Una pregunta extremadamente interesante, y aunque no soy un experto, me gustaría presentar algunos aspectos basados en lo que he leído y explorado. Estructuraré esta respuesta en las siguientes secciones y subsecciones:
. . . 1. Concepto y visualización
. . . . . . 1.1 Análisis simplificado
. . . . . . 1.2 Ejemplos estructurales
. . . 2. Descripción matemática
. . . . . . 2.1 Extensión de longitud
. . . . . . 2.2 Desenrollado helicoidal
. . . . . . 2.3 Orientación farmacológica
. . . . . . 2.4 Cinética de unión
. . . 3. Interacciones químicas
Espero que resulte instructivo.
1. Concepto y visualización
¿Hay alguna manera de rastrear muchos genes sin luciferasa?
La intercalación se refiere a la inserción de moléculas en la estructura helicoidal del ADN, distorsionando así su estructura. Antes de seguir adelante, intentemos visualizar los cambios que se producen, tanto mediante un análisis simplista como ejemplos estructurales reales.
1.1 Análisis simplificado
Aquí hay un esquema para representar una molécula de ADN nativa: 
En este diagrama, las líneas de color representan las bases, mientras que la columna vertebral se describe mediante líneas negras interrumpidas por grupos de fosfato. Ahora ingrese el intercalador, representado por una delgada molécula marrón. Cuando se desliza en la estructura, la estructura se alarga para encajarla como se muestra en el siguiente esquema: 
Además de la elongación, la estructura helicoidal del ADN también se desenrolla con la inserción de intercaladores, y un esquema de la vista superior antes y después de la intercalación se puede representar de la siguiente manera: 
donde las bases y los intercaladores están representados por rectángulos del color apropiado. Aquí, el ángulo de torsión típico de 36 grados entre las bases tal como se encuentra en el ADN B se reduce en 24 grados debido al desenrollamiento causado por la intercalación.
La estructura tridimensional de los componentes estructurales (bases, columna vertebral e intercalador) significa que una representación planar se está perdiendo de algunos detalles. Especialmente si el intercalador es voluminoso, podría tomar una orientación particular con respecto al eje helicoidal y también distorsionar la orientación de otros componentes como se ilustra por este esquema exagerado:
1.2 Ejemplos estructurales
Si bien los esquemas anteriores podrían ayudar, aquí hay una estructura de ADN después de la intercalación por etidio (reproducido de Tsai et al., 1975):
Aquí hay otra estructura que representa la intercalación de adriamicina (reproducida de Frederick et al., 1990):
Antes de pasar a los modelos desarrollados para comprender estos comportamientos, aquí hay algunas estructuras químicas que se han observado para intercalar con el ADN (tomado de Bloomfield et al., 2000): 
2. Descripción matemática
Después de esa visualización simplista del fenómeno, veamos cómo se pueden describir estos eventos en términos matemáticos. Consideraremos los cambios estructurales (alargamiento, desenrollado y orientación del intercalador) y los factores cinéticos por separado.
2.1 Extensión de longitud
Un conjunto extenso de experimentos (Cohen y Eisenberg, 1969) dio lugar a la siguiente ecuación para el cambio de longitud en la intercalación:
[math] \ frac {L} {L_ {0}} = (\ frac {[\ eta] f (p) _ {0}} {[\ eta] _ {0} f (p)}) ^ {1 / 3} \ approx (\ frac {[\ eta]} {[\ eta] _ {0}}) ^ {1/3} = 1 + \ nu [/ math]
donde [math] L_ {0} [/ math] es la longitud del ADN no complejado, [math] L [/ math] es la longitud del complejo DNA-ligando, [math] [\ eta] _ {0} [/ math] y [math] [\ eta] [/ math] son las viscosidades intrínsecas del DNA libre y complejado respectivamente, [math] f (p) _ {0} [/ math] y [math] f (p) [/ math] son funciones de la relación axial [math] p [/ math] del DNA libre y complejado respectivamente y [math] \ nu [/ math] son los moles del ligando intercalante unidos por mol de pares de bases de ADN.
Las observaciones y predicciones concluyeron que el aumento en la longitud fue del orden de 1 brecha de par de bases para la mayoría de los casos. La fórmula anterior típicamente sobre-predijo la extensión y esto fue hipotetizado por efectos de flexión y torsion inducidos también por intercalación (Gabbay et al., 1973).
2.2 Desenrollado helicoidal
Se observó que diferentes concentraciones de ligandos unidos inducían el desenrollamiento en diferentes grados. Incluso fue factible transformar una hélice derecha en una zurda, ¡aunque con una estructura interna modificada! Aquí se muestra un esquema para representar esto (adaptado de Wilson y Jones, 1982): 
Las observaciones experimentales permitieron a los investigadores formular un modelo para predecir el grado de desenrollado, que fue:
[math] \ phi_ {k} \ nu_ {k} = \ phi \ nu [/ math]
donde [math] \ phi_ {k} [/ math] y [math] \ phi [/ math] se refieren a los ángulos de desenrollado para un ligando conocido y desconocido, respectivamente, mientras [math] \ nu_ {k} [/ math] y [ math] \ nu [/ math] son las cantidades de ligando unidas por par de bases para eliminar la torsión helicoidal por completo para los mismos ligandos conocidos y desconocidos, respectivamente. Además, el parámetro [math] \ nu [/ math] podría a su vez estar relacionado con las concentraciones de ligando y ácido nucleico.
2.3 Orientación del ligando
Los estudios de dicroismo lineal se han utilizado para estimar el ángulo de orientación de los ligandos intercalados con respecto al eje helicoidal. La fórmula general (Norden et al., 1992) es:
[matemática] LD = \ frac {3} {2} (3cos ^ {2} \ alpha -1) [/ math]
donde [matemáticas] LD [/ math] es el resultado obtenido de dichos experimentos y [math] \ alpha [/ math] es el ángulo de orientación de interés. Sin embargo, se ha demostrado que estos métodos adolecen de incertidumbres bastante grandes.
Las técnicas de dicroísmo circular también se han empleado para determinar la estructura del complejo unido (Lyng et al., 1992). Si bien los espectros calculados parecen estar de acuerdo cualitativamente con los resultados experimentales, el emparejamiento cuantitativo está lejos de ser perfecto.
2.4 Cinética de unión
Existe una amplia variación en la cinética de unión e intercalación entre diferentes moléculas. El primer modelo propuesto (Li y Crothers, 1969) sugirió el esquema cinético que se muestra a continuación: 
sugiriendo que el ligando intercalante (aquí referido como P ) pasa a través de un estado límite externo transitorio. Ellos postularon que este primer paso fue equivalente a la unión de surcos (el otro mecanismo principal por el cual las moléculas interactúan con el ADN) y que el segundo paso condujo a la intercalación.
Si bien este modelo parece satisfactorio para muchos ligandos, una clase particular de moléculas se comportan de una manera diferente (Wakelin y Waring, 1980). Se cree que estas moléculas se intercalan mediante la transferencia de un sitio de unión de ADN a otro y la cinética de dicho proceso se complica aún más por la variación en las características del sitio.
3. Interacciones químicas
Esto está muy bien, pero la pregunta más importante es: dada la Molécula X, ¿se intercala con una hélice de ADN que posee la Secuencia Y? ¿Estamos en condiciones de responder esto definitivamente? Parece haber mucha investigación en el frente experimental, pero falta el análisis teórico de los resultados obtenidos. Sin embargo, hay algunos factores generales y reglas, tanto cuantitativas como cualitativas, que se han propuesto para hacer una estimación aproximada de si ocurrirá la intercalación o no. Éstos son algunos de ellos:
- Estructura clásica : los compuestos planar, aromáticos y cíclicos son los ligandos intercalados más comunes. Estos compuestos pueden caber en la estructura helicoidal del ADN sin alterar los enlaces H y alinearse de forma tal que el plano de los anillos sea paralelo al de los anillos aromáticos presentes en las bases.
- Ventaja catiónica (Record Jr et al., 1978) – Los intercaladores típicos tienen anillos fusionados con átomos de nitrógeno protonados o cadenas laterales cargadas positivamente . Esto se debe a que las moléculas que tienen una carga positiva neta desplazan al sodio o iones similares que típicamente estabilizan la estructura del ADN. Por lo tanto, esta contribución entrópica favorece la intercalación.
- Interacciones orbitales de frontera (Patterson et al., 1997) – Los estudios de la teoría orbital molecular sugieren que la interacción entre el LUMO del intercalador y el HOMO de las bases de purina adyacentes estabiliza el complejo ADN-intercalador
- Parámetro de apilamiento : Hardebeck et al., 2013 han creado un parámetro de apilamiento de arene-arene [math] \ Pi ^ {\ pi} [/ math] definido como:
[math] \ Pi ^ {\ pi} = \ frac {E_ {disp, \ chi}} {E_ {ele, \ chi}} – \ frac {E_ {disp, H}} {E_ {ele, H}} [/mates]
donde [math] E_ {disp, i} [/ math] y [math] E_ {ele, i} [/ math] son las contribuciones de dispersión y energía electrostática para el sustituto [math] i [/ math] en el anillo de benceno . Sus resultados muestran una buena correlación entre este parámetro y el cambio en las temperaturas de fusión tras la intercalación.
- Enhebrado de intercalación (Tanious et al., 1991) – La presencia de dos sustituyentes catiónicos que permiten la unión en los surcos menor y mayor aumenta la fuerza de intercalación.
- Unión de surco y dependencia de secuencia (Strekowski y Wilson, 2007) – Las moléculas que típicamente se asocian con ADN mediante unión de surco son sistemas no fusionados con grupos terminales básicos. Pero para ciertas secuencias de ADN, estas pueden pasar a la unión de intercalación, de acuerdo con el modelo cinético presentado anteriormente.
- Estereoselectividad (Strekowski et al., 1992) – La magnitud y dirección de la polaridad del anillo aromático afecta en gran medida la fuerza de unión.
- Modelos de acoplamiento de ADN (Snyder et al., 2004) – La intercalación se hace factible mediante una combinación de fuerzas de enlace en H y de van der Waals después del acoplamiento del agente intercalante en un dinucleótido. El enlace H parece ser el facilitador más fuerte y puede tener lugar entre ningún filamento, un filamento o ambos filamentos. Las moléculas planas se intercalan fácilmente, pero la distorsión por toxicidad solo ocurre cuando las interacciones electrostáticas son fuertes ya que se espera que el tiempo de residencia aumente.
- Múltiples modos de enlace : algunos ligandos tienen múltiples grupos funcionales para la unión. Estos podrían ser cooperativos o competitivos y también serían específicos de secuencia de ADN. La orientación en el espacio de estos grupos podría determinar en gran medida la eficacia de la unión.
- Consideraciones específicas : la presencia de grupos amino favorece la intercalación, mientras que la de los grupos alquilo no suele ser así. En general, los sustituyentes que donan electrones y tienen la posibilidad de formar enlaces H probablemente sean intercaladores efectivos.
Entonces, ¿qué sacamos de aquí? En mi opinión, nuestra comprensión de las fuerzas moleculares en juego en estos sistemas sigue siendo demasiado rudimentaria para formular criterios generales para la intercalación . Se ha encontrado que las diferentes secuencias de ADN muestran un comportamiento diferente hacia el mismo ligando . Se espera que factores estructurales como el tamaño y la forma, la simetría, el momento dipolar, la orientación , etc. jueguen un papel. Esto se complica aún más por el hecho de que también se ha demostrado que los intercaladores están asociados con la inhibición de las topoisomerasas, por lo que podría existir una capa adicional de complejidad (en forma del complejo ADN-ligando-topoisomerasa) encima de esta. Entonces todavía hay mucho progreso por hacer …
Espero que esto haya sido útil e interesante y mis disculpas por no ser más específico. Las referencias pueden ser útiles si interesa el potencial de intercalación de moléculas específicas hacia secuencias de ADN locales específicas.
Cualquier comentario y pensamiento son muy apreciados. Gracias por leer.
