TEMA 5: Acidos Nucleicos

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1 BIOLOGÍA DE 2º DE BACHILLERATO TEMA 5: Acidos Nucleicos 1.7. ACIDOS NUCLEICOS CONTENIDOS Concepto e importancia biológica Nucleótidos. - Concepto. - Componentes de los nucleótidos y estructura general de un nucleótido. - Enlace fosfodiéster. - Funciones de los nucleótidos Tipos de ácidos nucleicos - Acido desoxirribonucleico (ADN). Composición, estructura, localización y funciones. - Acido ribonucleico (ARN). Composición, estructura y tipos de ARN Funciones de los ácidos nucleicos ORIENTACIONES 1. Definir los ácidos nucleicos y destacar su importancia. 2. Conocer la composición y la estructura general de los nucleótidos. 3. Reconocer a los nucleótidos como moléculas de gran versatilidad funcional y describir las funciones más importantes: estructural, energética y coenzimática. 4. Describir el enlace fosfodiéster como característico de los polinucleótidos. 5. Diferenciar y analizar los diferentes tipos de ácidos nucleicos de acuerdo con su composición, estructura, localización y función.

2 1.7. ÁCIDOS NUCLEICOS CONCEPTO E IMPORTANCIA BIOLÓGICA Los ácidos nucleicos son macromoléculas formadas por C, H, O, N y P. Son polímeros de monómeros denominados nucleótidos. Hay dos tipos: ADN: Polímero de desoxirribonucleótidos. ARN: Polímero de ribonucleótidos. Importancia biológica: La importancia de los ácidos nucleicos está en su función biológica, porque son portadores de la información genética, es decir, de las instrucciones para formar las proteínas que constituyen los seres vivos y son responsables de sus caracteres morfológicos y fisiológicos. Hay dos tipos de ácidos nucleicos: -ADN que se encarga de almacenar la información genética en todas las células y en los virus que tienen ADN y transmitir la información genética de generación en generación, al ser capaz de replicarse. -ARN se encarga de la expresión de la información genética mediante la transcripción y la traducción. En los virus con ARN se encarga de también de almacenamiento y la transmisión de la información. Replicación ADN ADN (conservación y transmisión de información genética) Transcripción Traducción ADN ARNm ARNt ARNr Proteína (expresión de la información genética)

3 NUCLEOTIDOS - Concepto Son los monómeros a partir de los cuales se forman los ácidos nucleicos, aunque en ocasiones podemos encontrarlos libres desarrollando importantes funciones. - Componentes de los nucleótidos -Base nitrogenada.estructura cíclica que contiene átomos de nitrógeno. Pueden ser:.púricas (derivan de la purina): Adenina (A), Guanina (G)..Pirimidínicas (derivan de la pirimidina): Timina (T), Citosina (C) y Uracilo (U). -Pentosa: Ribosa o desoxirribosa. -Acido fosfórico.

4 - Estructura general de los nucleótidos Los enlaces que unen los componentes de los nucleótidos son los siguientes: Enlace N-glucosídico (Entre la pentosa y la base nitrogenada). Es el enlace que se estable entre el C-1 de la pentosa y el N-1 de la base nitrogenda si ésta es pirimidínica y el N-9 si la base el púrica, desprendiéndose una molécula de agua. La unión de la pentosa con la base nitrogenada mediante el enlace N-glucosídico da lugar a un compuesto llamado nucleósido. Enlace éster (Entre el ácido fosfórico y el carbono 5 de la pentosa). Es el enlace que une el ácido fosfórico a un nucleósido para formar el nucleótido. El ácido fosfórico se une al nucleósido mediante un enlace ester con el OH del C-5 de la pentosa, desprendiéndose una molécula de agua. Enlace fosfodiester (une nucleótidos) Es el enlace que une entre sí a los nucleótidos que forman ácidos nucleicos. La unión es una esterificación que se realiza entre el grupo fosfato situado en posición 5 de un nucleótido y el grupo hidroxilo que se encuentra en el carbono 3 de otro nucleótido, liberándose una molécula de agua.

5 En una cadena polinucleótida se distinguen: Un esqueleto covalente formado por: fosfato-pentosa-fosfato-pentosa... Con un extremo 5 con un grupo fosfato libre unido al carbono 5, y el otro extremo 3 con el grupo hidroxilo (OH) del carbono 3 libre. Bases nitrogenadas que salen a modo de radicales de los carbono 1 de la pentosa. - Funciones de los nucleótidos La versatilidad funcional de los nucleótidos se debe a que el grupo fosfato de los nucleótidos monofosfato puede unirse con otros grupos para dar lugar a combinaciones de gran interés biológico. Estas son las funciones más importantes que pueden tener:

6 1) Transportadores de energía, como es el sistema ATP/ADP/AMP (adenosín fosfatos). En este caso el grupo fosfato se une con otros grupos fosfatos (enlaces ricos en energía). Energía ATP ADP + P Energía 2) Coenzimas de enzimas oxido-reductasas. Actúan como coenzimas en los procesos metabólicos. En este caso el grupo fosfato se une a otros nucleótidos. Entre ellos:.fmn: Flavin mononucleótido..fad: Flavín-adenin-dinucleótido..NAD+: Nicotín-adenin-dinucleótido..NADP+: Fosfato de NAD. Las cuatro coenzimas participan en reacciones de deshidrogenación, fundamentales en el catabolismo celular. En estas deshidrogenaciones toman H y electrones de algunas moléculas y quedan como NADH, NADPH, FADH2, respectivamente. Estas coenzimas, en estado reducido, pueden ceder fácilmente electrones y H a otras moléculas). 3) Mensajeros intracelulares. Actúan como mensajeros entre moléculas extracelulares (como por ejemplo hormonas) y el interior de la célula. Como el AMPc, que actúa como 2º mensajero entre moléculas extracelulares y el interior de la célula, desencadenando una respuesta celular y unos efectos fisiológicos. 4) Construir ácidos nucleicos. Cuando se unen entre sí por enlaces fosfodiester.

7 TIPOS DE ACIDOS NUCLEICOS ACIDO DESOXIRRIBONUCLEICO (ADN) Concepto y composición. Es un polímero de desoxirribonucleótidos de A, T, C, G, unidos por enlace fosfodiester entre el C-5 de un nucleótido y el C-3 del siguiente. El enlace se establece siempre en la dirección 5 3 Localización. - En eucariotas, fundamentalmente en el núcleo (bicatenario lineal), aunque también en mitocondrias y plastos (bicatenario circular). - En procariotas, es bicatenario circular y se encuentra formando una condensación llamada nucleoide. También puede tener otras moléculas más pequeñas llamadas plásmidos. - En Virus. En algunos es monocatenario (lineal o circular) y en otros es bicatenario (lineal o circular). Estructura. A igual que las proteínas, también en el ADN se pueden describir hasta 4 niveles de complejidad creciente. Las moléculas de ADN son muy largas: en los humanos el total de ADN de una célula alcanza hasta 2 metros. a) Estructura primaria. Viene definida por la secuencia de nucleótidos que forman una sola cadena o hebra. Cada especie posee una secuencia de bases característica y diferente e incluso hay diferencias entre individuos de la misma especie. En toda cadena o polidesoxirribonucleótido se puede distinguir: - Un esqueleto formado por: fosfato dri fosfato dri fosfato... La pentosa de uno de los extremos de la cadena tienen C-3 con OH libre. En otro extremo de la cadena, el C-5 lleva el grupo fosfato. Este esqueleto es común a todas las cadenas. - Las bases nitrogenadas. A, G, C, T, están alineadas a lo largo del esqueleto. Estas constituyen el elemento diferenciador entre las distintas cadenas.

8 b) Estructura secundaria. La secuencia polinucleotídica se dispone en el espacio en forma de una doble hélice, según la estructura propuesta en 1953 por J. Watson y F. Crick en base a los estudios de Chargaff, al análisis de cristales de ADN mediante difracción de rayos X realizados por Rosalin Franklin y Maurice Wilkins y a los modelos de Pauling sobre proteínas.

9 Chargaff descubrió que en la molécula de ADN. La suma de adeninas más guaninas es igual al de citosinas más timinas. De su estudio se deduce que la cantidad de nucleótidos de adenina es igual al de nucleótidos de timina, y que el número de nucleótidos de guanina es igual al de citosinas. Esto hizo pensar a Watson y Crick que estas bases podían estar enfrentadas y unidas por puentes de hidrógeno. De las imágenes de Rosalin Franklin dedujeron una estructura helicoidal para la molécula de ADN. De los estudios y modelos tridimensionales de Pauling sobre proteínas formadas por dobles y triples hélices pensaron en una doble hélice. El modelo de Watson y Crick sobre la estructura del ADN explica las propiedades que hacen que el ADN sea el material genético, porque la doble hélice permite la replicación y la transcripción del mensaje genético de una forma sencilla por la ruptura de los puentes de hidrógeno para poder copiarse las cadenas, y fiable por la complementariedad de bases A-T, G-C, y porque al ser dos hebras, en caso de que se pierda una siempre se puede copiar de la otra lo que le da gran estabilidad al mensaje genético. Este modelo presenta las siguientes características: - El ADN está constituido por dos cadenas de polinucleótidos complementarias unidas entre sí en toda su longitud. - Las dos cadenas son antiparalelas, lo que significa que el extremo 3 de una de ellas se enfrenta al extremo 5 de la otra. - La unión entre las cadenas se realiza por medio de puentes de hidrógeno entre las bases nitrogenadas de ambas: concretamente, la adenina forma dos de estos puentes con la timina y la guanina tres con la citosina.

10 - Las dos cadenas están enrolladas en espiral formando una doble hélice alrededor de un eje imaginario. - Las bases nitrogenadas quedan en el interior de la doble hélice, mientras que los esqueletos pentosa-fosfato se sitúan en la parte externa. De estaforma las cargas negativas de los grupos fosfato se unen a las cargas positivas de cationes o de otras moléculas presentes en el medio, estabilizando la estructura. - La doble hélice es dextrógira, el enrollamiento gira en el sentido de las agujas del reloj (hacia la derecha). - El enrollamiento es plectonémico, es decir, las cadenas no se pueden separar sin desenrollarlas. - Los planos de las bases nitrogenadas enfrentadas son paralelos entre sí y perpendiculares al eje de la hélice. - La hélice tiene un diámetro de 2 nm, los nucleótidos están separados por 0,34 nm y en cada vuelta de hélice hay aproximadamente 10 pares de nucleótidos (esto explica que la longitud de cada vuelta sea de 3,4 nm).

11 Propiedades y funciones que derivan de la estructura secundaria: - Gran estabilidad molecular. Debido a los puentes de hidrógeno entre las bases nitrogenadas y a otros enlaces que se establecen entre los grupos fosfato y cationes del nucleoplasma. - Desnaturalización. El ADN puede desnaturalizarse, separándose las dos hebras por rotura de los puentes de hidrógeno. Esto se consigue por calor o por variaciones de ph. La desnaturalización es reversible, siempre que el proceso no haya sido drástico. Si la renaturalización se realiza con el ADN procedente de otro organismo se puede estudiar el grado de semejanza entre las secuencias de bases, ya que sólo se producirá emparejamiento en los tramos en que éstas sean complementarias. Se obtienen así ADN híbridos. Este método se emplea en las investigaciones policiales para comparar así el ADN extraído de restos biológicos, como semen, sangre o pelo. Se utiliza también en estudios filogenéticos. - Capacidad de replicación. Si las cadenas se separan. Cada una de ellas puede servir de modelo para la síntesis de una cadena complementaria. - La secuencia de bases posee información genética. Por medio de la transcripción transfiere la misma al ARNm, que traslada las órdenes al lugar de la célula en se precisen. Transcripción ADN Traducción ARNm PROTEÍNA

12 c) Estructura terciaria La estructura en doble hélice sufre nuevos plegamientos que dan lugar a un tercer nivel estructural. Esto es necesario por dos razones fundamentales: - Las largas cadenas de ADN deben acoplarse en un reducido espacio del interior de la célula. - La regulación de la actividad del ADN depende en gran medida del grado de empaquetamiento que posea la molécula. En procariotas (bacterias): el ADN es bicatenario circular desnudo (no asociado a proteínas). El empaquetamiento se consigue porque el ADN bicatenario se pliega como una superhélice. Esto también ocurre en el caso del ADN de mitocondrias y plastos. En eucariotas: el empaquetamiento se consigue al asociarse el ADN en doble hélice con proteínas básicas (protaminas e histonas). Encontramos dos posibilidades: - Collar de perlas (ADN + HISTONAS): Se da en células en interfase. Constituye la llamada cromatina. - Estructura cristalina (ADN+ PROTAMINAS): En el núcleo del espermatozoide. Se da un alto grado de empaquetamiento porque las protaminas son más pequeñas y básicas y existe una mayor atracción por ADN. Esto favorece la movilidad del espermatozoide.

13 Niveles de organización y compactación (empaquetamiento) del ADN y las proteínas hasta formar la cromatina Las etapas de organización desde la doble hélice del ADN hasta llegar a la fibra de cromatina son: 1. Enrollamiento de la doble hélice sobre unas estructuras formadas por ocho moléculas de histonas (octámero de histonas), dando lugar a un nucleosoma, de forma que tendríamos una fibra de cromatina con muchos nucleosomas entre los que queda un segmento de ADN llamado espaciador (unos 60 nucleótidos) unido a una molécula específica de histona H1 que sirve de conexión entre dos nucleosomas consecutivos. Esta estructura recuerda a un collar de perlas y se conoce como fibra de 10nm. 2. Esta fibra se pliega en forma de solenoide con distintos grados de especialización, de forma que se puede ir condensando desde un diámetro de 30 nm, a 300nm y así hasta llegar a una superespiralización en el momento de inicio de la mitosis en la que la cromatina se compacta para formar los cromosomas.

14 Empaquetamiento Cómo entra toda esta enorme cantidad de ADN en nuestro cuerpo? El secreto está en el empaquetamiento. El ADN se encuentra compactado en el núcleo. Un primer nivel de condensación se forma gracias a la unión de cierto tipo de proteínas, denominadas histonas, a manera de un collar de cuentas: el ADN rodea un núcleo compuesto por ocho histonas. Este núcleo rodeado por ADN, más el ADN espaciador entre las cuentas, se denomina nucleosoma y fue descubierto en 1975 por Roger Kornberg, Dean Hewish y Leigh Burgoyne. Cada nucleosoma contiene un pedazo de ADN de 146 nucleótidos más ocho histonas. Los nucleosomas se compactan uno sobre otro hasta formar una estructura llamada cromatina. De acuerdo al grado de compactación, la cromatina se clasifica en eucromatina y heterocromatina. La eucromatina contiene la mayor parte de los genes y la heterocromatina está relacionada con secuencias como telómeros y centrómeros, así como con secuencias, donde se encuentran genes que no se expresan normalmente en cada tipo celular.

15 d) Estructura cuaternaria Es la disposición que adopta en el espacio el ADN con estructura terciaria al replegarse más aún sobre sí mismo. Esta estructura origina los cromosomas, los cuales se visualizan cuando la célula se está dividiendo.

16 ACIDO RIBONUCLEICO (ARN) Concepto y composición. El ARN es un polímero de ribonucleótido de A, C, G y U, unidos por enlace fosfodiéster entre el C-5 de un nucleótido y C-3 del siguiente. Estructura. El ARN es casi siempre monocatenario, excepto en algunos virus en los que es bicatenario. Sus cadenas son más cortas que las del ADN Tipos de ARN. Hay varios tipos de ARN y todos se forman a partir de una porción de una de las cadenas del ADN que sirve de molde. El ARN actúa como intermediario necesariopara traducir la información genética contenida en el ADN en la síntesis de proteínas. Función es expresar la información genética. - ARN mensajero (ARNm). Es la copia complementaria de una porción de una cadena de ADN (la que corresponda a cada gen o grupo de genes que vaya a expresarse) sus moléculas son relativamente cortas y de forma lineal. Las cadenas de ARNm tienen una vida muy corta, ya que si no fueran destruidas, la síntesis proteica se prolongaría indefinidamente y originaría una superproducción de proteínas. La función que tiene este tipo de ARN es transportar la información desde el núcleo hasta el citoplasma para la síntesis de proteínas. Cada tres nucleótidos da lugar a un codón, que se corresponde de forma específica con un aminoácido, de tal manera que en la traducción se sintetiza una cadena de aminoácidos en el orden determinado por los nucleótidos del ARMm. -ARN ribosómico (ARNr). Es el más abundante, en torno al 80 % del total. Tiene estructura secundaria de doble hélice en algunas zonas. Asociado a proteínas forma parte de los ribosomas y participa por tanto, en el proceso de unión de los aminoácidos para sintetizar las proteínas.

17 -ARN transferente (ARNt). Sus moléculas son cortas, con pocos nucleótidos (menos de 100), y tiene una sola cadena, aunque muy replegada sobre sí misma, con zonas en las que se aparean bases y otras en las que están separadas formando bucles, lo cual ha servido para decir que tiene forma de hoja de trébol. En las células existen 60 moléculas de ARNt diferentes. En todas las moléculas de ARNt su extremo 5 termina con una molécula de ácido fosfórico unido a la guanina y el extremo 3, donde se une los aminoácidos, termina en la secuencia CCA En el bucle inferior, el opuesto a los extremos citados, se encuentra el anticodón, con una secuencia complementaria del codón del ARNm. ARNt en forma de L ( estructura 3ª)

18 ARNt en hoja de trebol ( estructura 2ª) Al Brazo D se une la enzima ARNt-sintetasa, la cual interviene en la activación de los aminoácidos en la síntesis proteica. El brazo T se une al ribosoma. La función que tiene el ARNt es transportar los aminoácidos hasta los ribosomas donde se sintetizan las proteínas, colocándolos en el codón correspondiente del ARNm.

19 ARN heterogéneo nuclear (ARN). Se localiza en el núcleo. Presenta gran variedad de tamaños, de ahí su nombre. Es el precursor del ARNm, en los que se transforma después de un proceso de maduración mediante el cual se eliminan secuencias de nucleótidos no codificantes Funciones de los ácidos nucleicos El ADN es el portador de la información genética. Es, por tanto, la molécula que conserva la información genética y la transmite de una célula a otra de generación en generación. El ARN interviene en la expresión de la información genética. El ARNm es una copia (transcripción) parcial del ADN, que se traducirá, gracias a los ARNr y ARNt, a un lenguaje de aminoácidos. Vocabulario ADN. Codón. ARN. Cromatina. AMPc. Cromosoma. ARNm. Anticodón. ATP. Enlace fosfodiester. ARNr. Nucleósido. ARNt. Nucleosoma. Nucleótido. Transcripción. Traducción

20 CUESTIONARIO SOBRE ÁCIDOS NUCLEICOS 1.-En relación con la figura adjunta, que representa una molécula de ADN, conteste las siguientes cuestiones: a).- Qué representan las líneas de puntos que unen las moléculas marcadas con los números 1 y 4 y las indicadas con los números 2 y 3? [0,3]. Nombre las moléculas que están unidas por tres líneas de puntos y las que están unidas por dos [0,4]. Qué señala el recuadro número 5? [0,3]. b).- Explique qué es la complementariedad de bases en el ADN y razone su importancia en la replicación [0,5]. Qué quiere decir que la replicación del ADN es semiconservativa? [0,5]. 2.-Las moléculas de ADN son muy estables en condiciones fisiológicas. Sin embargo, la estructura de doble hélice se puede perder al separarse las dos hebras cuando se alteran las condiciones de ph o se somete a temperaturas superiores a 100ºC. A qué cree que se debe este hecho? [0,5]. Por qué en las mismas condiciones no se separan los nucleótidos de una misma hebra? [0,5]. Razone las respuestas. 3.-En relación con la figura adjunta, conteste las siguientes cuestiones: a).- Identifique a qué números corresponden los siguientes términos: cromosoma, nucleosoma, cromatina, doble hélice [0,4]. Indique el período del ciclo celular y la fase en que se pueden observar elementos como el señalado por el número 5 y describa su estructura [0,6]. b).- Indique los componentes moleculares de la estructura señalada con el número 2 [0,5]. Explique brevemente el proceso representado en la imagen [0,5].

21 4.- En la doble hélice del ADN se produce el emparejamiento de una base púrica con otra pirimidínica. Exponga un argumento que justifique el hecho anterior [1]. 5.-Nombre los tipos de ácidos ribonucleicos [0,3] y describa la estructura, composición, localización y función de los mismos en las células eucarióticas [1,7]. 7.-A la vista del esquema, conteste las siguientes cuestiones: a).- Indique el nombre del proceso representado por cada letra [0,4]. Asigne cada uno de los siguientes términos al proceso que le corresponde: anticodón, transcriptasa inversa, promotor, aminoácidos, ARN transferente y cebadores [0,6]. b).- Defina el proceso B [0,5] y el proceso D [0,5].

22 8.-En relación con la figura adjunta, responda razonadamente las siguientes cuestiones: a).- Qué tipo de molécula representa? [0,25]. Explique su composición e indique los tipos de enlace que se producen entre sus componentes [0,5]. Cumple esta molécula la relación [purinas]/[pirimidinas]=1? Razone la respuesta [0,25]. b).- Explique su función indicando el nombre y la implicación en la misma de las regiones señaladas con los números 1 y 2 [1]. 9.- Describa la composición química de un nucleótido [0,5] y represente su estructura general [0,5]. Explique dos de sus funciones [1] Una determinada molécula de ADN de cadena doble presenta un 30% de adenina. Cuáles serán los porcentajes de timina, guanina y citosina? [0,25]. Cuál será el porcentaje conjunto de bases púricas? [0,25]. Cuál será el porcentaje conjunto de las bases pirimidínicas? [0,25]. Indique qué valor tomará la relación bases púricas/bases pirimidínicas en dicha molécula [0,25]. Razone las respuestas a) Si un polipéptido tiene 450 aminoácidos, indique cuántos ribonucleótidos tendrá el fragmento del ARN mensajero que codifica esos aminoácidos [0,2]. b) Indique cuáles serán los anticodones de los ARN transferentes correspondientes a la molécula de ARNm 5'-GUA-GUC-ACA-UGC-3' [0,4]. c) Indique la secuencia de ADN que sirvió de molde para este mismo ARN mensajero [0,4].

23 12.- A la vista de la imagen, responda las siguientes cuestiones: a).- Qué tipo de monómeros están implicados en la reacción? [0,2]. Cuáles son sus componentes? [0,2]. Indique el nombre de las posibles bases que puedan formar parte de ellos [0,2]. Describa dos funciones de estos monómeros [0,4]. b).- Qué nombre recibe el enlace que se produce entre los monómeros? [0,2]. Indique los grupos químicos que intervienen en su formación [0,2]. Qué nombre reciben las moléculas biológicas formadas por gran cantidad de monómeros unidos por enlaces de este tipo? [0,2]. Qué enzima interviene en la reacción de polimerización? [0,2]. Indique en qué lugares de la célula se realiza este proceso [0,2]. 13.-En relación con la figura adjunta, conteste las siguientes cuestiones: a).- Qué tipo de biomolécula representa? [0,25]. Indique el nombre de las moléculas incluidas en los recuadros 1 y 2 [0,25] e identifique los enlaces señalizados con puntos [0,25]. Identifique el enlace señalado con la flecha [0,25]. b).- Cite los procesos fundamentales para la vida relacionados con esta molécula [0,2] y explique el significado biológico de cada uno [0,8].

24 14.-El material genético de los virus de ADN está formado por una sola cadena de nucleótidos o por dos. Si el análisis cuantitativo del ADN de un virus demuestra que tiene un 40% de G y un 30% de A, puede afirmarse que se trata de un ADN monocatenario? Razone la respuesta [1] a) Complete la tabla que aparece a continuación que corresponde a las cadenas complementarias de un fragmento de ADN. Utilice las letras: P para el ácido fosfórico, D para la pentosa (2' desoxirribosa), A para adenina, C para citosina, G para guanina y T para timina. Indique, en cada caso, el número de puentes de hidrógeno que se establecen entre las dos bases nitrogenadas [0,5]. b) Al analizar las proporciones de bases nitrogenadas de un fragmento monocatenario de ADN humano los resultados fueron los siguientes: 27% de A, 35% de G, 25% de C y 13% de T. Indique cuáles serán las proporciones de bases de la cadena complementaria [0,5]. CADENA 1 P D Nº ENLACES CADENA 2 A D G P C T D