ÁCIDOS NUCLEICOS
Los ácidos nucleicos son moléculas formadas por C, H, O, N, y P. Al igual que los polisacáridos y las proteínas, los ácidos nucleicos son polímeros, pero en este caso, sus monómeros se denominan nucleótidos. Los dos tipos de ácidos nucleicos son el ADN (ácido desoxirribonucleico) y el ARN (ácido ribonucleico), donde los nucleótidos se denominan desoxirribonucleótidos y ribonucleótidos, respectivamente.
El ADN se encuentra en el núcleo de las células eucariontes, y libre en las procariontes, ya que carecen de núcleo. Es la molécula encargada de almacenar la información genética que determina las características de un individuo, y de transmitirla de generación en generación. Las características de un ser vivo, tanto las más visibles (color de ojos, de pelo, altura, etc.) como las bioquímicas (que solamente se pueden determinar mediante análisis de laboratorio) dependen de la información genética.
En cuanto al ARN, existen tres tipos: el mensajero, el ribosomal y el de
transferencia, y su función es participar en la síntesis de proteínas que se lleva a cabo en los ribosomas, en el citoplasma de la célula.
En este capítulo se desarrollará la estructura química de los ácidos nucleicos, ya que la función y los procesos en los que participan se verá en el capítulo de “síntesis de proteínas”.
1. ADN Y ARN: ESTRUCTURA Y DIFERENCIAS.
Tanto el ADN como el ARN son polímeros de nucleótidos, sin embargo, la primera diferencia es que el ADN está formado por dos cadenas y el ARN por una sola.
Químicamente, ambos polímeros difieren en los monómeros (nucleótidos) que forman la cadena; por lo cual, analizaremos estas unidades.
Un nucleótido de ADN o de ARN, es una molécula formada por una pentosa (un azúcar de cinco carbonos), un grupo fosfato y una base nitrogenada (una molécula con forma anillada) tal como se ilustra en la figura siguiente.
Figura 1. Esquema simplificado de un nucléotido de ADN o ARN
Esta estructura básica corresponde a cualquier nucleótido. Ahora, veremos la diferencia entre los nucleótidos del ADN y los del ARN.
1) En los nucleótidos de ADN, el azúcar es una desoxirribosa; y en el ARN, una ribosa.
Figura 2. Ribosa y desoxirribosa. La diferencia entre ambas pentosas es que la primera contiene un átomo de oxígeno en el carbono dos; en cambio, la segunda, posee un
oxígeno en el mismo carbono (formando un oxhidrilo).
Por esa diferencia, los nucleótidos del ARN se denominan ribonucleótidos, y los del ADN, desoxirribonucleótidos.
2) La segunda diferencia entre los nucléotidos de ADN y ARN está en una de las bases nitrogenadas. Existen cinco tipos de bases nitrogenadas que se clasifican en dos grupos.
El primer grupo es el de las bases púricas (formadas por dos anillos) que comprenden la adenina (A) y la guanina (G). El segundo grupo es el de las bases pirimídicas, integrado por la timina (T), la citosina (C) y el uracilo (U).
El ADN contiene nucleótidos con adenina, guanina, citosina y timina; mientas que los de ARN tienen adenina, guanina, citosina y uracilo.
Figura 3. Bases nitrogenadas. Arriba:
adenina y guanina.
Abajo: timina, uracilo
y citosina
1.1 Uniones entre nucleótidos.
2. LA DOBLE HEBRA DEL ADN
Figura 4. Como se observa en la figura de la derecha, los
nucleótidos forman polímeros uniéndose entre sí a través de sus grupos fosfato de la siguiente manera: el fosfato del carbono 5 del azúcar de un nucleótido se une al oxígeno del carbono 3 de la ribosa de otro nucleótido. El enlace covalente entre el fosfato y ambas pentosas se llama unión fosfodiéster.
Los carbonos de los extremos de la cadena (un carbono 5 y un carbono 3) ya no se unen a otro nucleótido. Por eso se dice que cada cadena tiene un extremo 3' y un extremo 5'.
Figura 5. Finalmente, en el ADN, ambas hebras se unen entre sí a través de sus bases nitrogenadas mediante enlaces puente de
hidrógeno. Estas uniones entre las bases nitrogenadas no son al azar:
siempre se une una adenina con una timina mediante dos enlaces puente hidrógeno; y una citosina con una guanina mediante tres enlaces. Esto significa que las bases adenina-timina y citosina-guanina, son
complementarias entre sí debido a que su estructura química permite formar dichos enlaces.
Por otra parte, las dos cadenas unidas no son paralelas entre sí, sino
antiparalelas; ya que una corre en
sentido 3'-5', y la otra en sentido 5'-3'.
La estructura espacial del ADN es similar a una doble hélice o a una escalera de caracol, donde los pasamanos corresponderían a los azúcares unidos a los grupos fosfato, y los peldaños a las bases complementarias unidas entre sí.
Esta representación se conoce como "modelo de Watson y Crick", ya que estos fueron los investigadores que lo elaboraron en la década de 1950.
La figura siguiente ilustra este modelo. A la derecha se muestra una forma más simplificada de representar la molécula.
Figura 6. Dos maneras de representar el ADN
Podemos resumir entonces las características del ADN diciendo que es una doble hélice cuyas cadenas son complementarias (a través de las bases nitrogenadas) y antiparalelas.
3. ARN
Las uniones entre los nucléotidos del ARN son iguales a las del ARN, solo que en este forman una sola cadena que contiene uracilo en lugar de timina.
Si bien el ARN es una sola hebra, puede haber apareamiento entre algunas de sus bases y formar sectores de doble cadena. La complementariedad de bases es igual a la del ADN, solo que la adenina se une con el uracilo. Esto se observa en los ARNs ribosomales y de transferencia.
Los distintos ARNs (mensajero, de transferencia y ribosomal) difieren en su función, pero químicamente son iguales (en el sentido que son cadenas de nucleótidos de
adenina, guanina, citosina y uracilo) y se diferenciarán en la secuencia de bases que forman la cadena: un ARN puede tener una secuencia 5’-AACCUCCUA-3’ y otro ser 5’- AAAAAUUCCCGGCGGC -3’ (esto mismo también vale para las cadenas de dos moléculas de ADN distintas).
Una aclaración es que en al ARN de transferencia hay algunas bases modificadas, que son derivados de estas. Exceptuando esta salvedad, la diferencia entre los ARNs está por su secuencia de bases, que lógicamente, determinará su función.
Figura 8. Dos moléculas de ARN. Un ARN mensajero (arriba) y uno de
transferencia abajo). Ambos son lineales, pero el ARN de transferencia presenta uniones entre sus bases nitrogenadas
4. NUCLEÓTIDOS: NOMENCLATURA Y FUNCIÓN
Como se indicó previamente, los nucleótidos son monosacáridos unidos a un grupo fosfato y a una base nitrogenada. Los nucléotidos que forman la cadena de ADN o ARN contienen un solo fosfato, pero cuando están libres, pueden tener más de uno.
Si el nucleótido libre presenta una adenina y un fosfato, se llamará adenosín mono fosfato (AMP). Si presenta dos fosfatos, será un adenosín di fosfato (ADP); y con tres fosfatos, adenosín tri fosfato (ATP).
Para todos los nucleótidos se emplea la misma nomenclatura, ya que lo único que varía es el nombre de la base. Por ejemplo, si esta es guanina, el nucléotido se llamará guanosin mono, di o tri fosfato (GMP, GDP y GTP). Si es timidina, será timidin mono, di o tri fosfato; y así sucesivamente.
Los nucleótidos pueden ser de ribosa o de desoxirribosa. La nomenclatura difiere en que en el segundo caso, se antepone una “d”: Si tiene ribosa es ATP, y si tiene desoxirribosa es dATP (lo mismo para cualquier nucleótido)
Figura 7. Nucleótido trifosfato.
Los nucleótidos que vimos hasta el momento cumplen básicamente dos funciones:
-La primera, como ya dijimos, es polimerizarse para formar los ácidos nucleicos.
-La segunda, es transportar energía dentro de la célula y suministrarla donde se la requiera. Esto es porque las uniones entre los fosfatos del nucleótido libre presentan elevada energía química, y cuando se hidrolizan, la liberan. Esta es la energía que las células utilizan para sintetizar moléculas orgánicas, desplazarse, o realizar cualquier función que requiera energía. La energía es suministrada principalmente por el ATP, y en algunos procesos, por el GTP.
Este concepto será ampliado en el tema “Metabolismo”
5. OTROS NUCLEÓTIDOS.
Además de los nucleótidos ya mencionados, señalaremos otros que se verán en capítulos posteriores (enzimas, respiración, fotosíntesis). Uno es el dinucleótido de adenina y nicotinamida (NAD), y otro es el dinucleótido de flavina y adenina (FAD). El primero es una molécula formada por dos nucléotidos, de los cuales uno tiene adenina como base nitrogenada, y el otro nicotinamida (una base que no se encuentra en los
ácidos nucleicos. El FAD es similar, sólo que las bases de los nucleótidos son adenina y flavina.
COMPLEJOS MACROMOLECULARES
Hasta el momento, en general, hemos visto la estructura química de los cuatro tipos de biomoléculas por separado. No obstante, los distintos tipos de moléculas pueden unirse entre sí, a veces por uniones covalente, y otras no; formando estructuras más complejas:
Glucoproteínas
Son macromoléculas formadas por una proteína unida a un oligosacárido, por unión covalente. El proceso de agregado de hidratos de carbono a una molécula, se denomina glicosilación.
Glucolípidos
De manera similar a las glucoproteínas, los glucolípidos son moléculas formadas por lípidos unidos a hidratos de carbono mediante uniones covalentes.
Lipoproteínas
Son complejos formados por lípidos y proteínas. Estos complejos transportan lípidos por la sangre hacia las células de un órgano a otro. Como ejemplo podemos citar a las lipoproteínas LDL y HDL que transportan colesterol. Si bien el colesterol es más bien conocido porque su exceso aumenta el riesgo de trastornos cardíacos, es un lípido que forma parte de las membranas de las células animales (no vegetales) y que también es utilizado por algunas células como precursor para fabricar otras moléculas del grupo de los esteroides.
El colesterol se obtiene con la dieta y también se fabrica en las células del hígado, que las exporta dentro de lipoproteínas LDL (también llamadas de “baja densidad”). Estas lipoproteínas LDL viajan por la sangre y llegan a las células del cuerpo, a las que ingresan. De esta forma, las células incorporan estas partículas, y con ellas, el colesterol necesario para sus funciones.
Ribosomas
Los ribosomas son estructuras citoplasmáticas no rodeadas por membrana, donde se produce la síntesis de proteínas, tanto en células eucariontes como en procariontes. En las eucariontes, pueden estar libres en el citoplasma o unidos al retículo endoplasmático rugoso.
Estas estructuras presentan dos subunidades, una mayor y otra menor, que a su vez, están formadas varias cadenas polipeptídicas y moléculas de ARN ribosomal ensambladas entre sí.
Las proteínas y los ribosomas no están unidos entre sí mediante uniones covalentes, sino que se encuentran asociados, por lo que son macromoléculas sino complejos de macromoléculas.
Los ribosomas eucariontes y procariontes difieren en el tamaño (los segundos son más pequeños) y en la cantidad y tipo de ARN y proteínas.
A las subunidades y a los ARN ribosomales se los identifica con la sigla “S”. La sigla
“S” es una unidad de medida (Svedberg) que representa la velocidad con la que
sedimentan cuando son centrifugados. Por ejemplo, la subunidad menor de un ribosoma eucarionte es 40S y la mayor, 60S (la subunidad 60S migra a mayor velocidad por acción de una fuerza centrífuga). El ribosoma completo forma la unidad 80S. Como vemos, los números 40 y 60 no se suman en el ribosoma completo, puesto que no representan el peso de las subunidades.
Los ARN de transferencia también se miden de esta manera. Por ejemplo, el ribosoma eucarionte está formado por cuatro ARNs de este tipo. Los de la subunidad mayor son 5S, 5,8S y 28S; y en la menor, uno 18S
