7.1. CONCEPTO E IMPORTANCIA BIOLÓGICA DE LOS ÁCIDOS NUCLEICOS

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1 7. ÁCIDOS NUCLEICOS 7.1. CONCEPTO E IMPORTANCIA BIOLÓGICA DE LOS ÁCIDOS NUCLEICOS Los ácidos nucleicos son grandes moléculas constituidas por la unión de monómeros, llamados nucleótidos, mediante enlaces fosfodiéster. Los ácidos nucleicos son el ADN (ácido desoxirribonucleico) y el ARN (ácido ribonucleico) NUCLEÓTIDOS Son moléculas que se pueden presentar libres en la Naturaleza o polimerizadas, formando ácidos nucleicos. También pueden formar parte de otras moléculas que no son ácidos nucleicos, como los coenzimas ATP, NAD +, NADP +, FAD y Coenzima A. Los nucleótidos se forman por la unión de una base nitrogenada, una pentosa y uno, dos o tres ácidos fosfóricos. Las bases nitrogenadas pueden ser púricas (derivadas de la purina) o pirimidínicas (derivadas de la pirimidina). PURINA PIRIMIDINA Las bases púricas son: Adenina y Guanina. Las bases pirimidínicas son Citosina, Uracilo y Timina. El ADN no contiene Uracilo, mientras que el ARN no suele contener Timina. 33

2 Las pentosas pueden ser Ribosa, que forma los ribonucleótidos componentes del ARN, y 2- Desoxirribosa, que forma los desoxirribonucleótidos componentes del ADN. Los carbonos que constituyen las pentosas se numeran denominándolos con números prima (5 por ejemplo), para no confundirlos en nomenclatura con los carbonos de la base nitrogenada. La unión de una pentosa y una base nitrogenada origina un nucleósido. El enlace se establece entre el carbono 1 de la pentosa y el nitrógeno 9, si la base es púrica o en nitrógeno 1, si es pirimidínica. El enlace así formado se llama enlace N - glucosídico. Un nucleótido es un nucleósido unido a uno o más ácidos fosfóricos o grupos fosfato. Enlaces éster-fosfórico Los grupos fosfato se unen al nucleósido en el carbono 5 de la pentosa. Los enlaces entre dos grupos fosfato se denominan enlaces ester-fosfórico y tienen la peculiaridad de que almacenan gran cantidad de energía (unas 7,3 Kcal/mol); por tanto, cuando se hidroliza uno de estos enlaces, se libera también gran cantidad de energía. Este hecho es de gran importancia para comprender la función del ATP (adenosín trifosfato) como principal transportador de energía en el metabolismo celular. 34

3 NOMENCLATURA DE LOS NUCLEÓTIDOS Los nucleótidos de bases púricas se denominan con la terminación idin a continuación del nombre de la base y mono, di o trifosfato, según el número de moléculas de ácido fosfórico. Adenosin, (mono, di o tri fosfato), para la base nitrogenada adenina. Guanosin, (mono, di o tri fosfato), para la base nitrogenada guanina. Los nucleótidos de bases pirimidínicas se denominan con la terminación osín a continuación del nombre de la base y mono, di o trifosfato, según el número de moléculas de ácido fosfórico. Citidin, (mono, di o tri fosfato), para la base nitrogenada citosina. Timidin, (mono, di o tri fosfato), para la base nitrogenada timina. Uridin, (mono, di o tri fosfato), para la base nitrogenada uracilo. Llevan el prefijo desoxi-, en el caso de estar formadas por la pentosa 2-desoxirribosa. Ejemplos de nucleótidos: Desoxiguanosín monofosfato EL ENLACE FOSFODIÉSTER Es el enlace mediante el cual unen los nucleótidos, polimerizándose en las largas cadenas de ADN y ARN. Un enlace fosfodiéster se establece entre la posición 3 de un nucleótido y la posición 5 del siguiente nucleótido. Si se unen dos nucleótidos, se forma un dinucleótido y se desprende una molécula de agua 35

4 FUNCIONES DE LOS NUCLEÓTIDOS Las funciones de los nucleótidos se pueden dividir en dos grupos: 1. Formación de ácidos nucleicos El ADN y el ARN son polinucleótidos, cadenas lineales de nucleótidos unidos mediante enlaces fosfodiéster, en los que los grupos fosfato están esterificados a los hidroxilos 5' y 3' de dos nucleótidos consecutivos. Por convención, la secuencia de los polinucleótidos se representa en el sentido 5' 3'. Los nucleótidos del ARN son ribonucleótidos de adenina, guanina, citosina y uracilo. Los nucleótidos del ADN son desoxirribonucleótidos de adenina, guanina, citosina y timina. 2. Funciones no nucleicas Además de los nucleótidos que integran los ácidos nucleicos, existen otros que tienen una importancia biológica notable y que no forman parte de ellos. Se encuentran libres en las células, e intervienen en el metabolismo y en su regulación como activadores de enzimas, aportando energía química en las reacciones celulares y como coenzimas. Nucleótidos transportadores de energía ADP (adenosín difosfato) y el ATP (adenosín trifosfato): La importancia biológica de estos nucleótidos radica en que los grupos fosfatos se unen entre sí mediante enlaces éster-fosfórico ricos en energía. Esta energía se acumula al formarse el enlace y se libera fácilmente cuando este se rompe por hidrólisis. La energía desprendida en las reacciones exergónicas se utiliza para formar ATP a partir de ADP y ácido fosfórico (fosforilación), mientras que la energía que se necesita en las reacciones endergónicas procede de la liberada cuando el ATP se hidroliza a ADP y ácido fosfórico (defosforilación). Además del ATP y el ADP, también intervienen en algunas reacciones metabólicas los nucleótidos de guanina GTP y GDP y de uracilo UTP y UDP. AMPc (AMP cíclico): Es un nucleótido de adenina cuyo ácido fosfórico está esterificado con los carbonos 5' y 3' de la ribosa, formando una estructura cíclica. Esta molécula, directa o indirectamente, activa enzimas que actúan en numerosas reacciones metabólicas. ATP ATP + H 2 0 ADP+ Pi + ENERGÍA AMP c 36

5 Nucleótidos coenzimáticos Los coenzimas tienen diversa naturaleza química, pero muchas de ellas son nucleótidos. A diferencia de las enzimas, los coenzimas no son específicos en cuanto al sustrato sobre el que actúan, sino que cada grupo de coenzimas interviene en un mismo tipo de reacción, independientemente de cuál sea el sustrato. Los principales nucleótidos coenzimáticos son: FAD (flavín-adenín-dinucleótido), formado por una molécula de FMN unida mediante enlace fosfodiéster a otra de AMP (adenosín monofosfato). Es un coenzima de las deshidrogenasas, enzimas que catalizan las reacciones de oxidación-reducción, y se puede encontrar tanto en forma oxidada (FAD) como en forma reducida (FADH 2 ). Para pasar de una forma a otra, capta o cede hidrógeno, oxidando o reduciendo el sustrato. XH2 X FAD FADH 2 NAD + (nicotín-adenín-dinucleótido) y NADP + (nicotín-adenín-dinucleótido- fosfato) : Son también coenzimas de las deshidrogenasas. Se pueden encontrar en forma oxidada (NAD +, NADP + ) o reducida (NADH+H + y NADPH + H + ). Intervienen en diversos procesos metabólicos, como la respiración celular. CoA- SH (coenzima A): Está formado por el ácido pantoténico o vitamina B 5, y una cadena corta unida a un grupo SH. El coenzima A se designa abreviadamente con el término CoA, o bien con el de CoA-SH, para resaltar la importancia que tiene el grupo funcional SH. Interviene como transportador de grupos acilo (R-CO-) procedentes de los ácidos orgánicos. Un derivado de la coenzima A, el acetil coenzima A (CH 3 -CO-S-CoA), tiene una gran importancia en el metabolismo celular. Existe una importante relación este estos coenzimas y las vitaminas, ya que algunas vitaminas del grupo B son componentes esenciales de los coenzimas: VITAMINA COMPOSICIÓN COENZIMA DEL QUE FORMA PARTE B2 RIBOFLAVINA FAD B3 NIACINA NAD Y NADP B5 ÁCIDO PANTOTÉNICO CoA- SH 37

6 7.3. TIPOS DE ÁCIDOS NUCLEICOS. ESTRUCTURA Y FUNCIONES EL ÁCIDO DESOXIRRIBONUCLEICO (ADN) El estudio de la estructura del ADN se puede hacer a varios niveles, apareciendo estructuras, primaria, secundaria, terciaria, cuaternaria y niveles de empaquetamiento superiores. Estructura primaria del ADN El ADN está compuesto por una secuencia de desoxirribonucleótidos (nucleótidos formados por desoxirribosa) unidos mediante enlaces fosfodiéster. Las bases nitrogenadas que se hallan formando los nucleótidos de ADN son adenina, guanina, citosina y timina. No aparece uracilo. Como el primer nucleótido tiene libre el carbono 5' y el siguiente nucleótido tiene libre el carbono 3', se dice que la secuencia de nucleótidos se ordena desde 5' a 3' (5' 3'). Puede decirse que está formado por un esqueleto de fosfopolidesoxirribosas 5 P dr - P dr - P dr - P dr -...P dr 3 al que se unen las bases nitrogenadas A, T, G y C. Estructura secundaria del ADN La estructura secundaria del ADN fue propuesta por James Watson y Francis Crick en 1953, y la llamaron el modelo de doble hélice de ADN. Este modelo está formado por dos hebras de nucleótidos con las siguientes características: 1. Se sitúan de forma antiparalela, es decir, una orientada en sentido 5' 3' y la otra en sentido 3' 5'. 2. Están unidas mediante puentes de Hidrógeno entre las bases nitrogenadas enfrentadas. Dos puentes de H entre A y T y tres entre G y C. 3. Ambas cadenas son complementarias, de modo que se cumplen las proporciones observadas por Chargaff: A/T = G/C =1 Cuando en una hebra encontramos Adenina, en la otra hebra hallamos Timina. Cuando en una hebra encontramos Guanina, en la otra hallamos Citosina. Estas bases enfrentadas son las que constituyen los puentes de Hidrógeno. 4. Las dos hebras están enrolladas en torno a un eje imaginario, que gira en contra del sentido de las agujas de un reloj. 38

7 Niveles de empaquetamiento del ADN El ADN es una molécula muy larga y, sin embargo, en las células eucariotas se encuentra alojado dentro del minúsculo núcleo. La estructura secundaria se compacta mucho al unirse al ADN a proteínas básicas, como las protaminas e histonas, dando lugar a diferentes niveles de empaquetamiento. Primer nivel: La unión con histonas genera la estructura denominada nucleosoma. Cada nucleosoma está compuesto por un octámero histonas rodeado por un tramo de ADN que da una vuelta y 3/4 en torno al octámero. Un tramo de ADN, llamado linker o espaciador, une cada nucleosoma con el siguiente. El conjunto de la estructura se denomina fibra de cromatina de 100 Å. Tiene un aspecto en forma de collar de perlas, donde las perlas serían los nucleosomas, unidos por los linker. El ADN debe encontrarse más compacto en el núcleo de los espermatozoides. En este caso, el ADN se une a proteínas de carácter más básico, denominadas protaminas Segundo nivel: Cuando a la fibra de 100 Å se le asocia otra histona, la histona H1, los nucleosomas se acercan, formando una cromatina compacta y, posteriormente, dan lugar a la fibra de cromatina de 300 Å, en la que, según el modelo del solenoide, las histonas H1 forman el eje central. Los solenoides se enrollan formando la cromatina del núcleo interfásico de la célula eucariota. Cuando la célula entra en división, el ADN se compacta más, formando los cromosomas. (1 A = m) Tercer nivel y niveles superiores de empaquetamiento: El nivel más bajo de empaquetamiento ADN en los cromosomas es la fibra de cromatina de 300 A, pero esta fibra aún ha de empaquetarse mucho más, hasta reducir su longitud casi veces en relación a la longitud de la doble hélice extendida. En primer lugar, la fibra de cromatina de 300Å forma una serie de bucles que quedan estabilizados por una especie de andamio proteico. Los niveles superiores, aún poco conocidos, lograrán el máximo nivel de empaquetamiento de la fibra de cromatina en los cromosomas durante la metafase, etapa de la división en la que éstos aparecen más cortos y gruesos. 39

8 EL ÁCIDO RIBONUCLEICO (ARN) Es el AN más abundante en la célula. Una célula típica contiene 10 veces más ARN que ADN. El azúcar presente en el ARN es la ribosa. Esto indica que en la posición 2' del anillo del azúcar hay un grupo hidroxilo (OH) libre. Sus bases nitrogenadas son adenina, guanina, citosina y uracilo. No aparece la timina. En la mayor parte de los casos es un polímero monocatenario, pero en ciertos casos puede presentar zonas en su secuencia con apareamientos intracatenarios que generan bucles y zonas con estructura secundaria en doble hélice, aunque se trata de una sola cadena replegada sobre sí misma. Según las modernas teorías sobre el origen de la vida, parece bastante probable que el ARN fuese el primer biopolímero que apareció en la corteza terrestre durante el transcurso de la evolución. Se distinguen varios tipos de ARN. Los principales son: El ARN ribosómico (ARN r ) está presente en los ribosomas, orgánulos celulares implicados en la síntesis de proteínas. Su estructura secundaria y terciaria presenta un plegamiento complejo que le permite asociarse tanto a las proteínas integrantes de los ribosomas como a otros ARN y participar en el proceso de síntesis proteica. En procariotas, los ribosomas tienen un coeficiente de sedimentación de 70S. En ellos encontramos 3 ARNr, dos de ellos en la subunidad mayor del ribosoma y uno en la subunidad menor. En eucariotas, donde la síntesis de proteínas es más compleja, los ribosomas tienen un coeficiente de sedimentación de 80S. En ellos encontramos 4 ARNr. En la subunidad mayor hay tres y en la subunidad menor de encontramos uno. ARN ribosómico Además, mitocondrias y cloroplastos presentan sus propios ribosomas, con sus ARNr específicos, distintos de los dos anteriores. Puesto que su evolución ha sido muy diferente a la de las bacterias de los que provienen estos orgánulos. El ARN mensajero (ARN m ) se sintetiza sobre un molde de ADN y sirve de pauta para la síntesis de proteínas (traducción). A cada tres nucleótidos (codon) corresponde un aminoácido distinto. Así, la secuencia de aminoácidos de la proteína está configurada a partir de la secuencia de los nucleótidos del ARNm. Su peso molecular es muy variable, dependiendo de su longitud. Además de contener codificada la secuencia de una proteína, contiene señales para la iniciación (codón AUG, que codifica al aminoácido metionina) y terminación de la síntesis (codones UAA, UAG o UGA). En eucariotas, el RNA m maduro presenta unas características especiales, ya que además de los codones de iniciación y de terminación presenta en su extremo 5' una estructura compleja llamada "capucha" (cap), y en su extremo 3' una cadena de polia de longitud variable. Estas modificaciones tienen por objeto aumentar la vida media de estas moléculas en el citoplasma. ARNm EUCARIOTA 40

9 El ARN transferente (ARN t ) tiene entre 75 y 90 nucleótidos. Su peso molecular es bajo, por lo que también se conoce como ARN soluble. Presenta nucleótidos poco usuales (UH 2 ) e incluso bases características del ADN como la timina. Su estructura secundaria presenta un plegamiento complejo en el que alternan zonas apareadas y zonas no apareadas, y en donde se pueden distinguir zonas críticas, como la zona de unión a aminoácidos y la zona que reconoce los codones del RNA m (anticodón). Se conocen unos 60 ARN t distintos, que se diferencian por la secuencia de su anticodón y se encuentran en todas las células. Intervienen en la síntesis de proteínas, transportando los aminoácidos hasta los ribosomas. Cada ARN t se une de manera específica a un determinado aminoácido, formando un aminoacil-arn t. ARNt Vista tridimensional ARNt Vista bidimensional El ARN nucleolar (ARN n ) es el componente mayoritario del nucléolo. Se origina por transcripción de diferentes segmentos de ADN, el principal de los cuales recibe el nombre de organizador nucleolar. Este ARN se une a proteínas, formando ribonucleoproteínas (rnp), que salen, a través de los poros de la envoltura nuclear, al citoplasma, donde constituirán las dos subunidades ribosómicas. Las dos subunidades ribosómicas se unirán para formar ribosomas completos, cuando se asocien a un ARN mensajero para realizar su transcripción. Se puede considerar, por tanto, que el ARN nucleolar es el ARN ribosómico en estado inmaduro, cuando aún está localizado en el interior de la zona del núcleo denominada nucléolo. Función del ARNn: formación de los ribosomas El ARN vírico (ARN v ) es el que consituye el patrimonio genético de ciertos virus como el virus del mosaico del tabaco, el virus de la rabia, el virus de la gripe o el virus del SIDA. Los virus cuyo patrimonio genético es una molécula de ARN se llaman retrovirus, y en ellos se da el fenómeno único de la transcripción inversa o retrotranscripción: obtención de ADN usando como patrón el ARN. Microfotografía electrónica del VIH 41

10 RESUMEN DE LAS FUNCIONES BIOLÓGICAS DE LOSÁCIDOS NUCLEICOS La función primordial de los ácidos nucleicos es almacenar y transmitir la información genética, proceso que es la base para poder mantener la identidad de los organismos, sus características como especie, y las variaciones entre los individuos de la misma especie. Todos los tipos celulares presentan ADN y ARN. Sin embargo, los virus se caracterizan por presentar solo ADN o solo ARN. La información genética de todas las células de un organismo se encuentra almacenada en el genoma o conjunto de genes, que en el caso de las células eucariotas se sitúa en el núcleo celular. El segmento de ADN que contiene la información necesaria para la síntesis de un producto biológico funcional, proteína o ARN, se denomina gen. Cualquier célula normal de los organismos pluricelulares tiene miles de genes, dependiendo de la utilización parcial de toda esta información, es posible la diferenciación de células y tejidos para conseguir la estructura adecuada y el desarrollo de las funciones correspondientes. En resumen, la función de cada A.N. es: El ADN contiene la información para la síntesis de las proteínas. Mediante su replicación, cada célula puede transmitir esta información a sus células hijas. El ARNm es una copia obtenida mediante transcripción, de la información contenida en el ADN y la transporta desde el núcleo hasta los ribosomas. El ARNr es el componente esencial de los ribosomas encargados de la traducción del ARNm, uniendo aminoácidos para formar proteínas, según la secuencia indicada por los codones del ARNm. El ARNn es el ARNr inmaduro, cuando se está formando en el nucléolo. El ARNt es el encargado de la activación y transporte de los aminoácidos que van a formar parte de la nueva proteína. 42