Biopolímero s (4831) 5.4. Factores que determinan la estructura de los ácidos nucleicos. 5.4.4 Apilamiento de bases Cuando se examinan los cristales de ácidos nucleicos helicoidales se observa que los planos de las bases sucesivas son prácticamente paralelos (el ángulo diedro entre planos sucesivos es menor de 20º) y se solapan considerablemente. Igual que en el apartado anterior la pregunta es si este apilamiento de las bases es una consecuencia de las rotaciones favorables de la cadena de polinucleótido y la geometría específica requerida para el apareamiento de bases W-C o es una distribución favorable energéticamente en sí misma y que por tanto, en la dobles hélices sirve para dar mayor estabilidad a la geometría W-C. El problema del apilamiento de bases se ha estudiado extensivamente investigando las propiedades de las bases y de los polinucleótidos en disolución. La figura siguiente muestra el espectro de absorción UV de una disolución del polímero poliácido adenílico (poli-a) y de una disolución del monómero, fosfato de adenosina (AMP) en una concentración equivalente a la del número de risiduos de nucleótidos del polímero. La banda de absorción a 258 nm es característica del sistema π-electrónico de la adenina y como puede apreciarse, en el polímero existe un claro efecto hipocrómico (disminución del coeficiente de absorción) además de un desplazamiento del máximo de absorción de la banda hacia longitudes de onda algo más cortas, lo que debe interpretarse como una interacción entre las nubes π-electrónicas de las bases. Este fenómeno no es exclusivo de los polímeros, sino que en las disoluciones acuosas de adenina y derivados a concentraciones relativamente altas de cromóforo, el coeficiente de absorción a 258 nm también depende de la concentración.
!" #$% En la otra figura del cuadro anterior se muestra cómo varía la absorción a 258 nm con la temperatura en una disolución de poli-a. Los datos de la figura son claramente indicativos de la existencia de un equilibrio y pueden interpretarse considerando que la cadena de N nucleótidos se comporta como un conjunto de N-1 unidades de dinucleótido que se apilan independientemente las unas de las otras, ocurre además, lo que corrobora la suposición anterior que atemperaturas altas la absorción de las disoluciones de polímero y de monómero son prácticamente iguales. Si llamamos fu a la fracción de unidades que no están apiladas en el equilibrio a una determinada temperatura, K, la constante del equilibrio de desapilamiento vendrá dada por la expresión: K = fu/(1-fu). El valor de la fracción de unidades no apiladas puede estimarse teniendo en cuenta, Amax, la absorbancia límite a alta temperatura; Amin, la absorbancia límite a baja temperatura y AT, la absorbancia a una temperatura dada. El valor de fu vendrá dado por: (AT-Amin)/(Amax-Amin). Es decir, el experimento nos permite tener un valor de la constante de equilibrio para cada temperatura y por tanto estimar el valor de la entalpía de la reacción a través de la representación de la ecuación de Van t'hoff. El valor de H 0 obtenido para estos datos es aproximadamente de 13 kcal/mol. Puesto que se conoce el valor del G 0 a diferentes temperaturas, ya que se tiene el valor experimental de las constantes de equilibrio, puede estimarse también el valor de S 0. A 25 ºC el valor de S 0 es aproximadamente de unas -40 cal/mol.k
!&'( ) ) *) #$+ Base K(molal -1 ) G (kcal/mol) da 12-1.50 dt 0'91 +0'06 dc 0'91 +0'06 U 0'70 +0'21 da-dt 3-6 -0'70 -- -1'10 dg-dc 4-8 - 0'80 -- -1'20 da-dc 3-6 - 0'70 -- -1'10 da-du 3-0'70 dt-dc 0'91 +0'06 La figura anterior muestra la representación de Van t'hoff para la reacción de desapilamiento en el poli-a y en otros oligómeros de menor peso molecular. A partir de esta representación queda claro que las pendientes de las rectas dependen del grado de polimerización del polímero, lo que es indicativo de que la suposición inicial de que el apilamiento de una unidad es idependiente del número de unidades ya apiladas no es estrictamente correcta. Mediante diferentes técnicas se han medido los parámetros termodinámicos de los equilibrios de apilamiento en diferentes tipos de bases y la tabla anterior muestra los valores para algunos de estos apilamientos. Puede concluirse que, en general, la magnitud de las interacciones de apilamientos son proporcionales al tamaño del anillo de las bases a apilar y que estas interacciones muestran la progresión purina-purina >purina-pirimidina > pirimidina-pirimidina. Qué tipo de fuerzas son las implicadas en la reacción de apilamiento (stacking)? Claramente deben estar implicadas las interacciones entre los momentos dipolares inducidos por la interacción entre las nubes π-electrónicas de las bases apiladas (como lo indican los resultados de espectroscopía Uv_Vis). Por otra parte, los estudios de hipocromicidad de disoluciones de ADN en diferentes disolventes indican que las formas apiladas están favorecidas en disolventes acuosos. Un experimento claramente indicativo de este hecho es la formación de dímeros timidil-timidina (TD) (formación de enlace covalente entre monómeros adyacentes) inducidos por radiación UV (280 nm) de los ADN en disolución. La cantidad de dímero que se forma en este experimento es proporcional al grado de apilamiento de los monómeros en el polímero. La tabla siguiente se muestran los resultados de este experimento en diferentes disolventes. Claramente, el porcentaje de dímero formado está relacionado con la hidrofobicidad del disolvente empleado., " Disolvente %T D formado t-butanol 5 Etanol 5 5 Metanol 6 Estos experimentos muestran claramente la importancia del agua como inductor de las estructuras altamente ordenadas de los ácidos nucleicos e indican que las interacciones de stacking deben tener una gran componente de interacciones hidrófobas, aunque no pueda decirse que sólo haya interacciones hidrófobas implicadas en esta reacción de stacking. La importancia de las interacciones hidrófobas en estas interacciones de stacking se
n-butanol 7 5 Etilenglicol 19 Formamida 21 Glicerol 33 Agua 35 ponen de manifiesto claramente en el experimento de Crothers y Ratner de formación de complejos entre desoxiguanosina y actinomicina en diferentes disolventes. En disolución acuosa con tampón fosfato a 25ºC el H 0 = -10,3 kcal/mol y S 0 = -19,8 cal/mol.k. Al añadir un 25% de metanol a esta disolución, H 0 = -14'05 kcal/mol y S 0 =- 33,7 cal/mol.k, es decir hay una contribución entrópica positiva importante en el medio acuoso que favorece esta reacción en los medios acuosos y que proviene del reordenamiento de las moléculas de agua que implican las interacciones hidrófobas. Tutorial on-line sobre apilamiento de bases en la Universidad de Carnegie Mellon
Parámetros termodinámicos de la estabilidad de las estructuras ordenadas en ADNs y ARNs,-,-. Biopolímeros. J. Donoso.Página actualizada en Febrero 2006