Acido nucleicos
Los ácidos nucleicos son grandes polímeros formados por la repetición de monómeros denominados nucleótidos, unidos mediante enlaces fosfodiéster. Se forman, así, largas cadenas;
algunas moléculas de ácidos nucleicos llegan a alcanzar tamaños gigantescos, con millones de nucleótidos encadenados. Los ácidos nucleicos almacenan la información genética de los organismos vivos y son los responsables de la transmisión hereditaria. Existen dos tipos básicos, el ADN y el ARN.
El descubrimiento de los ácidos nucleicos se debe a Friedrich Miescher, quien en el año 1869 aisló de los núcleos de las células una sustancia ácida a la que llamó nucleína, nombre que posteriormente se cambió a ácido nucleico. Posteriormente, en 1953, James Watson y Francis Crick descubrieron la estructura del ADN, empleando la técnica de difracción de rayos X.
Tipos de ácidos nucleicos
Existen dos tipos de ácidos nucleicos: ADN (ácido desoxirribonucleico) y ARN (ácido ribonucleico), que se diferencian:
Por el glúcido (la pentosa es diferente en cada uno; ribosa en el ARN y desoxirribosa en el ADN);
Por las bases nitrogenadas: adenina, guanina, citosina y timina, en el ADN; adenina, guanina, citosina y uracilo, en el ARN;
En la inmensa mayoría de organismos, el ADN es bicatenario (dos cadenas unidas formando una doble hélice), mientras que el ARN es monocatenario (una sola cadena), aunque puede presentarse en forma extendida, como el ARNm, o en forma plegada, como el ARNt y el ARNr.
En la masa molecular: la del ADN es generalmente mayor que la del ARN
Nucleosidos y nucleótidos
Las unidades que forman los ácidos nucleicos son los nucleótidos. Cada nucleótido es una molécula compuesta por la unión de tres unidades: un monosacárido de cinco carbonos (una pentosa, ribosa en el ARN y desoxirribosa en el ADN), una base nitrogenada purínica (adenina, guanina) o pirimidínica (citosina, timina o uracilo) y un grupo fosfato (ácido fosfórico). Tanto la base nitrogenada como los grupos fosfato están unidos a la pentosa.
La unidad formada por el enlace de la pentosa y de la base nitrogenada se denomina nucleósido.
El conjunto formado por un nucleósido y uno o varios grupos fosfato unidos al carbono 5' de la pentosa recibe el nombre de nucleótido. Se denomina nucleótido-monofosfato (como el AMP) cuando hay un solo grupo fosfato, nucleótido-difosfato (como el ADP) si lleva dos y nucleótido- trifosfato (como el ATP) si lleva tres.
Bases nitrogenadas
Las bases nitrogenadas conocidas son:
Adenina, presente en ADN y ARN
Guanina, presente en ADN y ARN
Citosina, presente en ADN y ARN
Timina, presente exclusivamente en el ADN
Uracilo, presente exclusivamente en el ARN
ADN
De igual forma que las proteínas, el ADN posee diferentes niveles de complejidad estructural.
Presenta fundamentalmente estructura primaria y secundaria, aunque asociada o no proteínas nucleares adopta estructuras superenrolladas o empaquetadas que equivaldrían a una estructura terciaria.
Estructura primaria
Es la secuencia de nucleótidos, de estructura y dimensiones conocidas, unidos por enlaces fosfodiéster. Los enlaces fosfodiéster se establecen entre el radical fosfato situado en el carbono 5' de un nucleótido y el radical hidroxilo (-OH) del carbono 3' del siguiente nucleótido (enlaces 5'-3').
Una cadena de ADN presenta dos extremos libres: e unido al grupo fosfato, y el 3', unido a un hidroxilo.
Cada cadena se diferencia de otra por su tamaño, su composición y por su secuencia de bases, que indica el orden en que A, T, C y G se sitúan en la cadena de ADN Cuando se representa una cadena de ADN normalmente solo se indica la secuencia de desoxirribonucleótidos de manera abreviada. Así, la desoxiadenosín-5' monofosfato (AMP) se abreviaría simplemente con la inicial de la base que contiene: A
Estructura secundaria
- Las dos cadenas están enrolladas en espiral formando una doble hélice alrededor de un eje imaginario.
- Las bases nitrogenadas quedan en el interior de la doble hélice, mientras que los esqueletos pentosa-fosfato se sitúan en la parte externa. De esta forma, las cargas negativas de los grupos fosfato se unen a las cargas positivas de cationes o de otras moléculas presentes en el medio, estabilizando la estructura.
- Los planos de las bases nitrogenadas enfrentadas son paralelos entre sí y perpendiculares al eje de la hélice.
- El enrollamiento de la doble hélice es plectonémico, es decir, las cadenas no se pueden separar sin desenrollarlas.
- La doble hélice es dextrógira: el enrollamiento gira en el sentido de las agujas del reloj.
- La anchura de la hélice es de 2 nm, la longitud de cada vuelta es de 3,4 nm y cada 0,34 nm se encuentra un par de bases complementarias. Puede deducirse, por tanto, que existen 10 pares de nucleótidos por cada vuelta.
Esquemas de la doble hélice de ADN.
La molécula de ADN es muy estable en condiciones fisiológicas normales, debido a los numerosos enlaces de hidrógeno entre las bases nitrogenadas ya las interacciones hidrofóbicas entre los anillos aromáticos y los radicales -CH3 de las bases nitrogenadas. Sin embargo, la estructura en doble hélice del ADN se puede perder, separándose las dos hebras, cuando se alteran las condiciones de pH (se incrementa por encima de 13) o se calienta a temperaturas en torno a los
100 °C. Luego uno de los agentes físicos que puede producir la separación de las dos hebras de la doble hélice de ADN es la temperatura.
Al fenómeno de separación de las dos hebras de la doble hélice de ADN se denomina desnaturalización.
Los enlaces que se ven afectados y cuya rotura por agentes físicos provoca la separación de las dos hebras de la doble hélice de ADN son, fundamentalmente, los enlaces de hidrógeno que existen entre las bases nitrogenadas: dos enlaces de hidrógeno entre la adenina y la timina, y tres entre la guanina y la citosina.
La desnaturalización del ADN es un proceso que durante varios años se consideró irreversible, pero en los años sesenta se comprobó que si las hebras complementarias se mantenían a una temperatura en torno a los 65 °C durante un periodo de tiempo prolongado, formaban una nueva hélice con total funcionalidad. La desnaturalización es, por tanto, reversible y el proceso inverso, por el que se recupera la doble hélice, se denomina renaturalización o hibridación del ADN.
Estructura terciaria o empaquetamiento.
Las moléculas de ADN tienen un carácter ácido, porque cada nucleótido proporciona una carga electronegativa que procede del grupo fosfato. Por tanto, una molécula con miles o millones de nucleótidos tendrá dos cargas negativas por cada par de bases. Todas estas cargas tienden a repelerse entre sí. En disolución, muchas de ellas se neutralizan con cationes monovalentes, como iones Na+, pero estas moléculas tienden a "esponjarse" y ocupar mucho espacio.
Para codificar toda la información que se requiere en el desarrollo de un organismo eucariótico se necesitan moléculas de ADN muy largas, lo que plantea un problema de empaquetamiento en un volumen pequeño, como lo es el núcleo celular.
En las células eucarióticas el ADN, incluso cuando se está duplicando, siempre se encuentra asociado a proteínas de carácter básico llamadas histonas, capaces de neutralizar las cargas ácidas del ADN. Al complejo de ADN y proteínas asociadas se le denomina cromatina.
Hay diferentes niveles de empaquetamiento de la cromatina a lo largo de las distintas etapas de la vida celular.
Las histonas se asocian con el ADN en un primer nivel de empaquetamiento para formar una fibra de 11 nm (110 A) llamada collar de perlas.
Si la fibra de 11 nm se digiere con una nucleasa que degrada el ADN no protegido, se liberan unas partículas: los nucleosomas.
Cada nucleosoma está formado por un núcleo con ocho moléculas de histona: dos de H2A, dos de H2B, dos de H3 y dos de H4. La cadena de ADN rodea el octámero dándole una vuelta y tres cuartos, ocupando 146 pares de nucleótidos.
En la célula en interface generalmente la cromatina se vuelve a compactar mediante la histona H1 para formar la fibra de 30 nm. La fibra de 30 nm se empaqueta, a su vez, por otras proteínas en una serie de dominios de diferente grado de plegamiento.
Hay dos tipos de cromatina funcional: la cromatina "activa" o eucromatina, que corresponde a las regiones activas con transcripción del ADN con una conformación relativamente relajada, y la cromatina más condensada o heterocromatina, que está inactiva.
En los momentos previos a la división celular, el material nuclear sufre otros empaquetamientos sucesivos que aún no se conocen muy bien hasta alcanzar la estructura de los cromosomas metafásicos, en los que el nivel de empaquetamiento es máximo y llega a una 50.000 parte de la longitud inicial.
Cada cromosoma se comporta como dos madejas de ADN, una por cada cromátida, de modo que el reparto equitativo a las células hijas se realice sin problemas.
ARN
Está formado por cadenas muy largas de nucleótidos unidos entre sí por enlaces fosfodiéster entre las posiciones 3' y 5' de los nucleótidos consecutivos.
El azúcar es la ribosa, y las bases nitrogenadas son la adenina, la guanina, la citosina y el uracilo.
La molécula se repite monótonamente, y la única variable es la posición de las distintas bases nitrogenadas en la molécula. La cadena tiene polaridad, es decir, los dos extremos de la molécula son diferentes: uno es el extremo 5'fosfato, y el otro es el extremo 3'hidroxilo. Por convenio, siempre que no se especifique la polaridad, las cadenas se escriben de 5' a 3'.
- El orden de los nucleótidos en la molécula de ARN se llama secuencia y constituye la estructura primariadel ARN. La secuencia de un ARN determina un mensaje genético.
- Las bases nitrogenadas pueden formar puentes de hidrógeno entre sí; preferentemente, adenina con uracilo, y citosina con timina. La molécula se estabiliza cuando ha formado la mayor cantidad de puentes de hidrógeno. Esto le proporciona una estructura determinada: la estructura secundaria.
- Esta estructura puede plegarse a su vez en el espacio obteniendo una configuración específica estable. Ésta es la estructura terciaria de la molécula.
Existen cuatro tipos de ARN, relacionados de una forma u otra con la expresión de la información genética contenida en el ADN. Estos tipos son el ARN mensajero, ARN ribosómico, ARN de transferencia y ARN nucleolar.
ARN mensajero (ARNm)
El ARNm es una copia de una parte del ADN (la que corresponde a cada gen o grupo de genes que vaya a expresarse) que será utilizada por los ribosomas como información para poder unir los aminoácidos en el orden adecuado y constituir una proteína concreta.
Las cadenas de ARN mensajero tienen una vida muy corta, ya que si no fueran destruidas (mediante enzimas ribonucleasas) la síntesis proteica se prolongaría indefinidamente y se originaría una superproducción de proteínas. Así, cuando se necesita sintetizar una proteína concreta, se fabrica de nuevo el ARN mensajero correspondiente.
El ARNm constituye, aproximadamente, entre el 3 y el 5 % del total del ARN celular.
ARN transferente (ARNt)
El ARNt se encarga de transportar los aminoácidos presentes en el citoplasma celular hasta los ribosomas, donde se unirán para constituir las proteínas. Cada molécula de ARNt transporta un aminoácido específico. Estas diferencias son debidas, fundamentalmente, a una secuencia de tres bases nitrogenadas, denominada anticodón, que varía entre los distintos ARNt.
Los ARNt están formados por cadenas cortas (entre 70 y 90 nucleótidos) que contienen un 10% de bases nitrogenadas diferentes a las cuatro mayoritarias, como ya se ha indicado.
Las moléculas de ARNt poseen una estructura secundaria muy característica, en la que existen tramos de doble cadena, por emparejamiento intracatenario. Estos tramos se denominan brazos y hay cuatro en cada molécula, aunque también logra aparecer un quinto brazo más corto que los otros. En los extremos de tres de los brazos existen unas zonas sin emparejar que componen los denominados bucles.
El extremo 3' de la cadena tiene siempre la secuencia de bases CCA. A este nucleótido terminal de adenina se une el aminoácido que va a ser transportado. En el extremo 5' siempre existe un nucleótido con guanina.
La estructura extendida del ARNt tiene forma de hoja de trébol, aunque en la realidad los brazos se disponen plegados, constituyendo una estructura acodada que recibe el nombre de «estructura enboomerang».
El ARNt constituye, aproximadamente, el 10 % del ARN celular total.
a) Conformación espacial de ARNt. b) Estructura desplegada en forma de “ hoja de trébol"
ARN ribosómico (ARNr)
El ARNr forma parte de los ribosomas y participa, por tanto, en el proceso de unión de los aminoácidos para sintetizar las proteínas. No constituye una molécula específica de cada organismo, pues, a diferencia del ARNm, no contiene información sobre la clase de proteína que se va a sintetizar.
Existen varias cadenas distintas de ARNr, que se diferencian por su coeficiente de sedimentación.
Las células procariotas y eucariotas tienen cadenas de ARNr ligeramente distintos.
El ARNr es el tipo más abundante, ya que corresponde al 80-85% del ARN celular total.
El ARN nucleolar (ARNn)
Se forma en el núcleo a partir de ciertos segmentos del ADN llamados organizadores nucleolares.
Se asocia a proteínas y forma el nucléolo. Después se fragmenta y da las subunidades de los ribosomas, que salen por los poros nucleares hacia el citoplasma.
LOCALIZACIÓN DE LOS ÁCIDOS NUCLEICOS.
En los eucariotas, el ADN se encuentra localizado en el núcleo formando largas moléculas lineales asociadas a proteínas básicas. Aunque la mayor parte del ADN de las células eucariotas está confinada en el núcleo, en las mitocondrias y en los cloroplastos también hay ADN.
En los eucariotas el ARN se localiza tanto en el núcleo como en el citoplasma. Todos los ARN (ARN mensajero, ARN ribosómico, ARN de transferencia y ARN nucleolar) se sintetizan en el núcleo utilizando como molde una de las dos cadenas de polinucleótidos del ADN.
- El ARN mensajero, una vez sintetizado, atraviesa la membrana nuclear y pasa al citoplasma.
- El ARN ribosómico, denominado también ARN estructural, se asocia a un conjunto de proteínas básicas y forman los ribosomas.
