21.10: Emparejamiento de Bases de ADN

Las reglas de Erwin Chargaff sobre la equivalencia del ADN allanaron el camino para el descubrimiento del emparejamiento de bases en el ADN. Las reglas de Chargaff afirman que en una molécula de ADN de doble cadena,

1. La cantidad de adenina (A) es igual a la cantidad de timina (T);
2. La cantidad de guanina (G) es igual a la cantidad de citosina (C); y.
3. La suma de purinas, A y G, es igual a la suma de pirimidinas, C y T (es decir, A+G = C+T).

Un trabajo posterior de Watson y Crick reveló que en el ADN de doble cadena, A siempre forma dos enlaces de hidrógeno con T, y G siempre forma tres enlaces de hidrógeno con C.  Esta combinación de bases mantiene una anchura constante de la doble hélice de ADN, ya que los pares A-T y C-G tienen una longitud de 10.85Å y encajan perfectamente entre los dos esqueletos de azúcar-fosfato.

Los pares de bases hacen que las bases nitrogenadas sean inaccesibles a otras moléculas hasta que los puentes de hidrógeno se rompan. Sin embargo, las enzimas específicas pueden romper fácilmente estos puentes de hidrógeno para llevar a cabo los procesos celulares necesarios, como la replicación y la transcripción del ADN. Como un par G-C tiene más puentes de hidrógeno que  un par A-T, el ADN con un alto porcentaje de pares G-C necesitará mayor energía para la separación de dos hebras de ADN que uno con un porcentaje similar de pares A-T.  

Análogos de base como Medicina

El emparejamiento correcto de la base es esencial para la replicación fiel del ADN. Los análogos de base son moléculas que pueden reemplazar las bases de ADN estándar durante la replicación del ADN. Estos análogos son agentes antivirales y anticancerosos eficaces contra enfermedades como la hepatitis, el herpes y la leucemia. El aciclovir, también conocido como acicloguanosina, es un análogo de base de la guanina y se usa comúnmente en el tratamiento del virus del herpes simple.  La parte guanina del aciclovir se empareja con adenina como de costumbre durante la replicación del ADN; sin embargo, debido a que no tiene un extremo 3’ del nucleótido, la ADN polimerasa no puede continuar formando pares de bases y la replicación termina.

El ADN se asemeja a una escalera retorcida. Y los peldaños de la escalera del ADN son pares complementarios de bases nitrogenadas. De acuerdo con las reglas de emparejamiento de bases, la adenina, una purina, se empareja con la timina, una pirimidina, con dos enlaces de hidrógeno.

Y aparece la guanina, una purina, con citosina, una pirimidina, con tres enlaces de hidrógeno. Pero, por qué las purinas siempre se combinan con pirimidinas? Debido a las restricciones estéricas que son restricciones espaciales impuestas por la columna vertebral del fosfato de azúcar del ADN, solo está disponible un espacio de 10, 85 angstrom para los pares de bases en una doble hélice de ADN.

Las purinas tienen una estructura de anillo doble. Por lo tanto, dos purinas juntas serán demasiado grandes para caber en este espacio. Por otro lado, si juntamos dos pirimidinas, que contienen un solo anillo, la distancia entre ellas será demasiado grande para formar enlaces de hidrógeno, que tienen aproximadamente dos angstroms de longitud.

Sin embargo, si emparejamos una purina y una pirimidina, encajan perfectamente dentro de la hélice del ADN y están lo suficientemente cerca como para formar enlaces de hidrógeno. Los enlaces de hidrógeno se pueden formar cuando un átomo de hidrógeno está aproximadamente a dos angstroms de un átomo electronegativo, como el oxígeno o el nitrógeno. La adenina tiene un átomo de hidrógeno cercano al oxígeno y la timina.

La timina tiene un hidrógeno cercano al nitrógeno y la adenina. Esto conduce a la formación de dos enlaces de hidrógeno. La adenina no puede formar enlaces de hidrógeno con la citosina, porque la citosina tiene un átomo de hidrógeno donde estarían el oxígeno y la timina.

Y el átomo de hidrógeno que está presente en la timina está ausente en la citosina. Un fenómeno similar ocurre en el par de bases de guanina citosina, donde un oxígeno en guanina y un oxígeno y un nitrógeno en citosina se colocan frente a un hidrógeno, lo que lleva a la formación de tres enlaces de hidrógeno, lo que no ocurre en el emparejamiento de bases guanina timina. La alta especificidad del emparejamiento de bases, junto con la ayuda de las enzimas de replicación del ADN, es la razón por la que la adenina siempre se empareja con la timina y la guanina siempre se empareja con la citosina.