motivo, cualquier agente físico (radiaciones ionizantes) o químico (bleomicina, radicales libres, etc.) capaz de romper el ADN tiene la capacidad de relajar la molécula circular. Cuando la ruptura del ADN acontece en la célula viva, ocurre habitualmente un proceso enzimático de reparación que cierra la brecha con rapidez y restituye la integridad del ADN circular. En estas condiciones es factible que se recupere también el superenrollamiento. Las modificaciones del enrollamiento del ADN circular se realizan a través de enzimas denominadas topoisomerasas. La topoisomerasa II tiene la propiedad de transformar un ADN circular relajado en superenrollado. Este proceso implica pasar de una forma sin almacenamiento de energía a una forma con alto contenido energético, y por lo tanto es necesaria la presencia de adenosinatrifosfato (ATP) como donante energético.Por el contrario, la transformación de ADN superenrollado en relajado con subsecuente liberación de energía es catalizada directamente por la topoisomerasa I sin necesidad de ATP.
En organismos eucariontes, las topoisomerasas se ubican selectivamente en la membrana nuclear, punto de inserción de las asas de cromatina que forman los dominios circulares de ADN. Esta localización resulta ideal para que la enzima promueva o corrija cambios de superenrollamiento que afectan a toda el asa cromatínica.
Como se explica detalladamente en "ADN circular y matemática topológica", una modificación estructural en una región limitada de la molécula circular de ADN modifica la topología alolargo de todo el círculo. Estos cambios arquitectónicos son sumamente importantes porque modifican la relación del ADN con proteínas reguladoras y ejercen, por lo tanto,un profundo efecto en el funcionamiento génico.
Ha sido demostrado recientemente que el modelo de Watson y Crick no es el único. En efecto, se han descripto asociaciones dedos, tres y cuatro hebras de ADN que se interconectan mediante uniones no complementarias de guanina. Estas estructuras, denominadas de Hoogsteen en homenaje a quien las describió por primera vez en 1959, se encuentran en los extremos (telómeros) de cada cromosoma eucarionte. Recientemente, nuestro grupo de investigación junto con J. Kere de la Universidad de Helsinki, ha podido demostrar que algunos genes producen múltiples copias de sí mismos que se asocian entre sí y con el ADN de copia única mediante estructuras de Hoogsteen.
Lejos ha quedado la época en que se pensaba que una molécula constituida por sólo cuatro nucleótidos diferentes no podía tener la versatilidad y ductilidad necesarias como para almacenar la información genética de un ser vivo. Se pensaba entonces que las proteínas con sus veinte aminoácidos reunían las condiciones adecuadas para actuar como depósitos de genes. Pero hoy sabemos que pese a su limitada variedad química, el ADN puede organizarse y estructurarse en formas muy cambiantes. Esta maravillosa molécula contiene todos los genes de las formas vivas de nuestro planeta, es capaz de autoduplicarse,de transmitir la información genética, de modificar su arquitectura y modificar el funcionamiento génico,de mutar, fijar y también corregirlas mutaciones.
Durante los últimos cuarenta años se han develado la estructura química del ADN y el código genético (véase "El lenguaje de la vida"). Las próximas décadas permitirán comprender mejor su arquitectura y topología, así como la forma en que microcambios moleculares provocan macrocambios en el funcionamiento génico.
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