1. NUCLEÓTIDOS. Pentosa, base nitrogenada
y ácido fosfórico.
2. ESTRUCTURA
GENERAL DE LOS ÁCIDOS NUCLEICOS.
3. EL ADN. Estructura secundaria (modelo de Watson
y Crick).
4. EL ARN.
ARN de transferencia. ARN ribosómico. ARN mensajero.
1. 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).
Un nucleótido está formado por:
-una pentosa,
-una base heterocíclica
nitrogenada,
-ácido fosfórico.
a) La pentosa
En el ARN es la β-D-ribosa.
En el ADN es la β-2-desoxi-D-ribosa.
Ambos azúcares aparecen en los
nucleótidos en la forma cíclica de furanosa.
b) 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 β-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).
c) 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 seles 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.
Muchas coenzimas son
nucleótidos, a los que se asocian vitaminas (como ya estudiamos en el tema
anterior). Así nos encontramos con el ATP (adenosín-trifosfato), que es una molécula que almacena gran cantidad
de energía en sus enlaces fosfato y que desempeña un papel principal en las
rutas metabólicas; y el GTP (guanidín-trifosfato) que interviene en el ciclo de Krebs, con un papel similar al que hemos visto para el GTP.
Además está el AMP-cíclico, que actúa como segundo mensajero (dentro de la célula) para hormonas que no pueden atravesar la membrana celular por ser hidrófilas.
El FAD (flavín-adenín-dinucleótido) y el NAD (dinucleótido
de nicotinamida y adenina) se reducen y participan en reacciones de
óxido-reduccióndel metabolismo. Algo
similar sucede con el FMN (flavín-mononucleótido).
2. Estructura general de los
ácidos nucleicos
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.
3. 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:
n1 de restos de adenina = n1 de restos de timina
n1 de restos de guanina = n1 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 desenrollarlas).
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 Crick 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 ΦX174),
presentan, sin embargo, un ADN circular de una sola hebra.
4. 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).
a) 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 extermoadenílico 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 TΨC 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.
b) 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.
c) 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.