NUCLEÓTIDOS Y ÁCIDOS NUCLEICOS

La relación existente entre estos dos tipos de moléculas es que los ácidos nucleicos son polímeros de nucleótidos. Una hidrólisis parcial de un ácido nucleico rinde nucleótidos. Una hidrólisis total, rompiendo todos los enlaces entre las moléculas componentes, rinde:

• Bases nitrogenadas de cuatro clases.
• Una pentosa (ribosa o desoxirribosa).
• Ácido fosfórico.

Estructura de un nucleótido

Molécula orgánica formada por una pentosa (ribosa o desoxirribosa) a la que se une al carbono 1 una base nitrogenada por enlace N-glucosídico y al carbono 5 una molécula de ácido fosfórico por enlace éster.

NUCLEÓTIDOS DE INTERÉS BIOLÓGICO

1. Nucleótidos componentes del ADN.
2. Nucleótidos componentes del ARN.
3. Fosfatos de Adenosina: AMP, ADP, ATP.
4. AMPc.
5. Coenzimas que son nucleótidos o dinucleótidos:
   COENZIMA: tipo de cofactor consistente en una molécula orgánica que se une de modo reversible a los enzimas para catalizar una reacción.
   HOLOENZIMA = APOENZIMA + COENZIMA
   Enzima completo = proteína + coenzima no proteico.
   Son nucleótidos y dinucleótidos estos coenzimas de oxidorreducción:
   NAD: dinucleótido de Adenina y Nicotinamida.
   NADP: dinucleótido de adenina y nicotinamida fosfato.
   FAD: dinucleótido de adenina y flavina.
   FMN: mono nucleótido de flavina.
   Para sintetizar estos coenzimas necesitamos tomar en la dieta algunas moléculas (precursores) les llamamos Vitamina B.

LOS ÁCIDOS NUCLEICOS

Biomoléculas orgánicas de elevado peso molecular y carácter ácido. Muy abundantes en el núcleo de las células eucariotas, de ahí su nombre. Químicamente son polímeros de nucleótidos unidos mediante enlace fosfodiéster. El ADN está formado por los nucleótidos: dAMP, dGMP, dCMP y dTMP; y el ARN del AMP, GMP, CMP Y UMP.

Estructura molecular del polinucleótido

• Enlace fosfodiéster: La unión entre dos nucleótidos consecutivos en la cadena tiene lugar a través de los grupos fosfato. El mismo grupo forma enlaces de éster, concretamente en el carbono 5 de uno de ellos y en el carbono 3 del adyacente.
• Estructura: De este modo se forma una estructura en la cual aparece un esqueleto lineal de moléculas de fosfato que alternan con moléculas de monosacárido, de las cuales arrancan bases nitrogenadas, dispuestas perpendicularmente a la cadena. En una cadena de polinucleótido podemos distinguir un extremo 3′ y un extremo 5′.

Los dos tipos de ácido nucleico se diferencian:

1. En su composición química (bases y pentosa).
2. En su estructura.
3. En su función y localización celular.

• ADN: pentosa desoxirribosa, bases A, G, C y T, estructura casi siempre bicatenaria, función: almacena información genética. Dirige la célula. Transmite la información genética a las células hijas en la reproducción celular.
• ARN: ribosa, A, G, C y U, casi siempre monocatenario, participa en la expresión de la información genética: en la conversión de la información contenida en un gen en una proteína.

Se relacionan en el Dogma central de la Biología Molecular:

Indica cómo la información biológica contenida en el genoma, acaba siendo una secuencia de aminoácidos de una proteína que hace funcionar la célula. ADN -> ARNm -> proteína.

Localización celular:

• En las procariotas: el ADN se presenta formando un cromosoma anular en el citoplasma y varios accesorios. El ARN se presenta también en el citoplasma.
• En eucariotas: el ADN no se presenta nunca en el citosol. Los cromosomas principales están en el núcleo de la célula, aunque algunos orgánulos (mitocondrias y cloroplastos) tienen sus propios cromosomas. Los ARNs se sintetizan en el núcleo, pero salen al citoplasma para la síntesis de proteínas.

EL ÁCIDO DESOXIRRIBONUCLEICO (ADN)

Polímero de los siguientes nucleótidos: dAMP, dGMP, dCMP y dTMP enlazados mediante enlaces fosfodiéster 5′-3′. Moléculas de elevadísimo peso molecular y carácter ácido. En él está contenida la información genética (genoma) de todos los seres vivos, con excepción de algunos virus, en forma de moléculas bicatenarias llamadas cromosomas. Podemos distinguir varios niveles estructurales en la molécula.

Estructura primaria del ADN:

Es la secuencia de nucleótidos de una de las hebras dando su orientación de lectura. La otra hebra se puede deducir porque resultará complementaria a esta, como veremos en la estructura secundaria.

Se puede simplificar dando tan solo la secuencia de bases. 5′ A-G-G-G-C-TT-A-A-3′.

En una secuencia de bases como esta está codificada la secuencia de aminoácidos de una proteína (INFORMACIÓN GENÉTICA).

Gen: fragmento de ADN en el que está codificada la estructura primaria (secuencia de aminoácidos) de una proteína.

Estructura secundaria del ADN

El ADN adquiere una configuración espacial muy concreta, que se conoce con el nombre de doble hélice y que fue descubierta por J.D. Watson y F.H. Crick. Su descubrimiento supuso para estos investigadores la concesión del premio Nobel. Pero antes de que Watson y Crick propusieran su modelo, se conocían bastantes datos que condicionaban en buena medida la posible estructura de esta molécula, planteando algunos problemas de solución bastante compleja:

1. En primer lugar, el cumplimiento del principio de Chargaff. Este investigador había descubierto que, en una molécula de ADN, la cantidad de adenina presente siempre era la misma que la cantidad de timina, y que la cantidad de citosina coincidía con la de guanina.
2. En segundo lugar, por la espectrografía con rayos X, se sabía que la molécula de ADN debía ser filiforme, con longitud variable, pero mucho mayor que su grosor y un diámetro constante de unos 2.4 nm. Se sabía también que debía poseer una estructura regular, con características repetidas periódicamente, en concreto con dos periodicidades: cada 0.34 nm y cada 3.4 nm.
3. De la difracción con rayos X, otro grupo descubrió que la molécula de ADN debía tener una estructura helicoidal.

Pero fueron Watson y Crick quienes dieron con la clave definitiva, al descubrir el principio de complementariedad de bases. Dicho principio es, simplemente, el resultado de las características químicas de las bases nitrogenadas. En efecto, si se sitúan frente a frente una molécula de adenina y de timina, es posible que se establezcan entre ellas dos puentes de hidrógeno. Por otra parte, si se sitúa una molécula de guanina con otra de citosina, pueden formar entre ellas tres puentes de hidrógeno. En las parejas formadas de esta forma, una de las bases es una purina, y por lo tanto su tamaño es bastante grande, mientras que la otra es una pirimidina, con un tamaño menor. Al ser las sumas de tamaño de cada una de ellas aproximadamente igual, lo que explica el diámetro de 2.4 nm constante de la molécula de ADN. Dicha anchura coincide, además, con los datos que se conocían de antemano.

A partir de este principio, Watson y Crick propusieron su modelo para la estructura tridimensional del ADN. Según dicho modelo, en los seres vivos las moléculas de ADN o hebras de polinucleótido no se encuentran aisladas, sino asociadas de dos en dos (es bicatenario), de forma que la estructura primaria de una de ellas determina la de la otra según el principio de complementariedad de bases. Esto quiere decir que, tomando como referencia una de las cadenas, su estructura puede ser cualquiera, pero la otra cadena tiene una secuencia de nucleótidos forzada: si en la primera aparece una adenina, en la segunda debe haber, frente a ella, una timina; y si en la primera aparece una citosina, la segunda cadena debe presentar una guanina. Ambas cadenas, siempre según el modelo, están enrolladas una respecto a la otra, siguiendo direcciones antiparalelas (es decir, frente al extremo 5′ de una se encuentra el extremo 3′ de la otra), del mismo modo que las fibras que forman una cuerda, formando una doble hélice dextrógira de diámetro constante. La parte externa de la hélice está constituida por el esqueleto de fosfato-azúcar, mientras que las bases nitrogenadas se proyectan hacia el interior de la misma, en dirección perpendicular a la hélice.

La estructura del ADN se estabiliza gracias a la suma de un gran número de fuerzas débiles que se suman entre sí:

• Los puentes de hidrógeno que se forman entre las bases.
• El hecho de que entre A y T se formen dos puentes y entre C y G se formen tres, hace que las regiones de la molécula de ADN ricas en C-G sean más difíciles de separar que las ricas en A-T, lo que es aprovechado por la célula.

Esta estructura cumple todos los requisitos conocidos anteriormente: su anchura corresponde con la observada, es una estructura helicoidal y presenta las regularidades conocidas: cada 0.34 nm (distancia entre dos pares de bases consecutivas) y cada 3.4 nm (una vuelta completa de la hélice).

Desnaturalización y renaturalización del ADN

La doble hélice es muy estable, pero si se calienta hasta aproximadamente 100°C, las hebras se separan por haberse roto los puentes de hidrógeno que las mantenían unidas. Al proceso se le llama desnaturalización del ADN.

Se llama temperatura de fusión (Tm) a la temperatura en la que el 50% de la doble hélice está desnaturalizado. Está relacionada con la proporción de bases, ya que se desnaturalizan antes los fragmentos ricos en A-T.

Si el ADN desnaturalizado se deja que se vaya enfriando lentamente, puede renaturalizarse la doble hélice gracias a la complementariedad entre las bases (renaturalización del ADN).

La desnaturalización y renaturalización del ADN se han convertido en técnicas de trabajo básicas en la genética molecular y en sus aplicaciones diversas.

• Técnicas de ingeniería genética.
• El grado de hibridación de hebras de especies distintas indica la proximidad genética entre especies y es utilizado en el estudio de la evolución.
• Técnicas de hibridación que indican proximidad entre parientes en general (familia del Zar).
• En investigación policial.
• Pruebas de paternidad.

Niveles superiores de empaquetamiento, estructura terciaria y organización del ADN en los cromosomas.

La molécula de ADN es muy larga, especialmente con relación a su grosor. Un cromosoma humano, por ejemplo, puede alcanzar los 2 mm, lo que significa que es mil veces más larga que ancha. Si fuera un cable de 0.5 cm de grosor, su longitud sería de 500 m. Además, en el núcleo de una célula humana hay 46 cromosomas, lo que supone que en un volumen muy pequeño se reparten un gran número de hilos que podrían enredarse entre sí y romperse con mucha facilidad. Para evitarlo, el ADN nuclear de los eucariotas se encuentra formando bobinas que constituyen los cromosomas.

Para ello se ayuda de esqueletos de proteínas. En la célula eucariota, a la sustancia formada por el ADN y las proteínas de sostén se le llama cromatina.

1.- Estructura en collar de perlas o fibra de cromatina de 10 nm:

Se forma al enrollarse la doble hélice en torno a unos discos de proteínas (histonas: 2xH2A, 2xH2B, 2xH4), de modo que le da dos vueltas a cada disco. La molécula adopta una forma característica en forma de collar de cuentas. Se llama nucleosoma a la unidad que se repite de estructura discoidal + espaciador.

2. Solenoide. Fibra de cromatina de 30 nm de grosor.

El collar de perlas se enrolla en hélice, de modo que en cada vuelta se sitúan seis nucleosomas. Los espaciadores son acortados y sujetados por moléculas de histona H1 que se colocan en el eje del solenoide. La longitud se ha reducido a la 1/40 de la longitud de la doble hélice.

3. Bucles o dominios estructurales.

La estructura en solenoide se pliega en forma de bucles que se anclan en un esqueleto o andamio proteico. Esta estructura es la que tiene en la célula en interfase.

4. Cromosomas visibles durante la división celular.

Los bucles se vuelven a enrollar hasta que quedan muy compactados. Se acorta la longitud a 1/10.000 la longitud de la doble hélice, pero se hacen tan gruesos que son perfectamente visibles incluso con el microscopio óptico.

Función y Localización Celular Del ADN.

El ADN es la molécula encargada de mantener y transmitir toda la información genética de los seres vivos, es decir, toda la información necesaria para elaborar las proteínas que forman la célula.

La transmisión es posible gracias a que una molécula de ADN puede ser replicada, es decir, copiada para dar lugar a otra molécula de ADN con una secuencia de nucleótidos complementaria. Como la doble hélice de ADN basa su estructura en la complementariedad de bases, la copia de la cadena complementaria a la que contiene el mensaje genético forma precisamente la secuencia que contiene dicho mensaje. Durante el proceso de replicación es posible que ocurran algunos errores, lo que también juega un papel importante para los seres vivos, ya que estos errores (mutaciones) son necesarios para que ocurra la evolución de los seres vivos.

Por otra parte, el ADN dirige la actividad celular, ya que puede ser copiado (transcrito) a una molécula de ARN, con lo que comienza la expresión del mensaje genético, es decir, la plasmación del mensaje en proteínas, que hacen funcionar la célula.

• En los procariotas: el ADN es una única molécula circular cerrada que se encuentra en una zona concreta del citoplasma, que se denomina nucleoide, pero que no tiene ninguna membrana a su alrededor.
• En los eucariotas, en cambio, el ADN se encuentra formando varias estructuras separadas, los cromosomas, en los que está unido a varios tipos de proteínas formando, como ya se ha dicho, la cromatina. Los cromosomas se encuentran en el interior del núcleo, esta vez sí rodeado por una membrana. También aparece ADN, muy similar al de procariotas, en algunos orgánulos celulares, concretamente en mitocondrias y cloroplastos.

EL ÁCIDO RIBONUCLEICO o ARN.

Otro tipo de ácido nucleico presente en las células de los seres vivos es el ácido ribonucleico (ARN).

Composición química:

Los nucleótidos que forman parte del ARN presentan ribosa como azúcar, en lugar de la desoxirribosa del ADN. Existe una segunda diferencia de composición, consistente en que el ARN presenta uracilo (U) en lugar de timina (T). Por lo demás, el resto de los componentes son idénticos a los del ADN. Por tanto, es un polímero de los nucleótidos: AMP, GMP, CMP y UMP, unidos mediante enlace fosfodiéster 5′-3′.

Su tamaño puede oscilar entre 75 y varios miles de nucleótidos, pero siempre mucho más pequeñas que las de ADN. Presentes en todas las células, suponen entre el 5% y el 10% del peso total de la célula.

Tipos de ARN:

Existen tres tipos principales de ARN en las células que se diferencian en estructura y función, aunque todos colaboran en la síntesis de proteínas:

• ARN mensajero (ARNm): actúa como intermediario, llevando el mensaje genético desde el ADN hasta los ribosomas, donde es leído y traducido a proteínas.
• ARN ribosómico (ARNr): forma parte, junto a subunidades proteicas, de los ribosomas.
• ARN transferente (ARNt): participa en el proceso de transporte de los aminoácidos al ribosoma y colocándolos en la posición precisa en la secuencia de la proteína, ya que es el adaptador entre codón y aminoácido.

Papel biológico y localización del ARN

• Sólo en algunos virus, sirve para almacenar la información genética.
• En las células interviene en la expresión de la información genética, al ser la molécula intermediaria en los procesos que permiten que la información contenida en un gen pase a la secuencia de aminoácidos de una proteína. El ARN mensajero es el molde a partir del cual se va a sintetizar la nueva proteína, el ARN transferente actúa como molécula traductora, estableciendo la equivalencia entre el lenguaje de los ácidos nucleicos y el de los aminoácidos, y el ARN ribosómico parece jugar un papel fundamental, aunque todavía no bien establecido, en el funcionamiento del propio ribosoma.

Respecto a la ubicación de las moléculas de ARN, todos los tipos se sintetizan en el núcleo de la célula, pero realizan sus funciones en el citoplasma, concretamente en los ribosomas.

EL ARNm

Composición química y estructura:

Es una hebra de polinucleótido que contiene de 2000 a 5000 nucleótidos en estructura primaria, con lo que tienen aspecto filamentoso.

• En células procariotas: el extremo 5′ presenta un nucleótido con trifosfato de guanosina (GTP). El objetivo es facilitar la correcta lectura en la traducción (de 5′ a 3′), diferenciando claramente ambos extremos.
• En células eucariotas: el extremo 5′ presenta un nucleótido 7-metil guanosina trifosfato llamado CAP. En el extremo 3′ presenta una cola de muchos nucleótidos con Adenina (cola de poliA).

Función:

Transporta la información contenida en un gen para sintetizar una proteína. En el citoplasma, cada molécula de ARNm se une a un ribosoma para que se sintetice un péptido.

Localización celular:

Se sintetiza en el núcleo y, tras un proceso de maduración (cortes y empalmes), sale al citoplasma.

EL ARNt:

Identifica y transporta los aminoácidos hasta el lugar en donde se realiza la síntesis proteica. Existe al menos un ARNt para cada aminoácido.

Son moléculas de entre 70 y 90 nucleótidos de longitud que funcionan como adaptadores entre el ARNm y el aminoácido transportado, mediante una secuencia de tres nucleótidos que forman parte de su estructura, el anticodón. Las tres bases del anticodón utilizan el principio de complementariedad para emparejarse con un codón situado en el ARNm y colocar el aminoácido que transportan en el lugar preciso que le corresponde en la proteína que se está sintetizando.

Estructura: compleja

1. Estructura primaria: secuencia de nucleótidos.
2. Estructura secundaria: en hoja de trébol mediante zonas bicatenarias. La hebra de polinucleótido se pliega para originar tres bucles con complementariedad interna en la molécula, en las que las bases se emparejan y unen por puentes de hidrógeno, arrollándose, luego, en doble hélice.
   • El aminoácido se une al extremo 3′ de la molécula.
   • Al brazo D se une la enzima que se ocupa de unir el aminoácido a la molécula de ARNt.
   • Tiene una región de unión al ribosoma.
   • Anticodón: complementario del codón del ARNm.
3. Estructura terciaria: la estructura secundaria se pliega especialmente para originar una forma «en L invertida».

ARN r

Varias moléculas de ARN distintas en secuencia y tamaño se asocian con proteínas para formar los orgánulos celulares llamados ribosomas. Este ARN es el ARNr y supone el 50% de la masa ribosómica aproximadamente (el otro 50% corresponde a las proteínas).

Los ribosomas son orgánulos formados por dos piezas o subunidades de diferente tamaño (una mayor y otra menor) que presentan acanaladuras superficiales para albergar ARNm en una de ellas, y ARNt en dos de ellas. Es fundamental el papel del ARNr en la formación de esos canales y en la posibilidad de enlazar a los otros tipos de ARN.

Función:

Síntesis de proteínas. Para ello necesitan la colaboración de los otros ARN.

Localización celular:

Se sintetiza en el núcleo por transcripción de los genes (ADN) en los que están codificados. Estos genes quedan agrupados en el núcleo en una región visible al microscopio en la interfase: el nucléolo. Una vez fabricadas las moléculas de ARNr, y todavía en el núcleo, se unen con las proteínas para formar las subunidades ribosómicas. Estas subunidades salen del núcleo por los poros nucleares hasta el citoplasma. Sólo se unirán ambas subunidades para formar el ribosoma en el momento en que se unan a un ARNm para la síntesis proteica.

GEN:

Es la unidad de herencia física y funcional, portadora de información de una característica hereditaria y responsable de su transmisión de una generación a la siguiente. Es un segmento de ADN que contiene los elementos necesarios para su función, que es la producción de una proteína. Ocupa un lugar específico llamado locus en un determinado cromosoma. Mendel les llamaba «factores hereditarios».

• LOCUS (locus génico): es el lugar de un cromosoma donde se localiza un gen. Es específico (igual en todos los individuos de la especie).
• ALELO: cada una de las posibles formas alternativas de un gen, que difiere en su secuencia de ADN y afecta a su función. Los alelos se originan por mutación de uno a otro. Un organismo diploide tiene siempre dos alelos de cada gen, que pueden ser iguales (homocigosis) o diferentes (heterocigosis).
• ALELO DOMINANTE (DOMINANCIA): son aquellos que se manifiestan en el fenotipo del heterocigoto, (por ejemplo: el alelo mutante P determina el fenotipo polidactilia -presencia de un sexto dedo en alguna o todas las extremidades- en el heterocigoto Pp (donde p sería el alelo normal), de modo que los individuos normales son todos homocigotos recesivos pp).
• ALELO RECESIVO (RECESIVIDAD): son aquellos que se manifiestan en el fenotipo sólo en homocigosis, es decir, cuando los dos alelos de un individuo son iguales; pero quedan enmascarados en los heterocigotos por el alelo dominante.
• ALELOS CODOMINANTES: Ambos se manifiestan en el fenotipo del híbrido. Por ejemplo, los alelos I^A e I^B (para la característica «grupo sanguíneo») son codominantes y el híbrido es del grupo AB.
• CROMOSOMA: Molécula de ADN con numerosos genes ordenados linealmente.
• AUTOSOMA: cualquier cromosoma del complemento cromosómico o cariotipo que no es un cromosoma sexual. Cualquier gen en estos cromosomas se hereda de forma «autosómica», es decir, no importa qué sexo transmite el carácter. Afecta por igual a ambos sexos de la descendencia.
• CROMOSOMAS SEXUALES: los cromosomas que están implicados en la determinación del sexo del individuo. En el hombre, se denominan cromosomas X e Y. La presencia de un cromosoma Y determina el sexo masculino. Cualquier gen en el cromosoma X o Y muestra un patrón concreto de herencia denominada Herencia Ligada al Sexo. Estudiamos en este caso la transmisión de los cromosomas X e Y colocando el gen en el cromosoma X como superíndice.
• GENOTIPO: Conjunto de genes de un individuo. Dos genes para cada característica estudiada.
• HETEROCIGOTO: individuo (o célula) que tiene dos alelos distintos (del mismo gen) en los cromosomas homólogos. Mendel les llamaba «híbridos».
• HOMOCIGOTO: individuo que presenta dos alelos iguales en los cromosomas homólogos. Mendel les llamaba «raza pura».
• FENOTIPO: es la forma observable de un determinado carácter o grupo de caracteres en un determinado individuo. Es decir, es la manifestación detectable de un determinado genotipo. Depende del genotipo, de la relación de dominancia entre alelos y, a veces, del ambiente.