LOS ÁCIDOS NUCLEICOS

Transcripción

1 LOS ÁCIDOS NUCLEICOS Son polímeros de alto peso molecular constituidos por: ácido fosfórico un tipo de pentosa (ribosa o desoxiribosa) un tipo de base nitrogenada (púricas o pirimidínicas) Si la pentosa es la desoxirribosa, tenemos el ADN, mientras que si es la ribosa entonces tenemos ARN. Las bases nitrogenadas pueden derivar de la purina (bases púricas de doble anillo) como la adenina y guanina, o derivar de la pirimidina (bases pirimidínicas de un solo anillo) como la timina, citosina y uracilo. Fundamentalmente y salvo excepciones, en el ADN se encuentran A, G, T y C, mientras que en el ARN son A, G, C y U

2 La unión de una base con la pentosa origina un nucleósido. La unión de un nucleósido con una o más moléculas de ácido fosfórico origina un nucleótido. Varios nucleótidos unidos conformarán al ácido nucleico correspondiente, por lo que los ácidos nucleicos son polímeros de nucleótidos. LOS NUCLEÓSIDOS Son compuestos formados por la unión de una base y una pentosa mediante un enlace N-glucosídico. Para no confundir los carbonos de la pentosa con los de la base los primeros se renumeran y se les añade el símbolo (prima). El enlace es entre el carbono 1 de la pentosa y el nitrógeno 1 de la base, si ésta es pirimidínica o el nitrógeno 9 si es púrica. Se nombran añadiendo la terminación OSINA o IDINA según la base sea púrica o pirimidínica: adenosina, guanosina, timidina, citidina y uracidina. Si la pentosa es la desoxirribosa se antepone el prefijo DESOXI-. Formación de un nucleósido: adenosina LOS NUCLEÓTIDOS La unión entre una o más moléculas de ácido fosfórico y un nucleósido origina un nucleótido. Se unen a través del grupo OH- (hidroxilo) del carbono 5 de la pentosa. Se forma, por tanto, un éster fosfórico del nucleósido. Los nucleótidos tendrán un fuerte carácter ácido debido al grupo fosfato que se ioniza. Se nombran anteponiendo la palabra ácido al nombre de la base y añadiendo la terminación ILICO: ácido adenílico, ácido desoxitimidílico, etc. También se pueden nombrar a partir de su correspondiente nucleósido añadiéndole monofosfato, difosfato o trifosfato. Por ejemplo adenosín monofosfato, desoxicitidín difosfato, etc (con frecuencia se nombran sólo con las siglas). Desoxiadenosín monofosfato Uracidín monofosfato - 2 -

3 Existen otros importantes nucleótidos y derivados de éstos que no forman parte de los ácidos nucleicos pero tienen un importante papel metabólico como son el ATP (adenosín trifosfato) que es la moneda de cambio energético, el AMPc (adenosín monofosfato cíclico) que es un segundo mensajero o el NAD (nicotinamín adenín dinucleótido) que es un coenzima de reacciones de oxidación-reducción en la respiración celular. LOS ÁCIDOS NUCLÉICOS Son polinucleótidos. Los nucleótidos se unen entre sí a través del radical fosfato del carbono 5 de un nucleótido y el hidroxilo (OH) del carbono 3 de otro nucleótido mediante enlace fosfodiester (también se denominan enlaces nucleotídicos). Extremo 5 En todos los nucleótidos, independientemente de la longitud de la cadena, existirá un extremo con el OH del carbono 3 de la pentosa libre (extremo 3 ), y otro extremo (llamado extremo 5 ) donde se localiza un grupo fosfato libre unido al carbono 5 de otra pentosa. En el dbujo de la derecha aparece un dinucleótido. (también llamado enlace nucleotídico) Extremo 3 Las principales funciones de los ácidos nucléicos son conservar y transmitir información genética

4 EL ÁCIDO DESOXIRRIBONUCLEICO Denominado ADN, está formado por nucleótidos de adenina, guanina, timina y citosina, siendo la pentosa la desoxirribosa, unidos mediante enlaces fosfodiéster en sentido 5 >3. En el hombre, el peso molecular es de 3,6 x En la célula eucariótica el ADN se encuentra principalmente en el núcleo, asociado a proteínas histónicas y no histónicas (nucleoproteínas). En mitocondrias y cloroplastos también hay ADN. En la actualidad se sabe que el ADN procariota está asociado a proteínas semejantes a histonas, a ARN y a proteínas no histónicas, constituyendo el nucleoide o región donde se localiza el ADN de procariotas, que a diferencia del núcleo eucariótico carece de membrana. NIVELES ESTRUCTURALES En el ADN se distinguen 3 niveles estructurales: a) Estructura primaria. Secuencia de nucleótidos. b) Estructura secundaria. Doble hélice. c) Estructura terciaria. Para que quepa dentro del núcleo, se encuentra empaquetado en diferentes niveles de empaquetamiento que ya veremos. Estructura primaria Es la secuencia de nucleótidos de una sola cadena. Consta de un esqueleto de fosfopolidesoxirribosas y una secuencia de bases nitrogenadas (A, G, T y C). dado que dicho esqueleto es común a todos los ADN existentes, la diferencia estriba en la secuencia de bases nitrogenadas

5 La combinación de bases puede dar lugar a un enorme número de cadenas. En el hombre hay 5,6 x 10 9 pares de nucleótidos que pueden dar ADN distintos. La información genética se estructura combinando dichas bases. El porcentaje de las diferentes bases es el mismo en todos los individuos de una misma especie. Estructura secundaria Es la disposición espacial de las cadenas de polinucleótidos en doble hélice, con las bases nitrogenadas enfrentadas y unidas mediante puentes de hidrógeno. Se dedujo a partir de los siguientes datos experimentales: La densidad y viscosidad de dispersiones acuosas de ADN eran distintas de las esperadas. Chargaff (1950) observó que aparecían tantas moléculas de A como T, y de G como C, estableciendo que entre A y T deberían existir dos puentes de hidrógeno y entre G y C hay tres. Mediante técnicas de difracción de rayos X se descubrió que el ADN tiene una estructura fibrilar de 20 amstrongs de diámetro (Rosalind Franklin, 1950). A partir de estos datos, Watson y Crick establecieron el modelo de doble hélice (1953). El ADN estaría formado por dos cadenas de polinucleótidos antiparalelas, complementarias y plectonómicas, veamos: Estructura secundaria del ADN. Watson y Crick - 5 -

6 Antiparalelas porque el extremo 3 de una cadena se enfrenta con el extremo 5 de otra cadena, y viceversa. Complementarias, ya que siempre irán unidos los pares adenina-timina y guanina-citosina. Por tanto, conociendo la secuencia de una cadena podemos conocer inmediatamenta la secuencia de la otra. Plectonómicas pues las cadenas no pueden separarse si antes no desenrollamos la doble hélice. Los grupos hidrófobos de las bases se disponen hacia el interior de la macromolécula, mientras que los hidrófilos (pentosas y grupos fosfato) quedan en el exterior, lo que confiere su carácter ácido (polianiones). Si la temperatura de una dispersión de fibras de ADN supera los 100ºC se desnaturaliza (cadenas separadas). Si desciendo por debajo de 65ºC se renaturalizan o hibridan (cadenas unidas). Cuanto mayor es el parentesco entre dos especies, tanto mayor es el grado de complementariedad o hibridación de su ADN. NOTA: Se distinguen tres tipos de estructuras en doble hélice de ADN: Forma B (Watson y Crick): dextrógira, bases complementarias situadas en planos perpendiculares. Más común. Forma A: dextrógira, bases complementarias situadas en planos inclinados. Aparece al desecar el ADN. Forma Z: levógira, con enrollamiento irregular, en zigzag. Aparece en regiones donde se alteran muchas C y G, pudiendo constituir señales para las proteínas reguladoras del mensaje genético. Estructura terciaria: El ADN bacteriano o el ADN mitocondrial pueden presentar una disposición espacial terciaria de ADN superenrollado, que aparece debido a las tensiones que surgen al aumentar o disminuir el número de vueltas de la hélice doble. Estos superenrrollamiento se generan porque una de las cadenas da más vueltas hacia la derecha que la otra y la tensión aumenta. Para su replicación del ADN se desespiraliza, deshaciéndose las vueltas y disminuyendo la tensión. La formación y disminución del superenrollamiento se debe a enzimas topoisomerasas

7 NIVELES DE EMPAQUETAMIENTO DEL ADN Es la unión del ADN a determinadas proteínas de manera que se compacta mucho y cabe dentro del núcleo. 1º) Primer nivel: es la asociación de ADN con proteínas nucleares, como histonas o protaminas. El ADN asociado a las histonas constituirá la cromatina. Según la proteína asociada se conocen dos tipos de empaquetamiento: (a) Collar de perlas: también llamada fibra de cromatina de 100 amstrongs (10 nm de grosor). Se encuentra en el núcleo en reposo de células somáticas. Se colorea intensamente con colorantes básicos. Constituida por una sucesión de partículas enlazadas por una doble hélice de ADN. Cada partícula está constituida por octámeros de histonas (2 H2A, 2 H2B, 2 H3 y 2 H4) más 146 pares de bases de ADN (2 vueltas de la cadena de ADN). El conjunto se denomina nucleosoma. Cada nucleosoma puede asociarse a una nueva molécula de histona, la H1. Si la fibra de cromatina contien la histona H1 se dice que está condensada, y si no la lleva es cromatina laxa (en las aves la H1 se sustituye por H5). (b) Estructura cristalina: resulta de la asociación de ADN con protaminas, apareciendo en el núcleo de espermatozoides. La fuerte atracción entre ADN y protaminas implica un mayor grado de empaquetamiento favoreciendo la movilidad del espermatozoide. Las protaminas, a diferencia de las histonas, son diferentes en cada especie

8 2º) Segundo nivel: fibra de cromatina de 300 amstrongs (o 30 nm de grosor), formada por el enrollamiento sobre sí misma de la fibra condensada de 100 amstrongs, constituyendo el llamado modelo solenoide. En el núcleo la mayor parte de la cromatina se encuentra como fibra de 100 y 300 amstrongs. 3º) Niveles superiores de empaquetamiento. Si en el primer nivel la longitud de la fibra de ADN es 7 veces menor y en el segundo nivel de veces menor, sucesivos niveles de empaquetamiento suponen una reducción de hasta veces. El tercer nivel son los dominios estructurales en forma de bucles de pares de bases, estabilizados por proteínas no histónicas que forman un eje central o andamio. Seis bucles constituyen una roseta y treinta rosetas un rodillo, que sería el cuarto nivel de empaquetamiento. El quinto y último nivel sería el cromosoma. Formado por una sucesión de rodillos cuyo grado de compactación sería responsable de las bandas observables al microscopio óptico

9 TIPOS DE ADN Atendiendo a su estructura: - Monocatenario (en virus): éste puede ser lineal (parvovirus) o circular (OX174). - Bicatenario: circular (bacterias, mitocondrias, virus) y lineal (eucariotas, virus). Puede estar asociado a proteínas o superenrollado como vimos antes. Según su longitud: es variable según la especie (hombre: 2,36 m). Existe ADN supernumerario cuya función es desconocida es decir, se posee más del necesario para construir la estructura y fisiología del organismo. Según el tipo de moléculas asociadas: asociado a histonas o protaminas (eucariotas) y asociado a histonas, proteínas no histónicas o ARN (procariotas). EL ÁCIDO RIBONUCLEICO Constituido por moléculas de ribosa, con las bases A, G, C y U. Generalmente carece de T. La unión de los nucleótidos es en sentido 5 >3 mediante enlace fosfodiéster

10 Excepto en reovirus, el ARN es monocatenario. En determinadas regiones, por la complementariedad de bases, puede adoptar estructura secundaria y al asociarse a proteínas una estructura terciaria. En células eucariotas hay de 5-10 veces más ARN que ADN. TIPOS DE ARN Según su estructura: ARN bicatenario: se da en reovirus. ARN monocatenario: en virus, células procariotas y eucariotas. A su vez, existen varios tipos que son los siguientes: ARN transferente, ARN mensajero, ARN ribosomal, ARN nucleolar. ARN implicados en la formación de proteínas: A. EL ARN DE TRANSFERENCIA O ARN SOLUBLE. Se localiza el citosol, constituyendo un 10-15% del ARN total. Se trata de ARN monocatenario, con forma de hoja de trébol (realmente los brazos se disponen plegados conformando una estructura en boomerang ). Los brazos se denominan: brazo D, brazo T, brazo anticodon y brazo aceptor de aminoácidos. De p.m , posee de nucleótidos. Se localiza en el citoplasma

11 Se conocen hasta 50 tipos de ARNt cuya función es transportar aminoácidos específicos durante la síntesis proteica donde, según la secuencia específica en un ARNm (transcrito del ADN) se sintetizarán las proteínas correspondientes. En el extremo 5 siempre hay un nucleótido de guanina. En el extremo 3 siempre hay un triplete CCA o triplete aceptor. En el anticodon hay diferentes tripletes en función del aminoácido que capta específicamente el ARNt. Otros nucleótidos que pueden aparecer además de A, G, U, C son la inosina, la metilguanosina, etc. B. EL ARN MENSAJERO. Presenta diferente estructura en procariotas y eucariotas. En ecuariotas tiene zonas con una sola cadena y zonas de doble hélice, y su peso molecular es Constituye del 3-5% del ARN celular. Está asociado a proteínas formando partículas riboproteínicas mensajeras. Se forma a partir de ARN heterogéneo nuclear el cual posee segmentos con información llamados EXONES y segmentos sin información llamados INTRONES, que tras un proceso de maduración son suprimidos, no apareciendo en el ARNm. Posee en el extremo 5 una caperuza de metil-guanosin-trifosfato invertida que bloquea la acción de enzimas exonucleasas y constituye la señal de inicio de la biosíntesis proteica. La secuencia de inicio es siempre AUG. En el extremo 3 hay una cola de 200 nucleótidos de adenina o cola de poli-a que le confiere estabilidad frente a exonucleasas. Se localiza en el núcleo celular y su función es transmitir la información contenida en el ADN hasta los ribosomas para en ellos sintetizar proteínas a partir de los aminoácidos que aportan los diferentes ARNt. El ARNm eucariótico es monocistrónico es decir sólo contiene información para una determinada proteína (todo esto le veremos más detenidamente al estudiar la transcripción y traducción)

12 El ARNm procariótico carece de caperuza y cola de poli-a, siendo además policistrónico, es decir posee información separada para proteínas distintas. C. EL ARN RIBOSOMAL. Se encuentra en los ribosomas. Constituye el 70-80% del ARN celular, y el 60% en peso de dichos orgánulos. Presenta segmentos lineales y otros en doble hélice debido a secuencias de ribonucleótidos complementarios (estructura secundaria). Además, al asociarse a proteínas ribosómicas adopta una estructura terciaria relacionada con la síntesis proteica, pues proporciona la forma adecuada para alojar al ARNm y a los aminoácidos. Recordad que los ribosomas son los orgánulos celulares responsables de la síntesis proteica. Las células procariotas presentan ribosomas con coeficiente de sedimentación 70 S y las eucariotas 80 S (1 Svedberg=10-13 segundos y es una manera de expresar la masa molecular de dichos orgánulos) D. El ARN NUCLEOLAR. Se encuentra en el nucléolo, formándose a partir de diferentes segmentos de ADN, uno de los cuales se denomina región organizadora nucleolar. Su coeficiente de sedimentación es 45 S. Está asociado a proteínas procedentes del citoplasma, y posteriormente originará tres ARNr que formarán los ribosomas: ARNr 18 S, ARNr 28 S y ARNr 5,8 S. A esto se añade posteriormente un ARN 5 S procedente del nucleoplasma y formado a partir de otro segmento de ADN diferente al anterior. La subunidad mayor 60 S formada por ARNr 28 S, ARNr 5,8 S y ARNr 5 S junto con la subunidad menor 40 S formada por ARNr 18 S, salen del núcleo al citoplasma uniéndose y constituyendo un ribosoma 80 S. El ARN nucleolar junto con el ARN mensajero constituyen un 10 % del total de ARN. En cloroplastos y mitocondrias también hay ARN de transferencia y ARN mensajero, constituyendo un 5 % del total

13 ARN reguladores: Algunos tipos de ARN regulan la expresión génica pues son complementarios de otros ARNm o de genes de ADN como los: - ARN de interferencia, que suprimen la expresión de ciertos genes (micro ARN, ARN interferente pequeño, ARN asociado a proteínas PIWI). - ARN antisentido. - ARN largo no codificante. - Etc. ARN con actividad catalítica: - Ribozimas: ARN que actúa como catalizador cuando se una a determinadas proteínas. - ARN pequeño nuclear (ARNpn) quien junto a varias proteínas conforman el espliceosoma, complejo ribonucleoproteico implicado en la eliminación de intrones durante la maduración del ARNm. También existe el ARN mitocondrial (y el ADN mitocondrial): ciertos virus poseen ARN cono único material genético, aún cuando en todos los organismos celulares es el ADN el portador de la información genética. Comentar finalmente que algunos científicos proponen como hipótesis que el ARN fue la primera forma de vida en la Tierra, desarrollando posteriormente una membrana celular a su alrededor y convirtiéndose así en la primera célula. Se basa en la comprobación de que el ARN puede contener información genética, de un modo análogo a como lo hace el ADN, y que algunos tipos son capaces de llevar a cabo reacciones metabólicas, como autocorte o formación de enlaces peptídicos. DIFERENCIAS ENTRE EL ADN Y EL ARN: ADN Almacenamiento de la información,disponible en cualquier momento. Transmisión de la información de generación en generación. Presenta una mayor estabilidad que el ARN. Forma cadenas dobles (bicatenario) que adoptan una morfología de hélice a similar a la de las proteínas. El azúcar que lo constituye es la pentosa desoxirribosa que carece de un oxígeno en el carbono 2, de ahí el nombre del ácido. ARN Considerado generalmente, como el intermediario entre la información almacenada en la secuencia de nucleótidos del ADN y las proteínas. En comparación con el ADN es muy fácilmente degradado por enzimas lo que le confiere poca estabilidad, degradándose rápidamente. Se encuentra en la célula monocatenario, es decir constituido por una sola cadena. El azúcar que lo constituye es la pentosa ribosa que posee un OH en el carbono

14 Bases nitrogenadas Purinas: Adenina, Guanina. Pirimidinas:Timina, Citosina. Bases Nitrogenadas Purinas: Adenina, Guanina. Pirimidinas: Uracilo, Citosina FUNCIONES DE LOS ÁCIDOS NUCLEICOS: a. Almacenamiento y transmisión de información genética. El ADN realiza esa función en organismos eucariotas, procariotas y en algunos virus, y al ARN sólo en algunos virus. Dicha información será luego transmitida de generación en generación. Se cree que el ARN constituyó el material genético de los primeros organismos vivos, siendo sustituido posteriormente por el ADN, más estable. b. Expresión de la información genética. La información genética es transcrita desde el ADN al ARN y, posteriormente será traducida a proteínas (expresión del mensaje biológico). En la actualidad, el descubrimiento de organismos que carecen de ácidos nucleicos donde almacenar la información genética, como por ejemplo los priones (mal de las vacas locas) que están formados exclusivamente por proteínas y de los que se desconoce poco de su biología, está poniendo en entredicho este dogma