GENETICA MOLECULAR
EL DNA SUPERENRROLLADO
CONSIDERACIONES GENERALES
GENETICA MOLECULAR
Superenrrolamiento significa literalmente
“enrrollamiento de un rollo”
El ejemplo típico es el cordón de un auricular telefónico:
Este ejemplo es muy apropiado porque ayudó a Vinograd y
colaboradores a proponer que muchas de las propiedades del
DNA in vivo dependían del superenrrollamiento.
GENETICA MOLECULAR
La naturaleza del superenrrolamiento
del DNA, términos generales
Doble hélice de DNA
estabilizada por un
conjunto de fuerzas no
covalentes que se
establecen entre las dos
cadenas polinucleotídicas
DNA “relajado”
no existe ninguna
curvatura del eje de la
doble hélice sobre sí
mismo
Superhélice de DNA
que surge como resultado
de la existencia de
tensiones estructurales
en la molécula
GENETICA MOLECULAR
El superenrrolamiento es una propiedad intrínseca
del DNA que se pone de manifiesto cuando la
molécula queda sujeta a tensiones estructurales
Las moléculas pequeñas de DNA circular cerrado (cc) de virus y
bacterias están usualmente superenrrolladas in vivo y se mantienen
así incluso después de ser aisladas de las fuentes celulares.
Es de suponer que exista un mecanismo celular estrictamente regulado
para generar tensión en las moléculas de DNA, el cual pudiera inducir
el superenrrollamiento del mismo in vivo.
GENETICA MOLECULAR
En términos de DNA una tensión estructural se
origina por la variación de la cantidad de vueltas de
hélice con respecto a la esperada para la forma
termodinámicamente más estable (B-DNA)
B-DNA cc, 84 pb (84/10.5 = 8 vueltas de hélice)
Se quita una vuelta (7 vueltas de hélice)
La disminución del número de vueltas de hélice con respecto a la
forma B inicial genera una tensión estructural que desvía la
molécula de su forma termodinámicamente más estable.
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Posibles soluciones al problema estructural
Ante un problema estructural como el anterior, la molécula es forzada a
“acomodar” la tensión estructural que se ha generado, en teoría esto
puede lograrse de dos formas diferentes:
1. Separación de las hebras
polinucleotídicas a lo largo de
unos 10 pares de bases
2. Subenrrollamiento de la
doble hélice sobre su eje
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El mecanismo predominante in vivo para “acomodar”
la tensión generada, es el subenrrollamiento.
¿Por qué el subenrrollamiento y no la separación de las hebras?
La separación de las hebras del dúplex de DNA implicaría un alto
costo energético, puesto que este mecanismo requiere la ruptura
de las interacciones no covalente que estabilizan el mismo.
El subenrrollamiento facilita la separación de las hebras de la
doble hélice, en procesos en que se hace necesario el acceso a la
información contenida en el DNA (ej. replicación o transcripción).
GENETICA MOLECULAR
Sólo tiene sentido hablar de superenrrollamiento
cuando la rotación de las hebras sobre si mismas
está restringida.
O sea, cuando el DNA es circular cerrado, o cuando está
unido y estabilizado por proteínas. La ruptura de una o
ambas hebras provoca que la molécula retorne espontáneamente a su estado relajado.
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Sólo tiene sentido hablar de superenrrollamiento
cuando la rotación de las hebras sobre si mismas
está restringida.
De igual forma, el cordón telefónico
sólo permanece superenrrollado
mientras una punta esté unida al
auricular y la otra al cuerpo del
teléfono, si desconectamos una
de las puntas el cordón retornará
automáticamente a su estado relajado.
O sea, cuando el DNA es circular cerrado, o cuando está
unido y estabilizado por proteínas. La ruptura de una o
ambas hebras provoca que la molécula retorne espontáneamente a su estado relajado.
GENETICA MOLECULAR
Topología del DNA superenrrollado
La topología es la rama de la matemática que estudia
las propiedades de un objeto que no varían por causa
de deformaciones continuas, en términos de DNA:
Se consideran deformaciones continuas los cambios
conformacionales inducidos por temperatura o por la
interacción con proteínas, sin que tenga lugar ruptura
de enlaces covalentes en la(s) hebra(s).
Se consideran deformaciones discontinuas las que
produzcan ruptura de enlaces covalentes en una o
ambas hebras. Las deformaciones discontinuas sí
alteran las propiedades topológicas de un objeto.
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El número de enlace (Lk) es una propiedad
topológica del DNA, que se define como el número
de veces que una hebra cruza la otra
Lk es siempre un número entero, que puede ser positivo o
negativo, convencionalmente:
Cuando las hebras se cruzan hacia la derecha Lk > 0
Cuando las hebras se cruzan hacia la izquierda Lk < 0
GENETICA MOLECULAR
¿Cómo varía el Lk ante deformaciones
continuas o discontinuas?
DNA cc con
Lk = 200
GENETICA MOLECULAR
¿Cómo varía el Lk ante deformaciones
continuas o discontinuas?
mella
Deformación discontinua
Ruptura de un
enlace covalente
en una hebra
DNA cc con
Lk = 200
El DNA de desenrrolla
completamente hasta
que Lk se indefine y no
queda enlace topológico
en la molécula
GENETICA MOLECULAR
¿Cómo varía el Lk ante deformaciones
continuas o discontinuas?
mella
Deformación discontinua
Ruptura de un
enlace covalente
en una hebra
El DNA de desenrrolla
completamente hasta
que Lk se indefine y no
queda enlace topológico
en la molécula
Deformación continua
DNA cc con
Lk = 200
Cambio transiente en Lk
ó Lk = -2, que induce
superenrrollamiento,
tras el cual Lk no varía, se
restablece el valor original
Quitar dos
vueltas de
hélice
Lk = 198
GENETICA MOLECULAR
La naturaleza del superenrrollamiento queda
determinada por el cambio transiente en Lk ó Lk
Lk = Lk – Lko
Lko es el Lk de la molécula relajada
Lk0 = 200
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La naturaleza del superenrrollamiento queda
determinada por el cambio transiente en Lk ó Lk
Lk = Lk – Lko
Lko es el Lk de la molécula relajada
Lk = -2
Lk0 = 200
Lk = +2
SUPERENRROLLAMIENTO
NEGATIVO O
SUBARRO
LLAMIENTO
SUPERENRROLLAMIENTO
POSITIVO O
SOBREARRO
LLAMIENTO
Lk = 198
Lk = 202
GENETICA MOLECULAR
La naturaleza del superenrrollamiento queda
determinada por el cambio transiente en Lk ó Lk
Lk = Lk – Lko
Lko es el Lk de la molécula relajada
¡El de mayor
importancia
biológica!
Sólo
observado
in vitro
Lk = -2
Lk0 = 200
Lk = +2
SUPERENRRO
LLAMIENTO
POSITIVO O
SOBREARRO
LLAMIENTO
SUPERENRRO
LLAMIENTO
NEGATIVO O
SUBARRO
LLAMIENTO
Lk = 198
Lk = 202
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Lk se descompone en dos propiedades
geométricas, no topológicas
Lk = T + W
T (número de giro) es el número de vueltas que una
hebra polinucleotídica realiza alrededor del eje del
dúplex en la conformación que se considera. Luego:
T 
no . de pb
no . de pb por vuelta
W (número de superenrrollamiento) es el número de
vueltas que el eje del dúplex realiza sobre si mismo
(es una medida del superenrrollamiento)
¡A diferencia de Lk, T y W si varía ante deformaciones continuas
y no necesariamente tienen que ser números enteros!
GENETICA MOLECULAR
¡Una vez más el
cordón telefónico
puede ayudar a
entender la diferencia
entre T y W!
Relajado
Estirado
T pequeño
W grande
T grande
W pequeño
ESTIRAMIENTO
T
W
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Los parámetros geométricos T y W varían ante
deformaciones continuas para que una propiedad
topológica como Lk no varíe
Lk = 9
T=9
W=0
Lk = 9
T=9
W=0
Lk = 10
T = 10
W=0
Lk = 9
T = 10
W = -1
Lk = 9
T = 10
W = -1
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superenrrollamiento del DNA