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1.9. Ácidos nucleicos

 

 

1.9.1. Concepto e importancia

 

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 y secuencia 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 enlaces cuando 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:

 

-Nicotinamín adenín dinucleótido (NAD+) y Nicotinamín adenín dinucleótido fosfato (NADP+). Aparecen, respectivamente, en la respiración y en la fotosíntesis. Son coenzimas de las deshidrogenasas (enzimas que catalizan las reacciones de óxido-reducción).

 

-Flavín mononucleótido (FMN) y Flavín adenín dinucleótido (FAD). También intervienen como coenzimas en reacciones de óxido-reducción. El FAD interviene en el ciclo de Krebs.

*Adenosín monofosfato 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 adenil ciclasa, que cataliza la siguiente reacción:

 

Adenil ciclasa

ATP------------------à AMPc + 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 y el 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.