Direccionalidade (bioloxía molecular)

En bioloxía molecular e bioquímica, a direccionalidade é a orientación química con respecto aos extremos dunha cadea de ácido nucleico. Os dous extremos dunha cadea de ácido nucleico denomínanse extremo 5 prima (5') e extremo 3 prima (3'). A convención química para numerar os átomos de carbono nun anel de furanosa dun nucleótido é utilizar "primas" cos números (e nas bases nitroxenadas números sen "primas"), polo que se fala de carbono 1' (un prima), 2' (2 prima), 3', 4' e 5'. Como os nucleótidos se unen uns a outros polos substituíntes unidos aos seus átomos 5' (onde está o fosfato) e 3' (onde hai un OH), os ácidos nucleicos teñen extremos 5' (onde está o fosfato terminal libre) e 3' (onde está o OH terminal libre). As posicións relativas das estruturas situadas ao longo da cadea do ácido nucleico, como os xenes e diversos sitios de unión de proteínas, xeralmente se di que están en dirección ao extremo 5' (o que se chama augas arriba ou upstream) ou en dirección ao extremo 3' (o que se chama augas abaixo ou downstream).

Esta convención é importante porque os ácidos nucleicos só se poden sintetizar in vivo en dirección 5'-3', porque a polimerase utilizada para sintetizar as novas cadeas une os novos nucleótidos ao extremo 3'-OH. Por convención, as secuencias de cada cadea de ADN e ARN escríbense en dirección 5'-3'.

As dúas cadeas que forman un ADN dise que son antiparalelas, porque unha vai en dirección 5'-3' e a outra na contraria.

O extremo 5 prima (5') é o extremo dunha cadea de ARN ou de ADN no que está o 5º carbono do azucre (ribosa ou desoxirribosa, respectivamente) co fosfato libre. O fosfato do carbono 5' podería unirse ao grupo 3'-OH doutro nucleótido formando un enlace fosfodiéster. A eliminación do 5'-fosfato impide o enlace. Para impedir ligazóns de ácidos nucleicos non desexadas (por exemplo, a autoligazón dun plásmido usado como vector na clonación do ADN), os investigadores xeralmente eliminan o grupo 5'-fosfato cunha fosfatase.

O extremo 5' dun ARNm nacente é o sitio onde se coloca a "carapucha" (capping) despois da transcrición, un proceso que é vital para a maduración do ARNm. Esta modificación incrementa a estabilidade do ARN durante o seu traslado ao citoplasma. Consiste na unión dun nucleótido metilado, a metilguanosina no extremo 5' do ARN por medio dun enlace pouco habitual 5'-5'-trifosfato.

Na rexión que flanquea a un xene no extremo 5' hai secuencias que non se transcriben a ARN. Esa rexión situada en dirección 5' contén o promotor do xene, e pode tamén conter amplificadores (enhancers) ou sitios de unión de proteínas.

A rexión 5' UTR (Untranslated Region, Rexión Non Traducida) é a rexión inicial dun xene no seu extremo 5' que se transcribe a ARNm, pero que non se traduce a proteínas no ribosoma. A ela únese a carapucha 5' durante a maduración do ARNm. Acaba no codón de inicio da síntese proteica AUG. Aínda que non se traduza, esta rexión ten secuencias, como o sitio de unión ao ribosoma e a secuencia Kozak, que determinan a eficiencia da tradución do ARNm, ou afectan á estabilidade do ARNm.

O extremo 3 prima (3') dunha cadea de ácido nucleico é o extremo que contén o grupo 3'-OH (hidroxilo) terminal no 3º carbono do azucre. O extremo 3'-OH é necesario para a síntese de novas moléculas de ácido nucleico, xa que se engaden a el nucleótidos, que se enlazan polo fosfato do extremo 5' destes, orixinando un enlace fosfodiéster, que alonga a cadea.

Os biólogos poden utilizar nucleótidos que carecen do grupo 3'-OH (chamados didesoxirribonucleótidos) para interromper a replicación do ADN. Esta técnica coñécese como o método de terminación da cadea didesoxi ou método de Sanger, e utilízase na secuenciación do ADN.

O extremo 3' dun ARNm nacente é o sitio onde se produce a poliadenilación postranscricional, na cal se engade unha cola de 50 a 250 residuos de adenosina durante a maduración do ARNm eucariótico. Esta cadea axuda a determinar a duración da vida do ARN na célula, o que afecta á cantidade de proteína que se traduce a partir del.

A rexión que flanquea ao xene en dirección 3' non se traduce. Antes pensábase que esta rexión non se transcribía en absoluto, pero descubriuse que se transcribe a ARN pero rapidamente se elimina durante o procesamento do transcrito primario para formar o ARNm maduro. Esta rexión a miúdo contén secuencias que afectan á formación final do extremo 3' e pode conter amplificadores (enhancers) e sitios de unión de proteínas.

A rexión 3' UTR situada inmediatamente despois do xene é unha rexión que é transcrita a ARNm pero que non se traduce a proteína no ribosoma. É a zona situada entre o codón de terminación e a cola poli(A). A rexión 3'-UTR pode afectar á eficiencia da tradución do ARNm ou á estabilidade do ARNm. Tamén ten secuencias necesarias para a adición da cola poli(A) durante a maduración do ARNm, como o hexanucleótido AAUAAA.

Outra forma de indicar direccionalidade nos ácidos nucleicos con respecto aos seus extremos é utilizar as expresións "augas arriba" (en inglés upstream) e "augas abaixo" (en inglés downstream).

Augas arriba quere dicir en dirección ao extremo 5' (é dicir, movéndonos de 3' a 5'). Por exemplo, o promotor dun xene está situado augas arriba. O termo procede da comparación cun río, xa que se considera por convención que os ácidos nucleicos empezan ("nacen") no extremo 5', polo que ese sería o nacemento do río e ir nesa dirección denominouse ir upstream, augas arriba, corrente arriba, río arriba ou contracorrente.

Augas abaixo quere dicir en dirección 3' (é dicir, movéndonos de 5' a 3'), cara ao final da cadea do ácido nucleico (a desembocadura do río). Por esa razón esta dirección denominouse downstream, augas abaixo, corrente abaixo, río abaixo ou a favor da corrente. Por exemplo a cola poli(A) nun ARNm maduro está augas abaixo.

Como as dúas cadeas do ADN son antiparalelas, se nunha delas o extremo 5' está á esquerda, moverse á esquerda por ela sería ir augas arriba (upstream). Pero na cadea complementaria, ao ser antiparalela, tería o extremo 5' á dereita, polo que nela ir augas arriba sería ir cara á dereita.

Na transdución de sinais nas que se producen fervenzas de reaccións tamén se utilizan os termos augas arriba (upstream) e augas abaixo (downstream) para ordenar os sucesivos eventos e reaccións e indicar se teñen lugar ao principio (upstream) da fervenza ou ao final (downstream).

Non ten nada que ver a direccionalidade con respecto aos extremos 3' e 5' co sentido e antisentido das cadeas de ADN en cada xene, que se refiren a cal das cadeas é a que leva a mensaxe xenética e cal se transcribe, xa que son complementarias en bases, pero só unha delas se transcribe. A cadea antisentido é a que se transcribe, polo que non é igual senón complementaria en bases ao ARN transcrito. A cadea sentido non se transcribe pero é idéntica ao ARN transcrito (pero con T en vez de U).

• Harvey Lodish, Arnold Berk, Paul Matsudaira and Chris A. Kaiser (2004). Molecular Cell Biology (5th ed.). New York: W.H. Freeman and Company. ISBN 0-7167-4366-3. 

• A Molecular Biology Glossary