CAPÍTULO 34: Estructura y función del ácido nucleico

Después de estudiar este capítulo, usted debe ser capaz de:

• Entender la estructura química monomérica y polimérica del material genético, el ácido desoxirribonucleico, o DNA, que se encuentra dentro del núcleo de células eucarióticas.

• Explicar por qué el DNA eucarionte nuclear genómico es bicatenario y tiene carga altamente negativa.

• Entender el esbozo de cómo la información genética del DNA puede duplicarse fielmente.

• Entender cómo la información genética del DNA se transcribe, o se copia, hacia muchísimas formas distintas de ácido ribonucleico (RNA).

• Apreciar que una forma de RNA rico en información, el llamado RNA mensajero (mRNA), puede traducirse después hacia proteínas, las moléculas que constituyen las estructuras, las formas, y finalmente las funciones de células individuales, tejidos y órganos.

El descubrimiento de que la información genética está codificada a lo largo de una molécula polimérica compuesta de sólo cuatro tipos de unidades monoméricas fue uno de los principales logros científicos del siglo xx. Esta molécula polimérica, el ácido desoxirribonucleico (DNA), es la base química de la herencia, y está organizada en genes, las unidades fundamentales de la información genética. Se ha dilucidado la vía de información básica —es decir, el DNA, que dirige la síntesis de RNA, que a su vez dirige y regula la síntesis de proteína—. Los genes no funcionan de modo autónomo; su replicación y función están controladas por diversos productos de gen, a menudo en colaboración con componentes de diversas vías de transducción de señal. El conocimiento de la estructura y función de los ácidos nucleicos es esencial para entender los aspectos genéticos y muchos de la fisiopatología, así como la base genética de la enfermedad.

En 1944, en una serie de experimentos efectuados por Avery, MacLeod y McCarty, se demostró por vez primera que el DNA contiene la información genética. Mostraron que la determinación genética de la naturaleza (el tipo) de la cápsula de un neumococo específico podía transmitirse a otro de un tipo capsular diferente al introducir DNA purificado desde el primer coco hacia el segundo. Estos autores denominaron “factor transformador” al agente que lograba el cambio (que más tarde se mostró que es el DNA). Después, este tipo de manipulación genética se ha hecho común. Recientemente se han llevado a cabo experimentos similares utilizando levaduras, células en cultivo de vegetales y mamíferos, y embriones de insectos y de mamíferos como receptores, y DNA clonado desde el punto de vista molecular como el donador de información genética.

El DNA contiene cuatro desoxinucleótidos

La naturaleza química de las unidades de desoxinucleótido monoméricas del DNA —desoxiadenilato, desoxiguanilato, desoxicitidilato y timidilato— se describe en el capítulo 32; estas unidades monoméricas del DNA se mantienen en forma polimérica por medio de enlaces 3ʹ,5ʹ-fosfodiéster que constituyen una cadena única (figura 34-1). El contenido informacional del DNA (el código genético) reside en la secuencia en la cual están ordenados estos monómeros —purina y pirimidina desoxirribonucleótidos—. El polímero como se describe posee una polaridad; un extremo tiene un 5ʹ-hidroxilo o fosfato terminal, mientras que el otro tiene un 3ʹ-fosfato o hidroxilo terminal. La importancia de esta polaridad quedará de manifiesto. Dado que la información genética reside en el orden de las unidades monoméricas dentro de los polímeros, es necesario que haya un mecanismo para reproducir o replicar esta información específica con un alto grado de fidelidad. Ese requerimiento, junto con datos de difracción con rayos X de la molécula de DNA, y la observación de Chargaff de que en las moléculas de DNA la concentración de nucleótidos desoxiadenosina (A) es igual a la de nucleótidos timidina (T) (A = T), mientras que la de nucleótidos desoxiguanosina (G) es igual a la de nucleótidos desoxicitidina (C) (G = C), condujeron a Watson, Crick y Wilkins a proponer a principios del decenio de 1950 un modelo de una molécula de DNA bicatenario. El modelo que propusieron se presenta en la figura 34-2. Las dos cadenas de esta hélice bicatenaria se mantienen en registro por medio tanto de enlaces de hidrógeno entre las bases purina y pirimidina de las moléculas lineales respectivas, como de interacciones de van der Waals e hidrofóbicas entre los pares de bases adyacentes apilados. La formación de pares entre los nucleótidos purina y pirimidina en las cadenas opuestas es muy específica, y depende del enlace de hidrógeno de A con T y de G con C (figura 34-2).

Se dice que esta forma común de DNA es diestra porque al mirar la doble hélice desde arriba, los residuos base forman una espiral en el sentido de las manecillas del reloj. En la molécula bicatenaria, las restricciones impuestas por la rotación alrededor del enlace fosfodiéster, la anticonfiguración favorecida del enlace glucosídico (figura 32-5), y los tautómeros predominantes (figura 32-2) de las cuatro bases (A, G, T y C) permiten que A únicamente forme par con T, y que G sólo forme par con C (figura34-3). Esta restricción de la formación de pares de bases explica la observación más temprana de que en una molécula de DNA bicatenario el contenido de A es igual al de T, y el de G es igual al de C. Las dos cadenas de la molécula de doble hélice, cada una de las cuales posee una polaridad, son antiparalelas; esto es, una cadena corre en la dirección de 5ʹ a 3ʹ, y la otra en la dirección de 3ʹ a 5ʹ. En las moléculas de DNA bicatenario, la información genética reside en la secuencia de nucleótidos en una cadena, la cadena plantilla; ésta es la cadena de DNA que se copia durante la síntesis de ácido ribonucleico (RNA). A veces se llama cadena no codificadora. La cadena opuesta se considera la cadena codificadora porque coincide con la secuencia de la transcripción de RNA (pero contiene uracilo en lugar de timina; figura 34-8) que codifica para la proteína.

Las dos cadenas, en las cuales bases opuestas se mantienen juntas mediante enlaces de hidrógeno intercadena, giran alrededor de un eje central en la forma de una doble hélice. En el tubo de ensayo el DNA bicatenario puede existir en al menos seis formas (A a E, y Z). La forma B por lo general se encuentra en condiciones fisiológicas (sal baja, alto grado de hidratación). Un solo giro de B-DNA alrededor del eje largo de la molécula contiene 10 pares de bases. La distancia abarcada por un giro del B-DNA es de 3.4 nm (34 Å). La anchura (el diámetro de la hélice) de la doble hélice en el B-DNA es de 2 nm (20 Å).

Tres enlaces de hidrógeno, formados por hidrógeno unido a átomos de N u O electronegativos (figura 34-3), sujetan el nucleótido desoxiguanosina al nucleótido desoxicitidina, mientras que dos enlaces de hidrógeno mantienen junto el otro par, el par A-T. Así, los enlaces G-C son más resistentes a la desnaturalización, o separación de cadena, denominada “fusión”, que las regiones de DNA con alto contenido de A-T.

La desnaturalización de DNA se usa para analizar su estructura

La estructura bicatenaria del DNA puede separarse en dos cadenas componentes en solución al aumentar la temperatura o disminuir las cifras de sal. Las dos pilas de bases no sólo se separan, sino que las bases mismas se desapilan mientras que aún están conectadas en el polímero por el esqueleto fosfodiéster. Concomitante con esta desnaturalización de la molécula de DNA hay un incremento de la absorbancia óptica de las bases purina y pirimidina, fenómeno llamado hipercromicidad de la desnaturalización. Debido al apilamiento de las bases y a la formación de enlaces de hidrógeno entre las pilas, la molécula de DNA bicatenario muestra propiedades de varilla rígida, y en solución es un material viscoso que pierde su viscosidad en el momento de la desnaturalización.

Las cadenas de una molécula de DNA dada se separan en un rango de temperatura. El punto medio se denomina temperatura de fusión, o T_m. La T_m está influida por la composición de bases del DNA y por la concentración de sal de la solución. El DNA rico en pares G-C, que tienen tres enlaces de hidrógeno, se fusiona a una temperatura más alta que el que abunda en pares A-T, que tienen dos enlaces de hidrógeno. Un aumento de 10 veces de las cifras de catión monovalente incrementa la T_m 16.6°C. El solvente orgánico formamida, que a menudo se usa en experimentos de DNA recombinante, desestabiliza los enlaces de hidrógeno entre las bases, y por eso aminora la T_m. La adición de formamida permite que las cadenas de DNA o los híbridos de DNA-RNA se separen a temperaturas mucho más bajas, y minimiza la rotura de enlaces fosfodiéster que puede ocurrir a temperaturas más altas.

La renaturalización del DNA requiere coincidencia de pares de bases

Es importante señalar que las cadenas separadas de DNA se renaturalizarán o reasociarán cuando se logren condiciones de temperatura y sal fisiológicas apropiadas; este proceso de retemplado suele llamarse hibridación. El índice de reasociación depende de la concentración de las cadenas complementarias. La reasociación de las dos cadenas de DNA complementarias de un cromosoma luego de transcripción es un ejemplo fisiológico de renaturalización (véase más adelante). A una temperatura y cifras de sal dadas, una cadena de ácido nucleico particular se asociará de manera estrecha sólo con una cadena complementaria. Las moléculas híbridas también se formarán en condiciones apropiadas. Por ejemplo, el DNA formará un híbrido, con un DNA complementario (cDNA) o con un RNA mensajero (mRNA; véase más adelante) cognado. Cuando la hibridización se combina con técnicas de electroforesis en gel que separan ácidos nucleicos por tamaño, junto con marcado radiactivo o fluorescente para proporcionar una señal detectable, a las técnicas analíticas resultantes se les denominan electrotransferencia Southern (DNA/DNA) y Northern (RNA-DNA), respectivamente. Estos procedimientos permiten identificación muy clara, y muy sensible, de especies de ácido nucleico específicas a partir de mezclas complejas de DNA o RNA (cap. 39).

La molécula de DNA tiene surcos

El examen cuidadoso del modelo descrito en la figura 34-2 revela un surco mayor y un surco menor que dan vueltas a lo largo de la molécula paralelos a los esqueletos fosfodiéster. En estos surcos, las proteínas pueden interactuar de modo específico con átomos expuestos de los nucleótidos (por medio de interacciones hidrofóbicas y iónicas específicas) y por ello reconocen, y se unen a, secuencias de nucleótido específicas, así como las únicas formas constituidas a partir de ahí. La unión ocurre regularmente sin alterar la formación de pares de bases de la molécula de DNA de doble hélice. Como se explica en los capítulos 36 y 38, proteínas reguladoras controlan la expresión de genes específicos mediante esas interacciones.

El DNA existe en formas relajada y superenrollada

En algunos organismos, como bacterias, bacteriófagos, muchos virus de animales que contienen DNA, así como organelos como las mitocondrias (figura 35-8), los extremos de las moléculas de DNA están unidos para crear un círculo cerrado sin extremos covalentemente libres. Claro que esto no destruye la polaridad de las moléculas, pero elimina todos los grupos hidroxilo y fosforilo 3ʹ y 5ʹ. Los círculos cerrados existen en formas relajada y superenrollada. Las superhélices se introducen cuando un círculo cerrado se gira alrededor de su propio eje o cuando un fragmento lineal del DNA dúplex, cuyos extremos están fijos, se tuerce. Este proceso que necesita energía coloca a la molécula bajo tensión de torsión, y mientras mayor es el número de superhélices, mayor es la tensión o torsión (esto se prueba al torcer una banda de caucho, goma o liga). Las superhélices negativas se forman cuando la molécula se tuerce en la dirección opuesta desde las vueltas en la dirección de las manecillas del reloj de la doble hélice diestra que se encuentra en el B-DNA. Se dice que ese DNA está subgirado. La energía requerida para lograr este estado se encuentra, en cierto sentido, almacenada en las superhélices. Por ello, el subgiro facilita la transición hacia otra forma que requiere energía (figura 35-19). Una transición de ese tipo es la separación de cadena, que es un prerrequisito para la replicación y transcripción del DNA. En consecuencia, el DNA superenrollado es una forma preferida en sistemas biológicos. Las enzimas que catalizan cambios topológicos del DNA se llaman topoisomerasas, las cuales pueden relajar o insertar superhélices, usando ATP como una fuente de energía. Hay homólogos de esta enzima en todos los organismos, y son blancos importantes de la quimioterapia de cáncer.

La información genética almacenada en la secuencia de nucleótido del DNA tiene dos propósitos. Es la fuente de información para la síntesis de todas las moléculas de proteína de la célula y el organismo, y proporciona la información heredada por células hijas o por la descendencia. Ambas funciones requieren que la molécula de DNA sirva como una plantilla, en el primer caso para la transcripción de la información hacia el RNA, y en el segundo para la replicación de la información hacia moléculas de DNA hijas.

Cuando cada cadena de la molécula de DNA bicatenario madre se separa desde su complemento en el transcurso de la replicación, cada una sirve de manera independiente como una plantilla con base en la cual se sintetiza una nueva cadena complementaria (figura 34-4). Las dos moléculas de DNA bicatenario hijas recién formadas, cada una de las cuales contiene una cadena (pero complementaria más que idéntica) de la molécula de DNA bicatenario madre, a continuación se separan entre las dos células hija (figura 34-5). Cada célula hija contiene moléculas de DNA con información idéntica a la que poseía la célula madre; sin embargo, en cada célula hija la molécula de DNA de la célula madre únicamente se ha semiconservado.

El ácido ribonucleico (RNA) es un polímero de purina y pirimidina ribonucleótidos unidos entre sí por enlaces 3ʹ,5ʹ-fosfodiéster análogos a los que están en el DNA (figura 34-6). Aun cuando comparte muchas características con el DNA, el RNA posee varias diferencias específicas:

1. En el RNA, la parte azúcar a la cual los fosfatos y las bases purina y pirimidina están fijos es ribosa en lugar de la 2ʹ-desoxirribosa del DNA.

2. Los componentes pirimidina del RNA difieren de los del DNA. Si bien el RNA contiene los ribonucleótidos de adenina, guanina y citosina, no posee timina excepto en el raro caso que se menciona más adelante. En lugar de timina, el RNA contiene el ribonucleótido de uracilo.

3. El RNA típicamente existe como una cadena única, mientras que el DNA como una molécula helicoidal bicatenaria. Empero, dada la secuencia de bases complementaria apropiada con polaridad opuesta, la cadena única de RNA —como se demuestra en la figura 34-7 y la figura 34-11— tiene la capacidad de plegarse sobre sí misma a manera de horquilla y, de este modo, adquirir características bicatenarias: G que forma pares con C, y A con U.

4. Puesto que la molécula de RNA es una cadena única complementaria a sólo una de las dos cadenas de un gen, su contenido de guanina no necesariamente es igual a su contenido de citosina, ni su contenido de adenina es necesariamente igual a su contenido de uracilo.

5. Los álcalis pueden hidrolizar al RNA hacia diésteres 2ʹ,3ʹ cíclicos de los mononucleótidos, compuestos que no se pueden formar a partir de DNA tratado con álcali debido a la ausencia de un grupo 2ʹ-hidroxilo. La labilidad del RNA a álcali es útil con fines tanto diagnósticos como analíticos.

La información dentro de la cadena única de RNA está contenida en su secuencia (“estructura primaria”) de nucleótidos purina y pirimidina dentro del polímero. La secuencia es complementaria a la cadena plantilla del gen a partir del cual se transcribió. Debido a esta complementariedad, una molécula de RNA puede unirse de manera específica por medio de las reglas de formación de pares de bases a su cadena de DNA plantilla (A-T, G-C, C-G, U-A; la base del RNA va en negritas); no se unirá (“hibridará”) con la otra cadena (codificadora) de su gen. La secuencia de la molécula de RNA (salvo por U que reemplaza a T) es la misma que la de la cadena codificadora del gen (figura 34-8).

Casi todas las especies de RNA estable, abundante, participan en algún aspecto de la síntesis de proteína

Las moléculas de RNA citoplásmico que sirven como plantillas para la síntesis de proteína (es decir, que transfieren información genética desde el DNA hacia la maquinaria sintetizadora de proteína) se designan RNA mensajeros, o mRNA. Muchas otras moléculas de RNA citoplásmicas muy abundantes (RNA ribosómicos; rRNA) tienen funciones estructurales en donde contribuyen a la formación y función de ribosomas (la maquinaria en el ámbito de organelo para la síntesis de proteína) o sirven como moléculas adaptadoras (RNA de transferencia; tRNA) para la traducción de información del RNA hacia secuencias específicas de aminoácidos polimerizados.

Es interesante que algunas moléculas de RNA tienen actividad catabólica intrínseca. La actividad de estas ribozimas a menudo incluye la división de un ácido nucleico. Dos enzimas de RNA bien estudiadas, o ribozimas, son la peptidil transferasa que cataliza la formación de enlaces peptídicos en el ribosoma, y ribozimas comprendidas en el empalme del RNA.

En todas las células eucarióticas hay especies de RNA nuclear pequeño (snRNA) que no participan de modo directo en la síntesis de proteína pero desempeñan funciones cruciales en el procesamiento del RNA. El tamaño de estas moléculas relativamente pequeñas varía desde 90 hasta alrededor de 300 nucleótidos (cuadro 34-1). Las propiedades de las diversas clases de RNA celular se detallan más adelante.

El material genético para algunos virus de animales y vegetales es RNA en lugar de DNA. Aunque algunos virus RNA nunca transcriben su información hacia una molécula de DNA, muchos virus RNA de animales —en específico, los retrovirus (p. ej., el HIV)— se transcriben mediante DNA polimerasa dependiente de RNA viral, la denominada transcriptasa inversa, para producir una copia de DNA bicatenario de su genoma de RNA. En muchos casos, la transcripción de DNA de doble cadena resultante se integra en el genoma del huésped y después sirve como una plantilla para la expresión de gen a partir de la cual pueden transcribirse nuevos genomas de RNA viral y mRNA virales. La inserción genómica de esas moléculas de DNA “proviral” integradoras puede, dependiendo del sitio afectado, ser mutagénica, lo cual desactiva un gen o altera la regulación de su expresión (figura 35-11).

Hay varias clases de RNA

En todos los organismos procarióticos y eucarióticos, hay cuatro clases principales de moléculas de RNA: mensajero (mRNA), de transferencia (tRNA), ribosómico (rRNA), y los RNA pequeños. Cada uno difiere de los otros en su abundancia, tamaño, función y estabilidad general.

RNA mensajero (mRNA)

Esta clase es la de abundancia, tamaño y estabilidad más heterogéneos; por ejemplo, en la levadura de cerveza mRNA específicos están presentes en cientos/célula hasta, en promedio, ≤0.1 mRNA por célula en una población genéticamente homogénea. Mecanismos tanto transcripcionales como postranscripción específicos contribuyen a este rango dinámico grande en el contenido de mRNA (caps. 36 y 38). En las células de mamífero la abundancia de mRNA probablemente varía en un rango de 10⁴ veces. Todos los miembros de la clase funcionan como mensajeros que transmiten la información en un gen hacia la maquinaria sintetizadora de proteína, donde cada mRNA sirve como una plantilla con base en la cual una secuencia específica de aminoácidos se polimeriza para formar una molécula de proteína específica, el producto final de gen (figura 34-9). Los mRNA eucarióticos tienen características químicas singulares. La terminal 5ʹ del mRNA está “cubierta” por un 7-metilguanosina trifosfato el cual está enlazado a un 2ʹ-O-metil ribonucleósido adyacente en su 5ʹ-hidroxilo por medio de los tres fosfatos (figura 34-10). Las moléculas de mRNA suelen contener 6-metiladenilatos internos y otros nucleósidos 2ʹ-O-ribosa metilados. La cubierta participa en el reconocimiento del mRNA por la maquinaria de traducción, y ayuda también a estabilizar el mRNA al evitar el ataque de 5ʹ-exonucleasas. La maquinaria sintetizadora de proteína empieza a traducir el mRNA hacia proteínas empezando torrente abajo de la terminal 5ʹ o cubierta. El otro extremo de las moléculas de mRNA, el 3ʹ-hidroxilo terminal, tiene un polímero fijo de residuos adenilato de 20 a 250 nucleótidos de longitud, no genéticamente codificado. La “cola” poli(A) en el 3ʹ-hidroxilo terminal de mRNA mantiene la estabilidad intracelular del mRNA específico al impedir el ataque de 3ʹ-exonucleasas y facilita también la traducción (figura 37-7). Algunos mRNA, incluso aquellos para algunas histonas, no contienen una cola poli(A). Tanto la “cubierta” como la “cola poli(A)” de mRNA se agregan luego de la transcripción por enzimas no dirigidas por plantilla a moléculas precursoras de mRNA (pre-mRNA). El mRNA representa 2 a 5% del RNA total de células eucarióticas.

En células de mamífero, incluso las de seres humanos, las moléculas de mRNA presentes en el citoplasma no son los productos del RNA inmediatamente sintetizados a partir de la plantilla de DNA, sino que deben formarse por procesamiento desde el pre-RNA antes de que entre al citoplasma. De esta manera, en núcleos de mamífero, los productos inmediatos de la transcripción de gen (transcripciones primarias) son muy heterogéneos y pueden ser de 10 a 50 veces más largos que las moléculas de mRNA maduras. Las moléculas de pre-mRNA se procesan para generar las moléculas de mRNA que después entran al citoplasma para servir como plantillas para la síntesis de proteína (cap. 36).

RNA de transferencia (tRNA)

La longitud de las moléculas de tRNA varía desde 74 hasta 95 nucleótidos. También se generan por procesamiento nuclear de una molécula precursora (cap. 36). Las moléculas de tRNA sirven como adaptadoras para la traducción de la información en la secuencia de nucleótidos del mRNA hacia aminoácidos específicos. Hay al menos 20 especies de moléculas de tRNA en cada célula, y por lo menos una (y a menudo varias) corresponde a cada uno de los 20 aminoácidos requeridos para la síntesis de proteína. Aun cuando cada tRNA específico difiere de los otros en su secuencia de nucleótidos, las moléculas de tRNA como clase tienen muchas características en común. La estructura primaria —es decir, la secuencia de nucleótido— de todas las moléculas de tRNA permite el plegado y la complementariedad intracadena extensos para generar una estructura secundaria que aparece en dos dimensiones como una hoja de trébol (figura 34-11).

Todas las moléculas de tRNA contienen cuatro brazos principales. El brazoaceptor termina en los nucleótidos CpCpAOH. Una enzima nucleotidil transferasa específica añade estos tres nucleótidos luego de la transcripción. El aminoácido apropiado para el tRNA se fija, o “carga” sobre el grupo 3ʹ-OH de la porción A del brazo aceptor (figura 37-1). Los brazos D, TψC y extra ayudan a definir un tRNA específico. Los tRNA constituyen a grandes rasgos 20% del RNA celular total.

RNA ribosómico (rRNA)

Un ribosoma es una estructura nucleoproteínica citoplásmica que actúa como la maquinaria para la síntesis de proteínas a partir de las plantillas de mRNA. En los ribosomas, las moléculas de mRNA y tRNA interactúan para traducirse hacia una información acerca de molécula de proteína específica transcrita desde el gen. Durante periodos de síntesis activa de proteína, muchos ribosomas pueden asociarse con cualquier molécula de mRNA para formar un montaje llamado el polisoma (figura 37-7).

En el cuadro 34-2 se muestran los componentes del ribosoma de mamífero, que tiene un peso molecular de aproximadamente 4.2 × 10⁶, y un coeficiente de velocidad de sedimentación de 80S (S = unidades Svedberg, un parámetro sensible al tamaño y la forma moleculares). El ribosoma de mamífero contiene dos subunidades nucleoproteínicas principales, una de mayor tamaño con un peso molecular de 2.8 × 10⁶ (60S), y una subunidad de menor tamaño con un peso molecular de 1.4 × 10⁶ (40S). La subunidad 60S contiene un RNA ribosómico (rRNA) 5S, un rRNA 5.8S, y un rRNA 28S; también hay más de 50 polipéptidos específicos. La subunidad 40S es de menor tamaño y contiene un rRNA 18S único, y alrededor de 30 cadenas polipeptídicas distintas. Todas las moléculas de RNA ribosómico, excepto el rRNA 5S, que se transcribe de modo independiente, se procesan a partir de una molécula de RNA precursora 45S única en el nucléolo (cap. 36). Las moléculas de RNA ribosómico muy metiladas están aglomeradas en el nucléolo con las proteínas ribosómicas específicas. En el citoplasma, los ribosomas permanecen bastante estables y capaces de muchos ciclos de traducción. No se entienden por completo las funciones precisas de las moléculas de RNA ribosómico en la partícula ribosómica, pero son necesarias para el montaje ribosómico, y desempeñan también funciones clave en la unión de mRNA a ribosomas y su traducción. Estudios recientes indican que el componente de rRNA grande realiza la actividad de peptidil transferasa y, así, es una ribozima. Los RNA ribosómicos (28S + 18S) representan a grandes rasgos 70% del RNA celular total.

RNA pequeño

En las células eucarióticas se encuentra gran número de especies de RNA separadas, muy conservadas, y pequeñas; algunas son bastante estables. Casi todas estas moléculas forman complejos con proteínas para constituir ribonucleoproteínas, y están distribuidas en el núcleo, el citoplasma, o ambos. Su tamaño varía de 20 a 1 000 nucleótidos, y están presentes en 100 000 a 1 000 000 de copias por célula, lo que representa en conjunto ≤5% del RNA celular.

RNA nucleares pequeños (snRNA)

Los snRNA, un subgrupo de los RNA pequeños (cuadro 34-1), participan de manera importante en el procesamiento de rRNA y mRNA, y en la regulación de gen. De los varios snRNA, los U1, U2, U4, U5 y U6 participan en la eliminación de intrón y en el procesamiento de precursores de mRNA hacia mRNA (cap. 36). El snRNA U7 participa en la producción de los extremos 3ʹ correctos del mRNA histona, que carece de una cola poli(A). El RNA 7SK se asocia con varias proteínas para formar un complejo de ribonucleoproteína, denominado P-TEFb, que modula el alargamiento de la transcripción de gen de mRNA por la RNA polimerasa II (cap. 36).

Micro-RNA, miRNA, y pequeños RNA, siRNA que interfieren, y RNA no codificador

Uno de los descubrimientos más interesantes e inesperados en el transcurso del último decenio de la biología reguladora eucariótica fue la identificación y caracterización de miRNA, una clase de RNA pequeños que se encuentra en casi todos los eucariotas (cap. 38). Casi todos los miRNA y siRNA conocidos originan inhibición de la expresión de gen al aminorar la producción de proteína específica, si bien mediante distintos mecanismos. Los miRNA típicamente tienen 21 a 25 nucleótidos de largo, y se generan por medio de procesamiento nucleolítico de los productos de unidades de genes/transcripción separadas (figura 36-17). Los precursores del miRNA son monocatenarios, pero tienen estructura secundaria intramolecular extensa. El tamaño de estos precursores varía desde aproximadamente 500 hasta 1 000 nucleótidos; es característico que los miRNA maduros procesados pequeños se hibriden, mediante la formación de dúplex de RNA-RNA imperfectos dentro de las regiones 3ʹ-no traducidas (3ʹUTR; figura 38-19) de mRNA blanco específicos, lo que lleva, por medio de mecanismos que se entienden poco, a paro de la traducción. Hasta la fecha, se han descrito cientos de miRNA distintos en seres humanos; los estimados sugieren que hay ~1 000 genes que codifican para miRNA en seres humanos. Al igual que con los miRNA, los siRNA se derivan de la división nucleolítica específica de RNA de mayor tamaño para formar de nuevo productos pequeños, de 21 a 25 nucleótidos de largo. Estos siRNA cortos por lo general forman híbridos RNA-RNA perfectos con sus blancos separados, en potencia en cualquier sitio dentro de la longitud del mRNA donde existe la secuencia complementaria. La formación de esos dúplex RNA-RNA entre siRNA y mRNA causa producción reducida de proteína específica porque una maquinaria nucleolítica dedicada degrada los complejos de siRNA-mRNA; parte de esta degradación de mRNA, o toda, sucede en organelos citoplásmicos específicos llamados cuerpos P (figura 37-11). Dada su especificidad genética exquisita, tanto los miRNA como los siRNA representan interesantes nuevos blancos potenciales para la creación de fármacos terapéuticos. Además, los siRNA suelen usarse para disminuir o “noquear” (“knock-down”) concentraciones de proteínas específicas (por medio de degradación de mRNA dirigida hacia homología de siRNA) en contextos experimentales en el laboratorio, una alternativa en extremo útil y potente para la tecnología de deleción de gen (cap. 39).

Otro descubrimiento reciente e interesante en el campo del RNA es la identificación y caracterización de RNA no codificadores, o ncRNA, largos. El tamaño de los ncRNA largos que, como su nombre lo indica, no codifican para proteína, varía desde ~300 hasta miles de nucleótidos de largo; estos RNA típicamente se transcriben a partir de las regiones grandes de genomas eucariontes que no codifican para proteína. De hecho, análisis del transcriptoma por medio de la tecnología de secuenciación de siguiente generación (cap. 39) indican que >90% del DNA genómico eucarionte es transcrito. Los ncRNA constituyen una porción importante de esta transcripción. Los ncRNA desempeñan muchos papeles que varían desde contribuir a los aspectos estructurales de la cromatina, hasta la regulación de la transcripción de gen que codifica para mRNA por la RNA polimerasa II. Investigación futura caracterizará más esta importante nueva clase de moléculas de RNA.

Despierta interés que las bacterias también contienen RNA reguladores heterogéneos pequeños denominados sRNA. El tamaño de los sRNA bacterianos varía desde 50 hasta 500 nucleótidos, y al igual que los mi/siRNA eucarióticos también controlan una gama grande de genes. De modo similar, los sRNA a menudo reprimen, pero en ocasiones activan, la síntesis de proteína al unirse a mRNA específico.

Durante muchos años se han reconocido enzimas que tienen la capacidad de degradar ácidos nucleicos; tales nucleasas pueden clasificarse de varias maneras. Las que muestran especificidad por el DNA reciben el nombre de desoxirribonucleasas. Las que hidrolizan de modo específico RNA son las ribonucleasas. Algunas nucleasas degradan tanto el DNA como el RNA. Dentro de estas clases hay enzimas que tienen la capacidad de dividir enlaces fosfodiéster internos para producir terminales 3ʹ-hidroxilo y 5ʹ-fosforilo, o terminales 5ʹ-hidroxilo y 3ʹ-fosforilo, las cuales se denominan endonucleasas. Algunas tienen la capacidad de hidrolizar ambas cadenas de una molécula bicatenaria, mientras que otras sólo pueden dividir cadenas únicas de ácidos nucleicos. Algunas nucleasas sólo pueden hidrolizar cadenas únicas no pareadas, mientras que otras son capaces de hidrolizar cadenas únicas que participan en la formación de una molécula bicatenaria. Hay clases de endonucleasas que reconocen secuencias específicas en el DNA; casi todas éstas son las endonucleasas de restricción, que en los últimos años se han convertido en instrumentos importantes en genética molecular y ciencias médicas. El cuadro 39-2 presenta una lista de algunas de las endonucleasas de restricción reconocidas en la actualidad.

Ciertas nucleasas tienen la capacidad de hidrolizar un nucleótido únicamente si está presente en una terminal de una molécula; éstas se llaman exonucleasas, y sólo actúan en una dirección (3′→ 5′ o 5′→ 3′). En bacterias, una exonucleasa 3′→ 5′ es una parte integral de la maquinaria de replicación de DNA, y ahí sirve para editar —o corregir pruebas— del desoxinucleótido añadido más recientemente respecto a errores de la formación de pares de bases.

• El DNA consta de cuatro bases —A, G, C y T— que se mantienen en disposición lineal mediante enlaces fosfodiéster a través de las posiciones 3ʹ y 5ʹ de porciones desoxirribosa adyacentes.

• El DNA se organiza en dos cadenas por medio de la formación de pares de bases A a T y G a C en cadenas complementarias. Estas cadenas forman una doble hélice alrededor de un eje central.

• Los 3 × 10⁹ pares de bases del DNA en seres humanos están organizados hacia el complemento haploide de 23 cromosomas. La secuencia exacta de estos 3 000 000 000 de nucleótidos define la singularidad de cada individuo.

• El DNA proporciona una plantilla para su propia replicación y, así, mantenimiento del genotipo, y para la transcripción de los aproximadamente 25 000 genes del ser humano que codifican para proteínas, así como una gama grande de RNA reguladores no codificadores de proteína.

• El RNA existe en varias estructuras monocatenarias diferentes, la mayor parte de las cuales participa de modo directo o indirecto en la síntesis de proteína o en su regulación. La disposición lineal de nucleótidos en el RNA consta de A, G, C y U, y la parte azúcar es ribosa.

• Las principales formas de RNA son el mensajero (mRNA), ribosómico (rRNA), de transferencia (tRNA), y RNA nucleares pequeños (snRNA; miRNA). Ciertas moléculas de RNA actúan como catalíticos (ribozimas).