Apuntes sobre ácidos nucleicos

Ácidos nucleicos

1. Ácidos nucleicos

—Son biopolímeros formados por la unión de subunidades estructurales llamados nucleótidos. Su función en los seres vivos es trascendental: contienen la información genética y las instrucciones precisas para su lectura. Son ácidos nucleicos el ADN y el ARN.

1.1.Nucleótidos

Molécula resultante de la unión de una pentosa (ribosa o desoxirribosa) con una base nitrogenada (púrica o pirimidínica) y con un grupo fosfato.

• —El grupo fosfato es una molécula de acido fosfórico.
• —La pentosa, en su forma cíclica: puede ser una b-D-ribosa (en el ácido ribonucleico o ARN) o una b-D-desoxirribosa (en el ácido desoxirribonucleido o ADN).
• —La base nitrogenada puede ser de dos tipos:
• —Púricas: presentan una estructura de doble anillo, derivadas de la purina. Son la adenina (A) y la guanina (G).
• —Pirimidínicas: presentan una estructura de un solo anillo, derivadas de la pirimidínica. Son la citosina (C), la timina (T) y el uracilo (U).
• —La pentosa está unida a la base nitrogenada por el C1’ (enlace N-glucosídico) y al grupo fosfato por el C5’ (enlace éster).

1.2.Nucleósidos

Molécula resultante de la unión de una pentosa (ribosa o desoxirribosa) con una base nitrogenada (púrica o pirimidínica). Es por tanto un nucleótido desfosforilado.

Hay algunos nucleótidos especiales que no forman parte del ADN/ARN, y que cumplen otras funciones:

• —Nucleótidos difosfato y trifosfato (como el ADP y el ATP), que transportan una gran cantidad de energía en sus enlaces.
• —Moléculas cíclicas, como el AMPc, que actúa como segundo mensajero: pasa señales entre hormonas y el interior de las células.
• —Nucleótidos no nucleicos que actúan como coenzimas, como el FAD, el FMN, el NAD+, el NADP+ o la coenzima A (CoA).

2.ADN (ácido desoxirribonucleico)

—Biopolímero formado por la polimerización de desoxirribonucleótidos-5’-monofosfato de adenina (A), guanina (G), citosina (C) y timina (T).

Presenta estructura primaria y secundaria, aunque al unirse a proteínas puede alcanzar mayor complejidad.

ESTRUCTURA PRIMARIA

Largas secuencias lineales de desoxirribonucleótidos-5’-monofostato.

Los nucleótidos se encandenan mediante enlaces éster: el grupo fosfato de 5’ se esterifica al grupo -OH situado en posición 3’ del nucleótido siguiente. Esto hace que cada grupo fosfato forme un puente fosfodiéster entre dos moléculas de desoxirribosa.

• —Esto forma un esqueleto común para todas las clases de ADN: en cada cadena aparece un extremo 5’ libre (un fosfato) y un extremo 3’ libre (un enlace –OH de la pentosa).
• —Las bases nitrogenadas A,T,C,G no forman parte del esqueleto, sino que cuelgan hacia un lado.
• —A la hora de nombrar la secuencia de bases, se hace siempre en sentido 5’ -> 3’

ej: 5’…ATTACGCGGCTA…3’

—ESTRUCTURA SECUNDARIA

Se trata de una doble hélice formada por dos cadenas de polinucleótidos, unidas por los puentes de hidrógeno que se establecen entre sus bases.

—El descubrimiento de la estructura secundaria del ADN les valió el Premio Nobel de Fisiología en 1962 a James Watson, Francis Crick y a su jefe Maurice Wilkins. Hoy en día se reconoce también el importante trabajo que realizó Rosalind Franklin, química y cristalógrafa del laboratorio que obtuvo reveladores fotografías de la doble hélice por difracción de rayos X.

El modelo de la doble hélice dextrógira (ADN-B) propuesto por Watson y Crick, se caracteriza por:

• —Las cadenas son antiparalelas (distinto sentido): una va en dirección 5’ -> 3’ y la otra en 3’->5’.
• —Las secuencias de bases son complementarias: siempre A está frente a T, y la C va en frente de la G. La unión se realiza por puentes de hidrógeno: dos puentes de hidrógeno entre A=T y tres puentes de hidrógeno G≡C. Eso hace que una cadena con mayor proporción de G≡C resista mejor a la desnaturalización.
• —El enrollamiento de las dos cadenas es dextrógiro (sentido de las agujas del reloj) y de tipo plectonémico (imposibles de separar si no se rompe una de las dos).  

2.1.Desnaturalización del ADN

Por el incremento de T, variación del pH o de las condiciones iónicas, se romperían los puentes de hidrógeno entre bases complementarias. Se llama punto de fusión a la T que consigue separar las dos hebras.

La desnaturalización del ADN es un proceso reversible: las bases complementarias se volverían a asociar unas con otras y se recupera la estructura de doble hélice.

Al ser reversible, ha permitido el avance de importantes técnicas de ingeniería genética.

3.Niveles de complejidad del ADN

 A) Empaquetamiento en procariotas

• —El ADN de los procariotas (y también de los cloroplastos y mitocondrias en los eucariotas) es una doble hélice circular cerrada. Está asociado junto a unas pocas proteínas, que permiten el siguiente grado de empaquetamiento:
• —El cromosoma bacteriano (mide 1 mm) posee una serie de torsiones en la doble hélice, que genera un superenrollamiento que genera varios bucles y le permite ocupar un espacio mínimo.

B) Empaquetamiento en eucariotas

• El ADN eucariota mide más de 1m. Para conseguir este grado de empaquetamiento, el ADN se asocia a unas proteínas llamadas histonas.
• La forma compacta que adquiere el ADN unido a las histonas se llama cromatina. Aparece como unas fibras entremezcladas, que en realidad sigue una estructura compleja y ordenada que, tras varios niveles de organización, formará los cromosomas.

Núcleo interfásico: Estructura de la cromatina

Para lograr el máximo empaquetamiento, la doble hélice de ADN se enrolla periódicamente alrededor de las histonas, para formar estructuras que reciben el nombre de nucleosomas.

Cada nucleosoma está formado por un octámero de histonas alrededor del cual se enrollan dos vueltas de ADN. Forma un “collar de perlas”, siendo las perlas los nucleosomas y el hilo que las engarza los segmentos sueltos de ADN.

El siguiente nivel de enrollamiento, la fibra de 30 nm o fibra de cromatina, sería cuando el collar de perlas se enrolla sobre sí mismo hasta adoptar la forma de solenoides.

  Una vuelta del solenoide está formado por seis nucleosomas, estabilizados por histonas H1 en el núcleo de los solenoides.

Núcleo mitótico: Estructura del cromosoma

Ocurre cuando la célula entra en mitosis/meiosis.

La fibra de 30 nm se pliega formando grandes bucles radiales, que se compactan extraordinariamente y se vuelven a enrollar varias veces hasta formar las cromátidas de cada cromosoma.

4.ARN (ácido ribonucleico)

Biopolímeros formados por el encadenamiento de ribonucleótidos-5’-monofosfato.

La estructura primaria es similar a la del ADN, por uniones fosfodiéster 5’-3’ de los ribonucleótidos. Veamos las diferencias que hay respecto al ADN:

• Una única hebra, aunque algunos virus pueden tener dos.
• Los nucleótidos del ARN poseen ribosa. Al quedar libres los –OH del C2’ de la ribosa, origina tensiones que lo hacen menos estable que el ADN, por ello es el ADN el que guarda la información genética.
• En vez de la base Timina existe Uracilo (que se une A=U). Además, en ciertos tipos de ARN, como el ARNt existen en menor proporción otros tipos de bases como la hipoxantina.
• Suelen tener sólo estructura primaria, si bien puede haber algunas regiones de la cadena que puedan formar estructuras 2as y 3as locales.
• Hay distintos tipos de ARN, que se clasifican en base a su tamaño, que viene dado por el coeficiente de sedimentación (medido en unidades Svedberg, S).

4.1.ARN mensajero (ARNm)

Cadenas de tamaño variable que presentan sólo estructura primaria. Poseen una vida corta.

Contiene la información necesaria para la síntesis de una proteína determinada, pues existe relación directa entre la secuencia de bases del ARNm y la secuencia de aminoácidos de la proteína a formar.

• —En procariotas, contienen un grupo trifosfato en 5’.
• —En eucariotas, contienen en 5’ una “caperuza “(metil-guanosina unida al grupo trifosfato) y en 3’ una cola de unos 200 nucleótidos de A llamada cola poliA.

Además, en las eucariotas, contienen secuencias llamadas exones, que codifican para la síntesis de proteínas, intercaladas con otras llamadas intrones, que no codifican para la síntesis proteica. Eso conlleva un proceso de maduración para convertirse en un ADN funcional

4.2.ARN ribosómico (ARNr)

Moléculas con estructura 2ª y 3ª en algunas regiones, que participan junto a otras proteínas en la formación de las subunidades ribosómicas. Provienen del núcleo, del ARN nucleolar.

Un ribosoma está compuesto por dos subunidades, una grande y una pequeña, que forman una estructura con hendiduras para albergar al ARNm y a los ARNt que participan en la síntesis proteica.

• —El ribosoma procariota (70S) es la suma de 50 S Y 30 S.
• —El ribosoma eucariota (80S) es la suma de 60S Y 40 S.

4.3.ARN de transferencia (ARNt)

Pequeñas moléculas con estructura 2ª y 3ª, encargadas del transporte de los aminoácidos hasta los ribosomas durante la síntesis proteica.

Existen por tanto zonas que se aparean por ser complementarias, y otras que no, formando bucles. El resultado es una estructura 2ª como una hoja de trébol. Y se define también una estructura 3ª en forma de bumerán.

En su estructura hay un 10% de bases atípicas, como la hipoxantina.

• —El bucle que posee los extremos 5’ libre y 3’ libre forma el brazo aceptor, o sitio de unión al aminoácido.
• —El bucle central de la estructura contiene una secuencia de tres bases llamada anticodón, que es complementario al codón del ARNm.
• —A su lado existen otros dos bucles, que interaccionan con el ribosoma.

5.Funciones biológicas de los ácidos nucleicos

Funciones del ADN

• —Se replica: El ADN se libera de su superestructura y se abre como una cremallera, separando sus bases complementarias. Eso permite que se haga una copia de cada hebra, con lo que toda la doble hélice se copia generando otra doble hélice que se pasa de célula madre a hija.
• —Guarda la información genética, que son las instrucciones para generar todas las proteínas que necesita un organismo.

Para ello, una región de ADN que contiene la información de la proteína se copia a ARNm (transcripción). El ARNm sale del núcleo a contactar con los ribosomas , que recorrerán el ARNm, y donde irán interpretando la secuencia del ARNm  según el código genético, y añadiendo los distintos aminoácidos por los ARNt, se irá creando la proteína (traducción).