ÁCIDOS NUCLEICOS DEFINICIÓN

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1 ÁCIDOS NUCLEICOS DEFINICIÓN Son biomoléculas complejas con carácter ácido formadas por monómeros que fueron descubiertas por Miescher en 1869 tras extraer ADN de núcleos celulares, de ahí el nombre de ácidos nucleicos. COMPOSICIÓN Los monómeros reciben el nombre de Nucleótidos y están constituidos por tres tipos de moléculas: Una Pentosa, con forma -furanosa: Ribosa o Desoxirribosa. Ácido Fosfórico: H 3 PO 4. Una Base Nitrogenada derivada de la Purina o de la Pirimidina. 1. Bases Nitrogenadas + Azúcar con Enlace Glucosídico = Nucleósido 2. Nucleósido + Ácido Fosfórico con Enlace Éster = Nucleótido 3. Nucleótido + Nucleótido con Enlace Fosfodiester = Ácido Nucleico

2 DIFERENCIAS ENTRE EL ADN Y EL ARN POR SU COMPOSICIÓN QUÍMICA POR SU LOCALIZACIÓN POR SU FUNCIÓN POR LA ESTRUCTURA ADN Pentosa: DESOXIRRIBOSA Base Nitrogenada: Nunca URACILO En el Núcleo (no lo abandona), Mitocondrias y Cloroplastos Es el portador de los factores hereditarios Dicta las órdenes para la realización de las funciones celulares Formado, normalmente, por una doble cadena ARN Pentosa: RIBOSA Base Nitrogenada: Si lleva URACILO En el Núcleo (sale de él al citoplasma), Mitocondrias, Cloroplasto y Citoplasma Recibe las órdenes del ADN Ejecuta las órdenes del ADN Por una cadena sencilla (normalmente) y de menor longitud

3 TIPOS Hay dos, el ADN o Desoxirribonucleico y el ARN o Ribonucleico: TAMAÑO EN HUMANOS ADN KB (1 metro) ARN - ARNm, a nucleótidos (depende del tamaño de la proteína) - ARNt 65 a 110 nucleótidos - ARNr 120 a nucleótidos - ARNn 100 a 300 nucleótidos ADN 1. MONOCATENARIO LINEAL: Muy raro, en virus como Tpar, T- y Fago CIRCULAR: Muy raros. En virus como M13 y X BICATENARIO LINEAL: De Eucariotas CIRCULAR: Procariotas (4.000 Kpb), Mitocondrias ( Kpb) y Cloroplastos ( Kpb) ARN 1. MONOCATENARIO: El normal 2. BICATENARIO: Muy raro Son aquellos que realizan funciones por sí mismos. Entre ellos, destacan los siguientes tipos:

4 NUCLEÓTIDOS NO NUCLEICOS NUCLEÓTIDOS IMPLICADOS EN PROCESOS DE TRANSFERENCIA DE ENERGÍA Son moléculas que captan o desprenden energía al transformarse unas en otras. Así, el ATP desprende energía cuando se hidroliza, transformándose en ADP y fosfato inorgánico (Pi). Por el contrario, el ADP almacena energía cuando reacciona con el fosfato inorgánico y se transforma en ATP y agua. De esta forma, se transporta energía (unas 7,3 kilocalorías por mol de ADP/ATP) de aquellas reacciones en las que se desprende energía (exergónicas) a aquellas en las que se necesita (endergónicas). Entre los nucleótidos transportadores de energía destacan: el AMP (adenosina-5 - monofosfato), el ADP (adenosina-5 -difosfato), el ATP (adenosina-5 -trifosfato), el GDP (guanosina-5 -difosfato) y el GTP (guanosina-5 -trifosfato). NUCLEÓTIDOS IMPLICADOS EN PROCESOS REDOX Se encargan de captar electrones de moléculas a las que oxidan y de cederlos a otras moléculas a las que a su vez reducen. Así, el NAD+ puede captar 2 e- transformándose en su forma reducida, el NADH, y éste puede ceder dos electrones a otras sustancias, reduciéndolas y volviendo a transformarse en su forma oxidada, el NAD+. De esta forma se transportan electrones desde aquellas reacciones en las que se desprenden a aquellas en las que se necesitan. Entre los nucleótidos transportadores de electrones destacan los siguientes: o NAD+/NADH (Nicotinamida-adenina-dinucleótido) oxidado y reducido, respectivamente. o NADP+/NADPH (Nicotinamida-adenina-dinucleótido-fosfato) oxidado y reducido. o FAD/FADH2 (Flavina-adenina-dinucleótido), oxidado y reducido, respectivamente. o FMN (Flavina-mononucleótido). ATP NAD + Y NADP + X es un hidrógeno en el NAD + y un grupo fosfato en el NADP + NUCLEÓTIDOS REGULADORES DE PROCESOS METABÓLICOS Uno de los nucleótidos implicados en la regulación de diversos procesos metabólicos es el AMP cíclico (adenosina-3,5 - monofosfato, ácido adenílico cíclico ó AMPc), en el que dos grupos OH del fosfato de una molécula de AMP se esterifican con los OH situados en las posiciones 3 y 5 de su ribosa, formando un ciclo. Este derivado del AMP está muy extendido en las células animales e interviene como segundo mensajero en numerosas reacciones químicas inducidas por hormonas, en distintos tipos de células.

5 A mediados del siglo XX, uno de los misterios que quedaba por descubrir dentro de la endocrinología era reconocer el factor o factores que impulsaban a las hormonas a actuar de una manera determinada. En aquella época, la idea más extendida en dicho campo era que las hormonas actuaban de forma sistemática sobre mecanismos enzimáticos, que eran los responsables de que se produjeran casi todas las reacciones químicas que ocurren en el cuerpo humano. Sin embargo, el científico estadounidense Earl W. Sutherland (Nobel en 1971) descubrió que el AMPc actuaba como enlace entre las hormonas y los fenómenos que éstas controlaban en el organismo. A raíz de un estudio realizado en 1957 sobre la función de la adrenalina como mensajero del aporte urgente de energía en las situaciones de peligro repentino, Sutherland descubrió que la adrenalina se servía de otra sustancia para realizar su función: el AMP cíclico (AMPc). La adrenalina y el glucagón originan hiperglucemia, en gran parte debido al aumento de la glucenogenolisis en el hígado y la cesión de glucosa. Estas hormonas activan la fosforilasa del hígado, responsable del desdoblamiento del glucógeno. Posteriormente se comprobó que en las células hepáticas se producía un factor que estimulaba al sistema responsable de la fosforilación por la fosforilasa, convirtiendo la enzima inactiva en activa. Este factor fue reconocido como el ácido adenil cíclico, y la reacción fundamental está regulada por la adenilato ciclasa, que convierte el ATP en AMP cíclico y pirofosfato. La otra enzima principal en la regulación de los niveles de AMP cíclico es una fosfodiesterasa específica, que lo inactiva degradándolo a ácido adenílico. Se comprobó que la adenilato ciclasa estaba presente en todas las células animales examinadas, excepto en los eritrocitos no nucleados, generalmente asociada con las membranas celulares o con los sistemas de membrana intracelulares. En posteriores investigaciones se pudo comprobar que este segundo mensajero estaba implicado en la función de numerosas hormonas. Los hallazgos de Sutherland permitieron conocer la fisiología general de las hormonas y sirvieron para desarrollar una estrategia terapéutica sobre las enfermedades que pueden ser tratadas con ellas. Así por ejemplo, en las células hepáticas, la adrenalina es una hormona que provoca una cascada de reacciones amplificadoras. La unión de unas pocas moléculas de adrenalina a sus receptores específicos en la superficie externa de la membrana plasmática inicia una serie de reacciones enzimáticas que provocan la degradación del glucógeno hepático y la liberación de gran cantidad de glucosa en la sangre. El AMPc está relacionado también con: El control de la expresión genética (induce qué genes deben transcribirse en cada momento). La división celular. La respuesta inmunitaria. La transmisión nerviosa.

6 ÁCIDOS NUCLEICOS, ESTRUCTURA El ADN presenta diferentes rasgos de complejidad estructural y se pueden distinguir tres niveles estructurales: 1. ESTRUCTURA PRIMARIA, o secuencia de nucleótidos. 2. ESTRUCTURA SECUNDARIA o doble hélice. 3. ESTRUCTURA TERCIARIA o ADN superenrollado, que surge de la torsión de la doble hélice sobre sí misma. Dicha estructura terciaria puede condensarse más hasta llegar a una superespiralización cuando se inicia la mitosis, momento en el que la fibra de cromatina se compacta para formar los cromosomas. La difracción de rayos X de ADN extraído del núcleo de células del timo de ternera, como la impresión fotográfica de la figura, ha dado lugar a un dibujo de puntos en el que se pueden medir las desviaciones experimentales por los mencionados rayos. De esta forma se pueden deducir las distancias entre los átomos de una molécula y, por tanto, su estructura espacial. Estos estudios fueron realizados por Rosalind Franklin y Maurice Wilkins entre 1950 y En 1953, los físicos James Watson y Francis Crick establecieron el modelo de la doble hélice del ADN basándose en las aportaciones realizadas por otros científicos años antes: - La densidad y la viscosidad de las dispersiones acuosas del ADN eran superiores a las esperadas. - Todos los ADN tienen tantas moléculas de adenina (A) como de timina (T) y tantas de citosina (C) como de guanina (G). - El ácido ácido tiene una estructura fibrilar de 20 A de diámetro, descubierto mediante la difracción de rayos X. Difracción de rayos X

7 ÁCIDOS NUCLEICOS, ESTR. SECUNDARIA Las características de esta doble hélice son las siguientes: - El ADN es una doble hélice de 20 Å de diámetro, formada por dos cadenas de polinucleótidos enrolladas alrededor de un eje imaginario. Los grupos hidrófobos se disponen hacia el interior de la molécula y las pentosas y los grupos fosfato quedan en el exterior. La ionización de los fosfatos proporciona el carácter ácido de esta macromolécula. - Las dos cadenas son antiparalelas, es decir, están orientadas en sentidos contrarios. - Las dos cadenas son complementarias. Si en una hay T (timina), en la otra, al mismo nivel hay A (adenina); y si hay C (citosina), en la otra hay G (guanina). Existe diferente secuencia pero ambas son complementarias. - El enrollamiento de la doble hélice es dextrógiro y plectonímico, es decir, que para que se separen las dos cadenas una debe girar con respecto a la otra. - La doble hélice es muy estable en estado natural, pero se desnaturaliza (se separan las dos hebras) a partir de los 100 ºC. No obstante, se renaturaliza si baja la temperatura hasta los 65 ºC. Gracias a este fenómeno, se pueden hibridar cadenas de ADN.

8 PROPIEDADES DE LA ESTRUCTURA SECUNDARIA DEL ADN: DESNATURALIZACIÓN Si una disolución de ADN se calienta suficientemente (hasta alcanzar una temperatura de unos 100 ºC), ambas hebras se separan, ya que se rompen los puentes de hidrógeno que unen las bases complementarias, y el ADN se desnaturaliza. La temperatura de desnaturalización depende de la proporción de bases. Así, a mayor proporción de pares C-G, mayor temperatura de desnaturalización, ya que la citosina y la guanina se unen mediante tres puentes de Hidrógeno, mientras que adenina y timina sólo lo hacen mediante dos. Por lo tanto, a mayor proporción de pares C-G, más puentes de hidrógeno unirán ambas hebras. La desnaturalización también se produce variando el ph o a concentraciones salinas elevadas. Si se restablecen las condiciones originales, incluso bajando la temperatura hasta 65 ºC, el ADN se puede renaturalizar y ambas hebras se unen de nuevo. Este proceso de renaturalización se utiliza para llevar a cabo procesos de hibridación entre hebras de distintos ADN para analizar, por ejemplo, el grado de parentesco entre hebras distintas. TIPOS DE DOBLE HÉLICE DEL ADN Existen tres tipos de doble hélice a nivel de ADN: La forma B: doble hélice dextrógira, con bases horizontales y perpendiculares al eje longitudinal de la molécula, de forma que dicho eje atraviesa los planos determinados por cada pareja de bases, a nivel de sus centros. Esta forma, considerada como la normal, es típica de dúplex ADN-ADN. La forma A: doble hélice dextrógira, con bases en planos inclinados con respecto al eje longitudinal. Dicho eje atraviesa los planos por puntos desplazados del centro. Aunque no existe en condiciones fisiológicas, dicha forma es típica de dúplex ADN-ARN o ARN-ARN. La forma Z: doble hélice levógira, con configuración en zig-zag y enrollamiento irregular. Es típica de dúplex ADN-ADN donde abundan los pares C-G. Esta forma está presente en segmentos de ADN que constituyen señales para las proteínas reguladoras de la expresión del mensaje genético. TIPO DE ADN A B Z GIRO DE HÉLICE Dextrógiro Dextrógiro Levógiro nm POR VUELTA PLANO ENTRE BASES inclinado perpendicular zig-zag Nº DE NUCLEÓTIDOS POR VUELTA ESTRTRUCTURA TRIDIMENSIONAL DE LA MOLÉCULA DE ADN

9 ESTR. TERCIARIA ADN COLLAR DE PERLAS Las moléculas de ADN circular, como por ejemplo, los ADN bacteriano o el mitocondrial, presentan una estructura terciaria, en la que la fibra de 20 Å se encuentra retorcida sobre sí misma formando una superhélice o ADN superenrrollado. El ADN de las células eucariotas es capaz de enrollarse tanto gracias a la participación de unas proteínas llamadas histonas (en los espermatozoides son las protaminas). PRIMER NIVEL DE EMPAQUETAMIENTO FIBRA DE CROMATINA DE 100 Å o COLLAR DE PERLAS La doble hélice se asocia a histonas (en masa, hay la misma cantidad de ADN que de histonas). El ADN se enrolla alrededor de ocho histonas, formando un nucleosoma, partículas de 100 Å. La sucesión de nucleosomas da lugar al collar de perlas; y entre cada nucleosoma hay un ADN denominado ADN espaciador. Cuando se asocia a una histona H1 se condensa y si no es así, está laxa. El collar de perlas se encuentra en el núcleo durante la interfase del ciclo celular de todas las células eucariotas, menos en los espermatozoides.

10 ESTR. TERCIARIA ADN EMPAQUETAMIENTOS SUPERIORES SEGUNDO NIVEL DE EMPAQUETAMIENTO FIBRA DE CROMATINA DE 300 Å o SOLENOIDE Se forma por enrollamiento sobre sí misma de la fibra de cromatina de 100 Å condensada. En cada vuelta encontramos 6 nucleosomas y 6 histonas H1. Reduce la doble hélice entre 35 o 40 veces. TERCER NIVEL DE EMPAQUETAMIENTO DOMINIOS EN FORMA DE BUCLES Se forma cuando la fibra de 300 Å realiza una serie de bucles llamados dominios estructurales en forma de bucle de entre y pares de bases de longitud. NIVELES SUPERIORES DE EMPAQUETAMIENTO Los niveles superiores de empaquetamiento no se conocen con exactitud pero se sabe que la fibra se condensa veces la doble hélice en los cromosomas humanos, pero puede llegar a en otras especies.

11 TIPOS DE ARN ARNm mensajero, que copia la información contenida en el ADN y la lleva hasta los ribosomas, para que sintetizan las proteinas. ARNn nucleolar, componente fundamental del nucleolo. ARNt transferente, transportador de aminoácidos determinados hasta los ribosomas, donde, según la secuencia especificada en un ARNm, se sintetizan las proteínas. ARNt-1ª ARNt-3ª ARNr ribosómico, constituyente de los ribosomas. ARNpn pequeño nuclear, formador de las ribonucleoproteínas nucleares, que eliminan intrones en el proceso de maduración del ARNm. ARNi, de interferencia, utilizado por determinadas enzimas para reconocer ARNm concretos.