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Tema 6
ÁCIDOS NUCLEICOS
1. Composición de los ácidos nucleicos 2. Estructura de los nucleósidos y nucleótidos 3. Estructura del ADN y de los ARNs
1. Composición de los ácidos nucleicos
Los ácidos nucleicos son polinucleótidos, es decir, polímeros resultantes de la unión
mediante enlace fosfodiéster de un número variable de unidades monoméricas
básicas, denominadas nucleótidos.
Un nucleótido está formado por tres componentes. Una pentosa, un compuesto heterocíclico nitrogenado (base nitrogenada) que junto con la pentosa forma un nucleósido, y una molécula de ácido fosfórico. Los nucleótidos tienen papeles muy variados dentro del metabolismo celular. Son la moneda energética en el metabolismo (ej: ATP), son mensajeros químicos secundarios en la respuesta celular a los estímulos inducidos por hormonas o agentes externos (ej.: AMPc), constituyen una serie de importantes cofactores enzimáticos y, por supuesto, son los constituyentes de los ácidos nucleicos: ribonucleicos (ARN) y desoxiribonucleicos (ADN).
Pentosas
La ribosa o α-D-ribofuranosa es la pentosa característica de los ARN (ácidos
ribonucleicos) y la desoxirribosa o 2`-desoxi-α-D-ribofuranosa la de los ácidos desoxirribonucleicos (ADN) (Figura 1).
Bases nitrogenadas púricas y pirimidínicas
En la Figura 2 se representan las estructuras y los nombres de los compuestos nitrogenados aislados en la hidrólisis de los ácidos nucleicos. Tres de ellos derivan de la pirimidina y son la citosina , uracilo y timina , y los otros dos derivan de la purina y son la adenina y la guanina. Cuando estos compuestos se disuelven en agua originan una disolución de carácter básico, por lo que se conocen con el nombre de bases nitrogenadas.
Fig.2 Estructura de las bases nitrogenadas de los ácidos nucleicos. Bases púricas y pirimidínicas
Los átomos de los anillos de estas cinco bases se numeran de la misma manera que los anillos de pirimidina y purina. Esta numeración es importante y se hará referencia a ella más adelante. Tanto el ADN como el ARN contienen adenina, guanina y citosina, si bien el uracilo sólo está presente en el ARN, mientras que la timina lo está únicamente en el ADN.
Es importante destacar el carácter aromático de las bases nitrogenadas, que hace que los ácidos nucleicos absorban en el UV a unos 260 nm. Son estructuras casi planas y tienen la peculiaridad de que pueden presentar diferentes formas tautómeras. Por ejemplo, la citosina puede estar en forma lactámica (normal) y entonces se empareja con la guanina, pero puede también adoptar forma lactímica y entonces es más estable su unión a la adenina, lo que facilita las mutaciones espontáneas y por tanto la evolución. Además de estas cinco bases mayoritarias los ácidos nucleicos pueden contener pequeñas proporciones de otras bases, normalmente derivados metilados o hidroximetilados de las bases principales.
2. Estructura de los nucleósidos y nucleótidos
Nucleósidos
Los nucleósidos son los compuestos resultantes de la unión de las pentosas y de una base nitrogenada. Estos compuestos se unen con pérdida de una molécula de agua, a través del átomo de carbono 1' del azúcar y el átomo de nitrógeno 1 de la base pirimidínica o el átomo de nitrógeno 9 de la base púrica, como se indica en la Figura 3. Obsérvese que el enlace N-glucosídico es siempre ß.
Los nucleótidos se denominan combinando el nombre del nucleósido del que proceden con la palabra monofosfato. Así, el éster fosfórico de adenosina se denomina 5'-monofosfato de adenosina (Tabla 2).
Bases púricas Nucleótido Desoxinucleósido A Adenina Monofosfato de adenosina
Monofosfato de desoxiadenosina G Guanina Monofosfato de guanosina
Monofosfato de desoxiguanosina
Bases pirimidinicas
C Citosina Monofosfato de citidina
Monofosfato de desoxicitidina U Uracilo Monofosfato de uridina T Timina Monofosfato de desoxitimidina
Por otro lado, los ribonucleósidos y desoxirribonucleósidos corrientes aparecen en las células no solamente en forma monofosfato, sino que también pueden aparecer en forma de 5'-difosfatos (con dos moléculas de fosfórico) o bien 5'-trifosfatos (con tres moléculas). Así los derivados de la adenosina, serían:
AMP : 5'-monofosfato de adenosina ADP : 5'-difosfato de adenosina ATP : 5'-trifosfato de adenosina.
Los nucleótidos trifosfato (NTPs) desempeñan diversas funciones en las células. Así, el ATP, es un transportador de fosfato y de pirofosfato en numerosas reacciones enzimáticas en las que se requiere aporte energético (aunque también pueden realizar esta función el GTP, el UTP y el CTP). Por otro lado, algunos NTPs, pueden actuar como transportadores de restos de azúcares (energetizados) en la biosíntesis de polisacáridos. Por supuesto, la función principal de los NTPs, es la de actuar como precursores en la biosíntesis enzimática de los ácidos nucleicos.
3. Estructura del ADN y de los ARNs
El ácido desoxirribonucleico (ADN) está constituido por cadenas de desoxirribonucleótidos y el ácido ribonucleico (ARN) por cadenas de ribonucleótidos (ambas monofosfato). Kas uniones entre nucleótidos se realizan mediante enlaces fosfodiéster (Figura 5).
Entre el ADN y el ARN, existen tres diferencias claras:
el azúcar integrante del ARN es la ribosa el ARN contiene uracilo en lugar de timina el ARN está formado por una única cadena
Además, existen tres tipos diferentes de ARN, cada uno de los cuales desempeña una función diferente, el mensajero (ARNm), el transferente (ARNr) y el ribosómico (ARNr).
Podemos distinguir varios niveles estructurales en los ácidos nucleicos. La estructura primaria o secuencia indica el orden en que se encuentran los nucleótidos. La ordenación regular y estable que adopten los nucleótidos puede denominarse estructura secundaria, la más conocida es la estructura de la doble hélice del ADN, descubierta por Watson and Crick en 1953.
Estructura primaria. Secuenciación de ácidos nucleicos Una vez definido si el ácido nucleico es un ADN o un ARN, la secuencia de
nucleótidos o estructura primaria solo varía según las bases. Por eso un ácido
nucleico puede representarse por la secuencia de bases, cada base representa al
nucleótido que la porta.
En 1977 se desarrollaron dos métodos para la secuenciación de DNA, que nos permiten secuenciar fragmentos de entre 200 y 400 pb:
- Método de Maxan y Gilbert...............................Hidrólisis química parcial
- Método de Sanger, Niklen y Coulson................Síntesis parcial
Para el desarrollo de ambos casos es necesario proceder según una serie de pasos comunes.
Secuenciación de ácidos nucleicos – etapas comunes a ambos métodos -Desnaturalización para separar las hebras del DNA
Secuenciación automática. La secuenciación de DNA está realmente automatizada usando una variante del método de Sanger, en la que los dideoxinucleótidos están marcados con una cola fluorescente de distinto color. Los cuatro ddNTP se añaden en el mismo tubo y los fragmentos resultantes se separan por tamaño en una electroforesis capilar (un refinamiento de la electroforesis en gel que es más rápida). Todos los fragmentos de un determinado tamaño migran por el capilar como un solo pico y el color asociado a cada fragmento se detecta usando un láser. La información se pasa directamente a un ordenador que determina la secuencia. Esta tecnología permite secuenciar miles de nucleótidos en pocas horas. El proyecto genoma humano que acaba de ser completado (Febrero 2001) por la empresa Celera es el más ambicioso de los proyectos de secuenciación que ha secuenciado 35000 genes y unos 3000 millones de pares de bases con esta tecnología.
Estructura secundaria de los ácidos nucleicos Los diagramas de rayos X realizados a principios de los 50 por Rosalind Franklin y Wilkins, indican que las moléculas de ADN son largas cadenas helicoidales con dos periodicidades a lo largo de su eje. Su análisis químico pone de manifiesto diversos aspectos. La composición en bases nitrogenadas es la misma para todas las células de una especie. En los ADN, la proporción molar de adenina es siempre igual a la de timina, y análogamente la proporción molar de citosina es equimolar con la de guanina. Por lo tanto el número total de bases púricas es igual al de bases pirimidínicas (Regla de Chargaff). Basándose en estos datos, J. Watson y F. Crick propusieron un modelo estructural para el ADN. La principal característica de este modelo es que una molécula de ADN consta de dos cadenas helicoidales de polinucleótidos, que a su vez se hallan enrolladas alrededor de un mismo eje, formando una doble hélice destrógira de cadenas antiparalelas, como muestra la Figura 7. Las unidades de desoxirribosa y los grupos fosfato, que forman el esqueleto de las cadenas polinucleotídicas, constituyen la parte externa de su estructura, mientras que las bases (parte hidrófoba) se sitúan de forma perpendicular al esqueleto carbonado y se encuentran situadas en su interior.
Las dos cadenas, que forman la doble hélice, están unidas entre sí por puentes de hidrógeno , entre bases específicas de cada cadena. Así, la guanina de una cadena está siempre unida a la citosina de la otra (a través de tres puentes de hidrógeno), y la adenina a la de timina (por dos puentes de hidrógeno), como se muestra en la Figura 8. Esto explicaría el que moléculas de ADN con mayor % G+C son más difíciles de separar en hebras. Debido a la gran longitud de la molécula de ADN, existen numerosos enlaces por puente de hidrógeno entre las dos cadenas, y aunque este enlace es débil, hacen que en conjunto el ADN sea una molécula muy estable. La disposición de parte hidrófoba hacia el interior y los fosfatos y ribosas hidrófilos hacia el exterior también contribuye a estabilizar la estructura. Las dos cadenas son antiparalelas. Una en el sentido 5F 0A E 3y la otra en el sentido 3F 0A E 5.
estructuras más definidas corresponden a los ARN transferentes y los ARN ribosómicos.
Los ARNt pueden representarse esquemáticamente en forma de hoja de trébol (Figura 10). Comenzando por el extremo 5´, los ARNt comparten las siguientes características:
- Un grupo fosfato 5´ terminal.
- Un brazo de 7 pares de bases que incluye el nucleótido 5´ terminal y que contiene emparejamientos de bases que no son del tipo Watson-Crick, como G-U. Esta estructura se conoce como brazo aceptor o brazo del aminoácido.
- Una horquilla de 3 ó 4 bases apareadas que acaba en un lazo de cadena sencilla que contiene frecuentemente la base modificada dihidrouridina (D). La estructura completa recibe el nombre de brazo D.
- Una horquilla de 5 bases apareadas con un lazo que contiene el anticodón, el triplete de bases que es complementario al codón del ARNm. Esta estructura recibe el nombre de brazo anticodón.
- Una horquilla de 5 bases apareadas en un lazo monocatenario que contiene por lo general una secuencia T-pseuouridina-C. La estructura se denomina brazo T.
- Todos los ARNt acaban en la secuencia CCA con un grupo 3´-OH libre.
Los ARNr son las moléculas de nucleicos que constituyen la estructura de los ribosomas. Todos los ribosomas contienen dos subunidades (Figura 11). Por razones históricas, los ribosomas intactos y las subunidades se designan por unos números que describen la velocidad a la que sedimentan cuando se centrifugan. El ribosoma intacto de E. coli (y de todos los procariotas) se llama ribosoma 70S, siendo S una medida de la velocidad de sedimentación, y las dos subunidades que lo componen, que son distintas en tamaño y composición, se denominan 30S y 50S. En procariotas, una subunidad 30S está formada por una molécula de ARNr 16S y por 21 proteínas diferentes. Por su parte, una subunidad 50S contiene dos moléculas de ARNr, de diferentes velocidades de sedimentación (5S y 23S) y 32 proteínas diferentes.
