miniaturadeimagen|300px|A la izquierda se observa una molécula de ARN y a la derecha una molécula de ADN.
Los análogos de ácidos nucleicos son compuestos con una estructura similar (análoga) a la de los ácidos nucleicos que aparecen en la naturaleza, ARN y ADN. Se utilizan en investigaciones médicas y biomoleculares. Los ácidos nucleicos son cadenas de nucleótidos que se componen de tres partes: un esqueleto o columna formada por cadenas de pentosa-fosfato, donde la pentosa puede ser ribosa o desoxirribosa, y una serie de bases nitrogenadas unidas a cada una de las pentosas del esqueleto.
En un compuesto análogo puede haber alteraciones en la estructura de alguna (o todas) de estas partes componentes. Típicamente las bases nucleotídicas análogas confieren, entre otras propiedades, una capacidad de emparejamiento y apilamiento de bases diferente a las bases naturales. Por ejemplo, existen bases universales, que pueden formar emparejamientos con cualquiera de las cuatro bases naturales, y análogos del esqueleto azúcar fosfato, tales como el ácido peptidonucleico (PNA), que afecta a las propiedades de la cadena (el PNA puede formar incluso hasta hélices triples). Ácidos nucleicos artificiales son el PNA, morfolino, ácido nucleico bloqueado (ANB, conocido también por sus siglas en inglés LNA, Locked Nucleic Acid), ácido glicol nucleico (GNA) y ácido treosa nucleico (TNA). Cada uno de ellos se distingue de los ácidos nucleicos naturales (ADN o ARN) por diferentes cambios en el esqueleto de la molécula.
Uso en medicina
Varios análogos de nucleósidos se utilizan como agentes antivirales o anticancerígenos ya que actúan interfiriendo la síntesis de ácidos nucleicos causando amplias mutaciones que hacen inviable al virus o a las células cancerígenas que los utilizan. Estos compuestos se convierten en activos dentro de las células al convertirse en nucleótidos. Se administran en forma de nucleósidos ya que la carga otorgada por el grupo fosfato de los nucleótidos dificulta que estos puedan cruzar con facilidad las membranas celulares.
Uso en biología molecular miniaturadeimagen|200px|derecha|Algunas modificaciones en los análgos de nucleótidos Los análogos de ácidos nucleicos se utilizan en biología molecular para diversos propósitos: Como herramientas para localizar determinadas secuencias. Como herramientas para otorgar una mayor resistencia a las moléculas de ARN frente a la hidrólisis. Como herramientas para otros propósitos tales como la secuenciación de ADN. Aparecen naturalmente, como en el ARNt. Como inhibidores enzimáticos para la investigación de los mecanismos utilizados por las enzimas. Para la investigación de posibles escenarios que habrían conducido al origen de la vida. Para la investigación de las propiedades estructurales de los ácidos nucleicos. Para la investigación de alternativas posibles al sistema natural en biología sintética.
Análogos de esqueleto
Análogos de ARN resistentes a la hidrólisis miniaturadeimagen|150px|Estructura química del Morfolino Para solventar el hecho de que el grupo 2' hidroxi de la ribosa es el responsable de la reacción con el grupo hidroxi 3' unido a fosfato (el ARN es demasiado inestable como para utilizarse o sintetizarse de forma eficiente), se utilizan análogos de la ribosa. Los análogos más comunes del ARN son los ARN 2'-O-metil sustituidos, tales como el Locked Nucleic Acid (LNA), nombre que podría traducirse como ácido nucleico "protegido" o "bloqueado", aunque a veces se llaman ácidos nucleicos inaccesibles; el morfolino y el ácido peptidonucleico (PNA). A pesar de que estos oligonucleótidos poseen un esqueleto formado por un azúcar no convencional o, en el caso del PNA, un residuo aminoacídico en lugar de la ribosa fosfato, aún son capaces de unirse al ARN o al ADN de acuerdo al apareamiento clásico descrito por Watson y Crick. Sin embargo, gracias a su esqueleto diferente resultan inmunes a las nucleasas, que normalmente degradan el ARN. Estos análogos no pueden obtenerse por biosíntesis ni por medio de reacciones enzimáticas y sólo pueden sintetizarse utilizando la estrategia de la fosforoamidita o, en el caso del PNA, por métodos de síntesis peptídica.
Otros análogos notables utilizados como herramientas
Los dideoxinucleótidos se utilizan en secuenciación. Estos trifosfatos de nucleósido poseen un azúcar no convencional, la dideoxirribosa, que carece del grupo hidroxi 3' que normalmente se presenta en el ADN, por lo que resulta incapaz de unir otra base por ese extremo. La falta del grupo hidroxi 3' termina la reacción en cadena de la polimerasa cuando la ADN polimerasa incorpora uno de estos nucleótidos, confundiéndolo con uno de los naturales. Otro análogo terminador de cadena que carece del grupo hidroxi 3' y mimetiza a la adenosina es la cordicepina, un agente quimioterápico antitumoral que hace diana sobre la replicación del ARN. Otro análogo utilizado en la secuenciación es la 7-deaza-GTP, que se utiliza para secuenciar las regiones ricas en pares GC (en cambio, la 7-deaza-ATP, llamada tubercidina, es un antibiótico).
Precursores al mundo de ARN
El ARN podría ser un ácido nucleico con una estructura demasiado compleja para haber sido el precursor de la vida en la tierra, por lo que se ha propuesto que algunos ácidos nucleicos más simples, con diferente estructura de esqueleto tales como el ATN, el AGN y el PNA, podrían haber sido los primeros ácidos nucleicos y precursores al mundo de ARN.
Análogos de bases Estructura y nomenclatura de las bases nucleicas
size|113px size|80px Purina Pirimidina Las bases naturales se dividen en dos clases dependiendo de su estructura: por un lado las pirimidinas (un compuesto formado por un heterociclo aromático de seis miembros con átomos de nitrógeno en las posiciones 1 y 3) y por otro lado las purinas (un compuesto formado por la fusión de dos heterociclos aromáticos, una pirimidina con la numeración invertida y un anillo imidazol, que es un anillo de cinco miembros con dos átomos de nitrógeno separados por un carbono.) Sus principales propiedades son: el apareamiento de bases, que se produce por la formación de dos o tres puentes hidrógeno entre los grupos cetona (dadores de electrones) y los grupos amina (receptores de electrones) de diferentes bases; y el apilamiento de bases, causado por la atracción de las nubes de electrones π deslocalizados de los anillos aromáticos.
Fluoróforos
miniaturadeimagen|200px|Estructura de la aminoalil-uridina Por lo general, los fluoróforos (tales como la rodamina o fluoresceína) se encuentran unidos por el anillo en el brazo flexible (posición para) del azúcar, por lo que presumiblemente quedan sobresaliendo del surco mayor de la hélice. Debido a que los nucleótidos unidos a aductos muy voluminosos tales como los fluoróforos son incorporados con mucha dificultad por la taq polimerasa, usualmente lo que se hace es utilizar nucleótidos que poseen un sitio de unión (grupo reactivo) que luego es utilizado para acoplar la marca fluorescente (esto se llama etiquetado indirecto): Amina reactiva: aminoalil nucleótidos, contienen un grupo amina primario en el brazo de unión que reacciona con un colorante que posea un grupo reactivo frente a las aminas tales como los colorantes cianina o Alexa flúor, estos colorantes poseen un grupo reactivo lábil, tal como el succinimidil ester (NHS). Los grupos amino que participan en el apareamiento de bases, no se ven afectados. Tiol reactivo: se trata de nucleótidos unidos a un grupo tiol, este grupo reacciona con fluoróforos unidos a un grupo reactivo lábil, tal como el maleimida. Biotinizados: se trata de nucleótidos unidos a una biotina, luego estos nucleótidos son marcados con estreptavidina unida a un grupo fluorescente. Se utilizan por ejemplo en los chip de ADN de Affymetrix. Los fluoróforos en general tienen un enorme campo de aplicaciones en medicina y bioquímica.
Análogos de bases fluorescentes El análogo de base fluorescente más comúnmente utilizado y disponible comercialmente, la 2-aminopurina (2-AP), tiene un alto rendimiento cuántico de fluorescencia cuando se encuentra libre en solución (0,68) que se reduce considerablemente (aproximadamente unas 100 veces, aunque es altamente dependiente de la secuencia de bases) cuando es incorporado en los ácidos nucleicos. La sensibilidad de emisión de 2-AP al entorno inmediato es compartida por otros análogos de bases fluorescentes prometedores y útiles tales como el 3-MI, 6-MI, 6-MAP pyrrolo-dC (que también se encuentra comercialmente disponible), derivados modificados del pyrrolo-dC con características mejoradas bases modificadas con furano y muchas otras (ver revisiones recientes). Esta sensibilidad al microambiente ha sido utilizada en diferentes estudios, p. ej. estructura y dinámica tanto del ADN como del ARN, dinámica y cinética de las interacciones ADN-proteína, y transferencia de electrones dentro de la propia molécula de ADN. Un nuevo grupo muy interesante de análogos de bases recientemente desarrollado, es el de la familia de citosinas tricíclicas (tC). Estos análogos poseen un rendimiento cuántico que es prácticamente insensible a su entorno inmediato. 1,3-diaza-2-oxofenotiazina, tC, posee una eficiencia cuántica de fluorescencia de aproximadamente 0,2, tanto formando parte de hebras simples o dobles, sin consideración a las bases que la rodean. Además el oxohomólogo del tC llamado tCO (ambos se encuentran comercialmente disponibles), 1,3-diaza-2-oxofenoxazina, posee una eficiencia cuántica de 0,2 en sistemas de doble cadena. Sin embargo es algo sensible a las bases adyacentes en sistemas de simple hebra (eficiencias cuánticas de 0,14-0,41). Las altas y estables eficiencias cuánticas de estos análogos de bases los hacen muy brillantes, y, en combinación con sus buenas propiedades de análogos de bases (dejando la estructura y estabilidad del ADN casi sin perturbaciones), los hacen especialmente útiles en mediciones de anisotropía fluorescente y FRET, áreas donde otros análogos de bases fluorescentes son menos precisos. Además, en la misma familia de análogos de citosinas, se ha desarrollado un análogo de base que funciona como aceptor FRET, el tCnitro. Funcionando en conjunción con tCO como donor FRET, este par de análogos constituyen el primer par aceptor-donor FRET de análogos de bases desarrollados. La familia tC ha sido utilizada, por ejemplo, en estudios relacionados con los mecanismos de unión de la polimerasa de ADN y el proceso de polimerización de este ácido nucleico.
Bases naturales no canónicas En las células existen varias bases no canónicas: por ejemplo las islas de CpG en el ADN (las cuales a menudo se encuentran metiladas), todos los ARNm eucarióticos poseen un capuchón de 7-metil-guanosina, y varias bases de los ARNr se encuentran también metiladas. Muy a menudo los ARNt presentan profusas modificaciones postraduccionales tendientes a mejorar sus propiedades conformacionales o capacidad de apareamiento de bases, en particular en la región cercana o sobre el anticodón: la inosina por ejemplo puede formar apareamientos con citosina, uracilo e incluso con adenina, mientras que la tiouridina (la cual aparea con adenina) es mucho más específica que el uracilo. Otras modificaciones comunes en las bases del ARNt forman la pseudouridina (la cual recibe su nombre del particular bucle TΨC), dihidrouridina (la cual no puede apilarse ya que no es aromática), queuosina, wyosina, y demás. No obstante todas estas bases son producto de modificaciones postraduccionales de bases normales y no son colocadas por una polimerasa.
Apareamiento de bases