Los ácidos nucleicos son macromoléculas biológicas de particular
importancia. Son ellos los que determinan las proteínas que sintetizará
cada organismo y, por tanto, las características que presentará. Son los
encargados de almacenar, transmitir y
expresar la información genética. Por eso se puede decir que de estas moléculas
dependen las demás biomoléculas y la actividad biológica
en su conjunto.
Para llevar a cabo la función de almacén, transmisión y expresión de
información genética que hemos citado antes, existen dos tipos de ácidos
nucleicos: el ADN y el ARN. Se diferencian en su estructura, pero también en su
localización y en su función, como veremos más adelante. Son moléculas de carácter
ácido, que generalmente aparecen en la célula asociadas a proteínas.
Estructuralmente, cada ácido nucleico está formado por la unión de
numerosas moléculas más pequeñas, denominadas nucleótidos. Los elementos químicos
que forman parte de un nucleótido son C, H, O, N y P, así que ésa será también
la composición elemental de los ácidos nucleicos. Por tratarse de macromoléculas
que almacenan transmiten y expresan una información, será importantísimo el
orden en el que se dispongan los nucleótidos dentro de la cadena.
1.9.2. Nucleótidos. Funciones
de los nucleótidos
Los ácidos nucleicos son polímeros lineales constituidos por unidades
llamadas nucleótidos, de forma que cada ácido nucleico viene determinado por la
composición ysecuencia de sus monómeros
característicos (algo similar a lo que sucedía con las proteínas -su estructura
primaria- y los aminoácidos).
a) Estructura de los
nucleótidos
Un nucleótido está formado por: una pentosa,
una base heterocíclica nitrogenada y una molécula de ácido fosfórico.
*La pentosa
En el ARN es la b-D-ribosa.
En el ADN es la b-2-desoxi-D-ribosa.
Ambos azúcares aparecen en los nucleótidos en la forma cíclica de furanosa.
*La base nitrogenada
Puede ser púrica (derivada de la
purina) o pirimidínica (derivada de la
pirimidina).
Bases púricas:
adenina y guanina.
Bases pirimidínicas: citosina, timina y uracilo.
La adenina y la guanina se encuentran tanto en el ADN como en el ARN
(es decir, las bases nitrogenadas púricas son comunes
a ambos ácidos nucleicos).
En cuanto a las bases pirimidínicas, sólo la
citosina es común a ambos. La timina es característica del ADN, y el uracilo del ARN. Por lo tanto:
ADN ===> A, G, C, T.
ARN ===> A, G, C, U.
Nucleósidos: son el resultado de la unión de una base nitrogenada con la ribosa o
con la desoxirribosa mediante un enlace b-N-glucosídico.
Este enlace se establece entre el N-9 de las púricas
o el N-1 de las pirimidínicas y el C-1' de la pentosa (indicamos 1', 2', etc. en lugar de 1, 2, etc. para
evitar confusión con la numeración de los átomos de la base).
*El ácido fosfórico
Aparece unido a la pentosa por un enlace
éster a través del C-5'.
Nucleótidos:
son ésteres fosforilados
de los nucleósidos, por lo que a veces se les
denomina nucleósidos-fosfato. Podría producirse el
éster con los hidroxilos 2', 3' y 5' de los ribonucleótidos o con los 3' y 5'
de los desoxirribonucleótidos. Sin embargo los 2' fosfato y los 3' fosfato son
escasos.
La presencia de fosfato confiere carácter ácido a la molécula de los
nucleótidos.
b)
Importancia de los nucleótidos
Además de constituir los ácidos
nucleicos, los nucleótidos tienen una gran importancia porque llevan a cabo
funciones básicas para los seres vivos:
*Moléculas acumuladoras y
donantes de energía. El ATP
Muchas reacciones bioquímicas que
tienen lugar en los seres vivos desprenden grandes cantidades de energía. Si
esa energía se disipase no sería de utilidad para otras reacciones en las que
se requiere un aporte de energía. Algunos nucleótidos con más de un grupo
fosfato (generalmente la adenosina, pero a veces también la guanosina)
“almacenan” esa energía para su posterior utilización.
Hemos dicho que en la célula se dan reacciones químicas que liberan
energía (reacciones exergónicas) y otras que
se llevan a cabo absorbiendo energía (reacciones endergónicas).
Como ambos tipos de reacciones se producen simultáneamente, podemos decir que
en la célula se da un continuo trasiego de energía. Este trasiego es posible
gracias a la existencia de moléculas ricas en energía dispuestas a ceder
la energía que almacenan en forma de enlacescuando la célula la necesite: actúan como un depósito o almacén de
energía.
Esta misión la desempeñan distintos compuestos ricos en energía, pero
el más importante de ellos es un mononucleótido:
el adenosíntrifosfato o ATP. Es la
molécula que ordinariamente sirve para captar la energía liberada por las
reacciones exergónicas y para cederla en las
reacciones endergónicas. Por esta razón, el ATP ha
sido denominado la "moneda" del metabolismo energético. Una molécula
de ATP está formada por los siguientes componentes:
a) Una base púrica: la adenina.
b) Una pentosa: la ribosa.
c) Tres moléculas de ácido
fosfórico.
Tal como muestra la anterior figura, los dos últimos restos de ácido
fosfórico están unidos al resto de la molécula por unos enlaces químicos
especiales (representados por el signo ~), que se llaman enlaces de alta
energía porque ellos son los responsables de que la molécula de ATP acumule
gran cantidad de ennergía.
La molécula de ATP puede descomponerse con incorporación de una
molécula de agua, y liberar un resto de fosfato y transformarse así en adenosindifosfato o ADP. Si el ADP se libera
de otro resto de fosfato, la molécula se convierte en adenosinmonofosfato
o AMP.
El paso de ATP a ADP libera una gran cantidad de energía, y lo mismo
sucede cuando el ADP se convierte en AMP (se trata de la energía almacenada en
los enlaces de alta energía).
Como estudiaremos es muy frecuente en el metabolismo celular la
transformación de ATP en ADP con liberación de energía. Además, en muchas
reacciones en las que se libera energía, parte de esa energía se almacena en
forma de ATP al estar acopladas esas reacciones exergónicas
a la reacción ADP + Pi===>ATP.
Otras veces el sistema ATP ===> ADP se utiliza para traspasar el
resto fosfato terminal del ATP a otra molécula (que entonces queda fosforilada y al mismo tiempo dotada
de energía). Al contrario, las moléculas fosforiladas
pueden pasar el resto fosfato al ADP y transformarlo así en ATP.
En el ciclo de Krebs, aparecerá el GTP, con
una función similar al ATP (almacén de energía).
*Coenzimas
Ciertos dinucleótidos
intervienen en reacciones enzimáticas muy importantes:
-Nicotinamínadeníndinucleótido (NAD+)
y Nicotinamínadeníndinucleótido fosfato (NADP+). Aparecen,
respectivamente, en la respiración y en la fotosíntesis. Son coenzimas de las deshidrogenasas
(enzimas que catalizan las reacciones de óxido-reducción).
-Flavínmononucleótido (FMN) y Flavínadeníndinucleótido (FAD).
También intervienen como coenzimas en reacciones de óxido-reducción. El FAD
interviene en el ciclo de Krebs.
*Adenosínmonofosfato cíclico (AMPc)
La unión de moléculas mensajeras
(hormonas, neurotransmisores), procedentes de otros lugares, a ciertos
receptores específicos de la membrana plasmática ,
provocan la activación de la enzima adenilciclasa, que cataliza la siguiente reacción:
Adenilciclasa
ATP------------------àAMPc+P—P
El AMPc sintetizado permite el
desarrollo de determinados procesos bioquímicos. Por eso se le denomina segundo mensajero, porque transmite y
amplifica en el interior de la célula las señales que llegan por la sangre
mediante hormonas, que serán el primer mensajero.
1.9.2. El enlace fosfodiéster.
Tipos de ácidos nucleicos. Estructura, localización y funciones
Tanto en el ADN como en el ARN los nucleótidos adyacentes se
encuentran unidos covalentemente por enlaces fosfodiéster
entre el grupo 5'-hidroxilo de un nucleótido y el 3'-hidroxilo del siguiente.
Se denomina estructura primaria de los ácidos nucleicos a la
composición y secuencia de las bases púricas y pirimidínicas unidas covalentemente
al esqueleto azúcar-fosfato.
Para determinar la secuencia de bases de un polinucleótido
se combinan técnicas de hidrólisis selectiva y se analizan posteriormente los
fragmentos obtenidos, de forma similar a como se hacía para obtener la
secuencia de aminoácidos de un polipéptido. Las enzimas utilizadas son:
-Exonucleasas: hidrolizan únicamente
los enlaces éster de los nucleótidos terminales de la cadena.
-Endonucleasas: hidrolizan enlaces
éster situados en el interior. Las endonucleasas
de restricción son enzimas de origen bacteriano con tal especificidad que
destruyen los ADN extracelulares introducidos en la célula.
a) El ADN
Es la molécula en la que se almacena -en forma de secuencia de
nucleótidos- toda la información genética de la célula y del individuo.
En las células eucarióticas el ADN se encuentra localizado
fundamentalmente en el núcleo, aunque también se encuentra en mitocondrias,
cloroplastos y centriolos.
En las células procarióticas se encuentra en el citoplasma, en la
denominada zona nuclear.
La masa molecular del ADN es enorme.
Las células procarióticas tienen un solo cromosoma (luego el ADN es
una única macromolécula), mientras que las eucarióticas tienen varios.
Estructura
secundaria del ADN
En 1953 Watson y Crick
propusieron un modelo para la estructura tridimensional del ADN, basado
fundamentalmente en:
-las equivalencias de bases observadas por Chargaff,
-los datos de difracción de rayos X en ADN cristalino obtenidos por Wilkins y Franklin.
Al principio se pensaba que las 4 bases (adenina, guanina, citosina y
timina) se encontraban en cantidades equimoleculares,
pero Chargaff descubrió que:
nº de restos de adenina = nº de restos de timina
nº de restos de guanina = nº de restos de citosina
Luego A + G = C + T(la suma de
restos de bases púricas era igual a la suma de restos
de bases pirimidínicas).
Por análisis de difracción de rayos X del ADN cristalino altamente
purificado se observaron 2 reflexiones que correspondían a 2 periodicidades:
-una principal de 0'34 nm,
-otra secundaria de 3'4 nm.
También se obtuvieron datos importantes sobre las dimensiones de las
bases púricas y pirimidínicas
y de los nucleósidos.
A partir de estos datos Watson y Crick postularon el siguiente modelo estructural del ADN:
1) La molécula de ADN estaría constituida por 2 cadenas polinucleótidas arrolladas en una estructura helicoidal
dextrógira alrededor de un mismo eje. Forman una doble hélice.
2) Las 2 cadenas son antiparalelas.
3) El arrollamiento es plectonémico
(no se puede separar una de las hebras sin desenrrollarlas).
4) Las bases de una de las hebras están apareadas con las bases
de la otra en planos paralelos entre sí y perpendiculares al eje de la
hélice.
5) Las bases se aparean de acuerdo con sus tamaños y con la posibilidad
de formar enlaces de H entre ellas (adenina con timina y guanina con citosina):
se forman tres enlaces de H para el par G-C y dos para el A-T.
6) El apareamiento de bases se extiende a lo largo de toda la molécula
de ADN. Por eso las 2 hebras antiparalelas del ADN no
son idénticas ni en composición ni en secuencia de bases, sino que son complementarias
entre sí.
7) Las dimensiones moleculares de la doble hélice son: los pares de
bases adyacentes
se encuentran a una distancia de 0'34 nm (3'4 Å); en cada vuelta de la doble hélice hay 10 restos
nucleotídicos por cadena, por lo que la distancia que
avanza cada vuelta de la hélice es 3'4 nm (34 Å);
el diámetro de la doble hélice es aproximadamente
de 2 nm (20 Å), con 2 hendiduras en la superficie:
una superficial y otra
profunda.
Este modelo propuesto por Watson y Crack era
compatible con los datos obtenidos anteriormente y
permitía indicar un mecanismo por medio del cual la información genética podía
replicarse con exactitud. Los datos experimentales posteriores lo han
refrendado.
La doble hélice queda estabilizada por los puentes de H entre los pares de bases complementarias
y también por las interacciones electrostáticas e hidrofóbicas
entre las bases apiladas en el interior de la hélice.
Los restos polares del azúcar y los grupos fosfato cargados
negativamente quedan en la parte externa y confieren a la molécula un marcado carácter polianiónico que permite un modo de estabilización
adicional mediante interacciones electrónicas con proteínas básicas tales como
las histonas.
Esta estructura de doble hélice la presentan todas las moléculas de
ADN (en cromosomas eucarióticos , ADN mitocondrial, cloroplastos, procariotas,
etc.). Algunos virus (p. ej. el fago FX174), presentan, sin
embargo, un ADN circular de una sola hebra.
b) El ARN
Es el ácido nucleico más abundante en las células (aparece en
proporción más elevada que el ADN).
Existen 3 tipos diferentes de ARN: ARN de transferencia (ARN-t
ó t-RNA), ARN ribosomal (ARN-r ó r-RNA) y ARN
mensajero (ARN-m ó m-RNA).
Los diversos tipos de ARN participan en la expresión de la información
genética contenida en el ADN. Es decir, mientras el ADN es portador de la
información genética y dicta órdenes para que la célula elabore las
proteínas, el ARN se ocupa de que esas órdenes se ejecuten.
Los 3 tipos de ARN no son sólo diferentes por su estructura sino
también por su localización intracelular: aproximadamente la mitad del ARN se
encuentra formando parte de los ribosomas (ARN-r), un 25% en el citosol (fundamentalmente ARN-t y un poco de ARN-m), y una
proporción significativa en el núcleo (parte asociado de forma no covalente al
ADN y parte en el nucleolo). Igual que con el ADN, las mitocondrias tienen sus
propios ARN específicos (aprox. un 15% del ARN total).
*ARN de transferencia
Las moléculas de ARN-t tienen un pm _
25.000, lo que supone entre 75 y 90 nucleótidos. Sus moléculas son
relativamente pequeñas. Tienen la función de transportar aminoácidos
individuales específicos para la síntesis de proteínas en los ribosomas. Cada
uno de los 20 aminoácidos hallados en proteínas posee al menos un ARN-t
correspondiente, mientras que algunos de ellos tienen múltiples ARN-t (p. ej.
en E. coli existen 5 ARN-t específicos para
transferir Leu, y algo similar sucede para algunos
aminoácidos en mitocondrias y en el citoplasma de células eucarióticas).
Es el ARN más estudiado. Tras la determinación de la secuencia del
ARN-t específico para Ala, llevada a cabo por Holley,
se han secuenciado unos 50 ARN-t más.
A pesar de tener secuencias de bases muy diferentes entre sí, los
ARN-t se caracterizan por contener, además de las bases principales (A, G, C y
U), una proporción elevada (hasta un 10%) de bases poco frecuentes.
Además, todos los ARN-t presentan el nucleótido pG
en el extremo 5' terminal, y la secuencia pC-pC-AOH en el extremo 3'. Precisamente a este extremo
adenílico terminal se une el aminoácido específico
para dar la forma activa del aminoácido (aminoacil-ARN-t).
Los diferentes ARN-t comparten también una estructura secundaria muy
semejante que puede dibujarse bidimensionalmente como una forma que se asemeja
a una hoja de trébol.
Según este modelo,la cadena polinucleotídica única se encuentra plegada sobre sí misma
y presenta 4 zonas o segmentos de emparejamiento antiparalelo
de bases por enlaces de H, que constituyen una doble hebra intracatenaria
similar en su estructura a la doble hélice del ADN.
Estos segmentos alternan con zonas de conformación al azar debido a
que la composición de bases de esos fragmentos no permite su emparejamiento.
Así, la molécula presenta 3 lóbulos o brazos característicos y un brazo abierto
que incluye los dos extremos de la cadena. Algunos ARN-t de cadena más larga
presentan un quinto brazo accesorio. Los cuatro brazos presentan estructura y
funciones características.
El brazo TYC es prácticamente idéntico en todos los
ARN-t.
El brazo anticodón presenta en su
centro una secuencia de 3 bases diferente en cada ARN-t. Este triplete es el anticodón (secuencia complementaria del triplete del
ARN-m que es característico para cada aminoácido). Una de las bases del anticodón (llamada base "vacilante") presenta una
especificidad menor que las otras dos por su base correspondiente del codón).
De la función de los otros dos brazos hablaremos al tratar el proceso
de traducción o síntesis de proteínas en el siguiente tema.
Se sabe que en los ARN-t la molécula se encuentra doblada
asimétricamente, y adopta una estructura terciaria en forma de L, con el brazo anticodón en un extremo yel brazo aminoácido en el otro.
*ARN ribosomal
Los ribosomas de procariotas y de eucariotas tienen dos subunidades
de distinto tamaño formadas por ARN-r (65% de su masa total) y proteínas. Se
han detectado 3 tipos de ARN-r en procariotas y 4 en eucariotas, con coeficientes de sedimentación diversos
(trataremos de esto al hablar de la estructura y composición de los ribosomas
en el siguiente tema). Son moléculas lineales de una sola hebra, con algunas bases
metiladas y con numerosas zonas de emparejamiento antiparalelo dentro de una misma fibra.
La función exacta, vinculada a la estructura del ribosoma y al
mecanismo de síntesis de proteínas, no está clara
todavía.
*ARN mensajero
Sintetizado en el núcleo como copia complementaria de un fragmento de
ADN, pasa al citoplasma y luego a los ribosomas, donde actúa como patrón
secuencial de los sucesivos aminoácidos en el proceso de biosíntesis de una
proteína. Cada proteína sintetizada en una célula es codificada por una
molécula específica de ARN-m (que está constituida por una combinación de las
bases A, G, C y U).
No se ha propuesto ninguna conformación espacial ordenada para las
moléculas de ARN-m sino que se plantea que su molécula sea de estructura
abierta o lineal.
La mayoría de los ARN-m de las células eucarióticas se sintetizan con
un fragmento poliadenílico (poli A) de unos 200
restos unido al extremo 3' de la cadena y cuya función no se conoce con
exactitud.