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Ácidos Nucleicos
- Son macromoléculas orgánicas presentes en los seres vivos.
- Son biopolímeros formados por la unión de monómeros denominados NUCLEÓTIDOS, dando lugar a cadenas lineales.
- Son compuestos que cumplen importantes funciones biológicas. El ADN contiene la información genética, es decir presenta segmentos llamados GENES, responsables de coordinar todos los procesos celulares, contienen las instrucciones para la síntesis de todas las proteínas y de las moléculas de ARN y además determinan las características fenotípicas de cada organismo. Las distintas moléculas de ARN, derivan del ADN, y todas participan en la síntesis proteica.
- Son depositarios de la información genética y responsables de su transmisión de padres a hijos y de una generación celular a otra.
- Tienen un papel fundamental en la síntesis de proteínas celulares y dirigen el ensamble correcto de aminoácidos en secuencias definidas.
- La individualidad y el potencial funcional de cada ser son determinados por la información contenida en sus ácidos nucleicos. Sus propiedades ácidas derivan de los grupos fosfatos que componen los nucleótidos.
- BASES NITROGENADAS: son compuestos orgánicos cíclicos que derivan de dos núcleos heterocíclicos: la PURINA y la PIRIMIDINA. La purina se considera derivada de la pirimidina por fusión a ésta de un núcleo imidazol. Ambos ciclos tienen todos sus átomos ubicados en el mismo plano.
ACIDOS NUCLEICOS
• ADN: ACIDO DESOXIRRIBONUCLEICO
• ARN: ACIDO RIBONUCLEICO
Los nucleótidos que forman los ácidos nucleicos presentan tres componentes:
- Una base nitrogenada.
- Un monosacárido de 5C, ALDOPENTOSA.
- Un grupo fosfato. NUCLEOTIDOS
Las bases púricas y pirimídicas tienen la propiedad de absorber radiaciones en la región ultravioleta del espectro, con un máximo de absorción a la longitud de onda de 260 nm. Esta característica, debida a la naturaleza aromática de las bases, permite detectar su presencia en una muestra y estimar su concentración por espectrofotometría.
- ALDOPENTOSAS: el monosacárido integrante de los ácidos nucleicos puede ser D- ribosa (ARN) o D-desoxirribosa (ADN). Son aldopentosas, monosacáridos formados por 5C y con una función aldehído. Adoptan estructura cíclica hemiacetálica de la furanosa, un anillo formado por 5 elementos (4C y un oxígeno). Las pentosas se unen al nitrógeno 9 de las bases púricas o al nitrógeno 1 de las bases pirimídicas mediante un enlace glicosídico β (está involucrado el C1 de la pentosa en configuración β). La unión glicosídica permite la libre rotación.
Los RIBONUCLEÓSIDOS y los DESOXIRRIBONUCLEÓSIDOS se unen con una molécula de ácido ortofosfórico para formar RIBONUCLEÓTIDOS o DESOXIRRIBONUCLEÓTIDOS, los cuales finalmente se van a unir para dar lugar al ARN y a el ADN.
- El ADN es una macromolécula que se encuentra en el interior del núcleo de las células eucariotas.
- También se encuentra presente en las mitocondrias y cloroplastos.
- Es una molécula lineal formada por dos cadenas de polinucleótidos unidas entre sí por medio de las bases nitrogenadas complementarias a través de enlaces de hidrógeno.
- Estas cadenas disponen en el espacio formando una DOBLE HÉLICE.
- Todas las células somáticas (no progenitoras) del individuo de una misma especie tienen igual contenido de ADN. En los seres humanos, la cantidad de ADN por célula es de 6. 10-6 μg (microgramo) o 6 pg (picogramo). Los gametos (progenitoras) masculino y femenino poseen la mitad del contenido de una célula somática. Estas cantidades permanecen constantes y no se modifican con la edad ni por factores ambientales o nutricionales.
ADN: ACIDO DESOXIRRIBONUCLEICO
Características de la molécula de ADN
- Es bicatenario
- Las dos cadenas que lo forman son ANTIPARALELAS, ambas siguen una dirección opuesta, una de ellas es 5´ 3´, y la otra 3´ 5´.
- Las bases complementarias en el ADN, unidas a través de puentes de hidrógeno son:
El ADN es una molécula lineal de gran longitud (de algunos metros), solo que a veces alcanza a medir centímetros en ciertos estadios celulares, pero igualmente sigue siendo de magnitudes macroscópicas. En cambio, su eje transversal, es de tan solo de 2 nm, lo que hace que la hebra se corte fácilmente durante los procedimientos de separación y purificación. En la célula se encuentra densamente empaquetada en una estructura celular llamada cromosoma. Esto permite que, por ejemplo, en el cromosoma humano más pequeño (de tan solo 2μm de longitud) se aloje una molécula de ADN de 30 millones kDa y 1,4 cm de largo. Pero si consideramos que en todas las células somáticas del ser humano existen 46 cromosomas, y si pudiéramos colocar extendidas, una al lado de la otra, las moléculas de ADN de los 46 cromosomas, la longitud alcanzada, sería de casi 2 metros, demostrando la importancia de su estructura y condensación del material genético. Por hidrólisis del ácido desoxirribonucleico se obtienen los nucleótidos que lo constituyen. La hidrólisis de éstos, a su vez, da lugar a las bases púricas y pirimídicas presentes, desoxirribosa y ácido fosfórico. Las bases púricas que participan en la constitución de ADN son adenina (A) y guanina (G), y las bases pirimídicas son timina (T) y citosina (C) (muchas veces, en notaciones abreviadas, se acostumbra indicar las bases con la letra inicial de su nombre). La proporción de bases en ácido nucleico aislado de distintas especies es característica para cada una; sin embargo, existen relaciones fijas entre las bases en todas las muestras de ácido desoxirribonucleico, cualquiera sea su origen. Por ejemplo, el contenido molar de bases púricas es siempre igual al de bases pirimídicas, lo que quiere decir que, la suma de moléculas de adenina más las de guanina es igual a la de timina más citosina: (A + G = T+ C) Además, las relaciones adenina/timina y guanina/citosina son siempre iguales a la unidad, esto quiere decir que el número de moléculas de adenina es igual al de timina (A = T), y el de guanina, al de citosina (G = C). Esto se cumplen en todas las secuenciad de ADN. Esta relación fue el resultado de muchas investigaciones (realizadas principalmente por Chargaff, Wilkins y Franklin), que culminaron con el modelo molecular del ADN elaborado por Watson y Crick, en 1953. La estructura del ADN propuesta por ambos biólogos estaba en perfecto acuerdo con todos los hallazgos previos y sigue vigente en la actualidad.
La doble hélice es una estructura muy estable gracias a los puentes de hidrógeno entre las bases. Estas fuerzas, individualmente débiles, resultan importantes al multiplicarse a lo largo de la molécula, constituida por enorme número de pares de bases. Otras fuerzas contribuyen, aún más significativamente que los puentes de hidrógeno, al mantenimiento de la doble hélice. Se trata de las interacciones generadas por las fuerzas de Van der Waals en los pares de bases apilados en el interior de la molécula. Si bien la doble hélice es un conjunto compacto, tiene flexibilidad como para arquearse y hasta enrollarse sobre sí misma o sobre otras estructuras. Esta propiedad le permite interaccionar con otras moléculas y también empaquetarse en muy pequeños volúmenes. Además, su flexibilidad le permite presentar numerosas variaciones estructurales. La estructura de Watson y Crick se conoce también como forma o conformación B del DNA, la cual es la estructura más estable que pueda adoptar un DNA en condiciones fisiológicas. Si bien no vamos a estudiar las otras conformaciones, es importante que sepas que existen otras, las formas A y Z, las cuales tienen ciertas diferencias con la conformación B. Veamos la siguiente imagen, que resume todas las características estructurales de DNA hasta aquí analizadas: Desnaturalización y renaturalización del ADN Como dijimos, la doble hélice se mantiene por las uniones puente de hidrógeno entre pares de bases y por interacciones de las bases apiladas en el interior de la molécula, que le dan una estructura compacta. Diversos agentes (calentamiento, ácalis fuertes, urea, formamida) debilitan dichas fuerzas y promueven la separación de las cadenas. El proceso es llamado desnaturalización. Las hebras polinucleotídicas desenrolladas tienen una estructura flexible y adoptan disposición al azar. El proceso de desnaturalización de ADN es reversible en condiciones controladas de pH y concentración iónica. Si se disminuye lentamente la temperatura en la solución donde el ADN se había desarrollado completamente, se produce la reasociación de las cadenas y se restablece la estructura original de doble hélice. Este proceso de renaturalización por enfriamiento lento se llama templado del ADN. Al encontrarse cadenas complementarias, reconstituyen la doble hélice.
ADN circular En las bacterias, los cloroplastos y las mitocondrias (una de las organelas de las células), la doble hélice del ADN no tiene extremos libres, sino que la molécula se cierra sobre sí misma formando un círculo. En las mitocondrias humanas el ADN circular está constituido por 16569 pares de bases, cuya secuencia contiene información para la síntesis de ARN y de algunas proteínas propias de la organela. Molécula circular de ADN: La molécula se cierra sobre sí misma formando un círculo. Genoma Otro concepto que debemos definir es el de genoma. Todos los individuos de una especie tienen la misma cantidad de ADN en cada una de sus células. En organismos diploides con reproducción sexual, las células somáticas contienen el doble del existente en células gaméticas (haploides). La totalidad de ADN en cada célula es denominado genoma ; éste representa el "capital genético característico del individuo. El tamaño del genoma guarda relación con la complejidad del organismo.
- El ARN es una macromolécula que se forma a partir de ADN durante el proceso de TRANSCRIPCIÓN que ocurre en el núcleo celular.
- Una cadena del ADN sirve de molde para la síntesis de los tres tipos de ARN. Cada uno de ellos con una estructura y función diferente en la SÍNTESIS DE PROTEÍNAS.
- Está formando por una cadena de polinucleótidos: MONOCATENARIO, que puede enrollarse sobre sí misma.
ARN: ACIDO RIBONUCLEICO
- Principales diferencias estructurales con el ADN son: A. El azúcar presente es D-ribosa en lugar de D- 2 - desoxirribosa. B. En el ácido ribonucleico no existe la base pirimídica timina; en cambio, se encuentra el uracilo. Las bases restantes son las mismas que en el ADN C. La molécula de ARN está formada por una cadena polinucleotídica, no dos como en ADN. Sin embargo, es común que la cadena de ARN se doble en horquilla y se enrolla sobre sí misma generando trozos que imitan la doble hélice de cadenas antiparalelas, siempre y cuando existan segmentos complementarios.
- Como la molécula posee sólo una cadena, no es requisito que se cumplan las relaciones molares entre purinas y pirimidinas observadas en ADN. La cantidad de guaninas no es necesariamente igual a la de citocinas, ni la de adeninas a la de uracilos. Ácido ribonucleico mensajero (ARNm) El ARNm es el menos abundante de los ARN, representa aprox. entre el 5 al 10% del total del ARN y se encuentra distribuido tanto en el núcleo como en el citoplasma. Su papel fisiológico es transmitir información genética desde ADN nuclear hacia el sistema de síntesis de proteínas en el citoplasma y servir de guía para el ensamble de los aminoácidos en el orden correcto , por lo que su composición y masa molecular dependerá del mensaje que lleve, el cual es muy variado. El ARNm nuclear es muy heterogéneo y alcanza gran tamaño, su masa puede ser a veces mayor a 10 Da. En los organismos eucariotas, el ARNm sintetizado en el núcleo a partir del código genético del ADN inicialmente es una molécula de gran tamaño llamada ARNm naciente, pre-ARNm, ARNm primario o transcripto primario. Este transcripto primario debe convertirse en un ARNm "maduro", que en definitiva éste es el que será "traducido" a una molécula proteica mediante un proceso llamado traducción. Entonces, el transcripto primario debe sufrir una serie de modificaciones con el fin de incrementar su estabilidad e impedir su degradación. Estas modificaciones post- transcripcionales son :
El llamado ARN nuclear heterogéneo (ARNnh) incluye las las grandes moléculas de RNA mensajero (ARNm primario), las intermediarias del splicing y las de los productos finales del procesamiento, los ARN maduros, de longitud mucho menor que la del precursor. El ARNnh se asocia a proteínas para formar ribonucleoproteínas nucleares heterogéneas (RNPnh). El ARNm es el más lábil de los ácidos ribonucleicos, su vida media en células de mamíferos es de unas 6 horas y en bacterias aún más corta. Si se mezclan en condiciones adecuadas ADN desnaturalizado (sin formar la doble hélice) y el ARN, pueden producirse asociaciones en doble hélice si existen en las cadenas secuencias complementarias. Se produciría hibridación ADN-ARN , con aparcamientos G-C , A-U y T-A. Ácido ribonucleico de transferencia (ARNt) Este tipo de ARN, también llamado soluble, es el de menor tamaño molecular; su masa es de unos 25 kDa y su cadena contiene alrededor de 75 nucleótidos. El ARNt tiene una participación activa en la síntesis de proteínas transportando los aminoácidos libres del citosol hasta el lugar de ensamble de la proteína (ribosoma). Actúa como molécula "adaptadora", que asegura la ubicación correcta de cada aminoácido en el sitio correspondiente. En cada célula existen distintas especies de ARNt, específicos para cada uno de los veinte aminoácidos. En estas moléculas es frecuente la presencia de nucleótidos distintos de A, U, G y C, como: dihidrouridina, pseudouridina, inosina y derivados metilados o dimetilados de A, U, G y C. La molécula de ARNt se asemeja, en su disposición general, a una hoja trilobulada (estructura hoja de trébol), debido a la presencia de segmentos complementarios que se aparean antiparalelamente, enfrentándose en cuatro zonas de doble hélice dentro de su cadena polinucleotídica. En estas zonas se establecen puentes de hidrógeno intracatenarios y se forman pares de bases complementarias (A-U y G-C). Existen también porciones desplegadas de la cadena; son los lóbulos o "asas" de la molécula, de los cuales, el asa central contiene un grupo de tres bases denominado anticodón , responsable de la especificidad de aminoácido y de la función de adaptador que cumple este ARN. ¿ Recordás que en el ARNm se encuentran los codones? Si bien, más adelante aprenderás con detalles la síntesis proteica, es importante que conozcas la existencia de los codones y los anticodones. Cada codón, que codifica para un determinado aminoácido, tiene su anticodón complementario en un ARNt que transporta el aminoácido correspondiente. Durante el proceso de traducción se produce el apareamiento específico y sucesivo entre los codones del ARNm y su respectivo anticodón presente en un ARNt; ésto es lo que permite que la cadena polipeptídica se forme con los aminoácido que corresponden y en el lugar preciso en la cadena proteica. El conjunto de esta "hoja de trébol" posee un tallo (uno de los segmentos en doble hélice), en cuyo extremo se encuentran los terminales 5' y 3' de la molécula. En el extremo 5' existe un resto guanosina (G) o citidina (C) y en el 3', todos los ARNt presentan la secuencia CCA para los tres últimos nucleótidos. El aminoácido se une por enlace tipo éster entre el carboxilo del aminoácido y el - OH de carbono 3' (o 2') de ribosa en la última adenosina. Debido a esta función de fijar el aminoácido, el tallo es llamado " brazo aceptor". Hay también un brazo extra como lóbulo adicional , cuya extensión varía en distintos ARNt.
Mediante otros estudios se demostró que, en realidad, la molécula de ARNt tiene, en conjunto, forma de L donde el sitio aceptor del aminoácido está en uno de los extremos de la L y en el otro, el asa anticodón. Si bien esta estructura es más fidedigna, el esquema trilobular sigue siendo útil para representar la molécula. Ácido ribonucleico ribosomal (ARNr) Es la especie más abundante ya que constituye aproximadamente 80% del ARN contenido en la célula. Es el componente principal de los ribosomas (pequeños gránulos localizados en el citoplasma en forma libres o unidos a retículo endoplasmático rugoso). Aproximadamente el 65% de la masa del ribosoma corresponde a ARNr; el resto a proteínas. Las moléculas de ARNr suelen ser muy grandes y desempeñan un papel tanto funcional (catalítico) como estructural en la síntesis proteica. ¿ Recordás el concepto de proteínas conjugadas? Si retomamos ese concepto, el ARNr es el núcleo prostético de nucleoproteínas componentes de los ribosomas. Tanto en los organismos procariotas como en las eucariotas, un ribosoma consta de dos subunidades , una mayor que la otra. Para la separación de los componentes de los ribosomas, ARN y proteínas, se utiliza una técnica denominada ultracentrifugación analítica. El movimiento de una partícula en esta técnica se caracteriza por un coeficiente de sedimentación expresados en unidades Svedberg (S). En base a esta técnica, los ribosomas de organismos eucariotas tienen un coeficiente de sedimentación de 80 S y las subunidades mayor y menor son 60 S y 40 S, respectivamente. Estas subunidades presentan las siguientes características:
- subunidad mayor: integrada por 3 moléculas de ARN (de 28 S, 5,8 S y 5 S) y alrededor de 49 proteínas diferentes. Su coeficiente de sedimentación es 60 S.
- subunidad menor: tiene solo una molécula de ARN (de 18 S) y unas 33 proteínas. Su coeficiente de sedimentación es 40 S.
- Guanosina trifosfato (GTP): participa en procesos muy importantes. Como el ATP, participa en reacciones de transferencia de grupos fosforilos.
- CTP y UTP: Tambien intervienen en reacciones de transferencia de grupo fosforilo.
- Tanto los ribonucleótidos como desoxirribonucleótidos trifosforados son compuestos básicos necesarios para la síntesis de ARN y ADN respectivamente.
- En el organismo, nucleósidos mono y difosforados son convertidos en trifosforados por procesos de captación de la energía liberada durante la oxidación de combustibles ingresados con los alimentos (proceso llamado fosforilación oxidativa ) o por transferencia de energía a partir de intermediarios metabólicos ricos en ella (proceso llamado fosforilación a nivel de sustrato ).
- Entre los nucleósidos difosforados hay varios que participan en reacciones de transferencia de moléculas utilizadas en procesos de síntesis o conjugación, por ejemplo: uridina difosfatoglucosa (UDP Glc), uridina difosfatogalactosa (UDP Gal) y uridina difosfatoglucurónico (UDP Glu).
- Otros nucleótidos integran factores indispensables para la acción de enzimas. Estos factores, llamados coenzimas, a menudo presentan estructura nucleotidica.
- AMP cíclico: Por último, algunos nucleótidos sirven como intermediarios en sistemas de transmisión de señales, por ejemplo, el AMP-3', 5'-cíclico, así llamado porque el fosfato forma un ciclo entre carbonos 3' y 5' de la ribosa. Este compuesto se forma en el organismo a partir de ATP por acción de adenilato ciclasa, enzima regulada por distintas hormonas. El AMP cíclico es un mensajero químico, intermediario de esas hormonas.
- GMP cíclico: El guanosina monofosfato-3', 5'-cíclico es otro importante nucleótido que actúa como mensajero intracelular.
