NUCLEICOS Y NUCLEOPROTEINAS

Transcripción

1 ACIDOS NUCLEICOS Y NUCLEOPROTEINAS Elaboración y recopilación: Prof. Angel Bravo A. Las nucleoproteínas constituyen uno de los grupos de proteínas conjugadas. Se caracterizan por tener un grupo prostético, no proteico (el ácido nucleico), unido a una o más moléculas de una proteína simple. La proteína simple por lo general es una proteína básica como la protamina o una histona. Estas proteínas conjugadas se encuentran en todos los tejidos de los animales y de las plantas, pero pueden ser aisladas con mayor facilidad de las levaduras o bien de los tejidos que tienen gran número de células con grandes núcleos, como el timo. Las nucleoproteínas fueron llamadas así porque forman parte del material nuclear de las células. Sin embargo, estas proteínas también existen en el citoplasma celular, especialmente asociadas a los ribosomas (estructura intracelular), done el ácido ribonucleico interviene íntimamente en la síntesis de proteínas. Todas las células vivas contienen nucleoproteínas y algunos de los sistemas vivos más simples, tales como los virus, parecen estar formados casi exclusivamente por nucleoproteínas. Más aún, un constituyente tan importante de la célula como la cromatina nuclear, en gran parte está constituida por nucleoproteínas, lo que indica que estos compuestos participan en la reproducción celular y en la transmisión de factores hereditarios de generación en generación. Por esta razón cualquier anormalidad en el mecanismo de formación de las nucleoproteínas va seguida de alteraciones en el crecimiento, desarrollo y reproducción de los organismos vivos. Desde el punto de vista de la estructura química, las nucleoproteínas están constituidas por diversos compuestos dentro de los cuales tenemos en primer lugar a los ácidos nucleicos que son sustancias complejas que por hidrólisis ácida podemos descomponerlos en ácido fosfórico, carbohidratos y bases orgánicas nitrogenadas. Estas últimas son sustancias químicas estructurales de los ácidos nucleicos que se agrupan en 2 tipos fundamentales : Bases Púricas y Bases Pirimídicas. Bases Pirimídicas Los compuestos de este grupo se consideran derivados de la pirimidina, que es un anillo de 6 átomos (4 Carbonos y 2 Nitrógenos). Los compuestos pirimídicos son : Timina, Citosina, Uracilo y 5-Metil-citosina; y de éstos sólo los 3 primeros forman parte estructural de los Acidos Nucleicos. 1

2 Bases Púricas El compuesto fundamental de este grupo es la purina, compuesto químico nitrogenado formado por un doble anillo estabilizado por enlaces entre 5 carbonos y 4 nitrógenos. ejem.: Todos los derivados de la purina que son metabolicamente útiles a los seres animales son: Adenina, Guanina, Acido Urico, Xantina e Hipoxantina. Cinco en total, de los cuales solo los dos primeros son utilizados en la construcción de los ácidos nucleicos. ACIDOS NUCLEICOS En el mundo de los seres vivos, se conocen 2 tipos fundamentales de Acidos Nucleicos que son: El ácido desoxirribonucleico (ADN), y el ácido ribonucleico (ARN) que se distinguen por algunas pequeñas diferencias de las que hablaremos más adelante. Primeramente debemos dejar bien claro cuales son las unidades estructurales de los ácidos nucleicos; así como las proteínas o lípidos tienen sus respectivas unidades estructurales, los ácidos nucleicos están conformados por 3 moléculas diferentes estrechamente unidas entre sí, que son: Acido fosfórico, Ribosa y una Base Nitrogenada, que unidas forman una Unidad Estructural que lleva por nombre Nucleótido. De ésta manera, tenemos que un nucleótido estará formado por : 1 Ac. Fosofórico + 1 Ribosa + 1 Base Nitrogenada. ejemplo: Ac. Fosfórico + Ribosa + Adenina (Base Nitrogenada) 2

3 El peso molecular del ADN puede ser tan grande como 2,000 millones y éste compuesto puede comprender tantas como 1 millón o más bases púricas y pirimídicas dispuestas en una línea continua. Las moléculas de ADN de las células de mamíferos parecen ser más pequeñas que las de la mayor parte de otros organismos, habiendo en una molécula típica sólo cerca de 30,000 nucleótidos. Los análisis ultramicroscópicos con Rayos-X y otras pruebas y determinaciones sofisticadas dentro del campo de la Biofísica (absorción de luz ultravioleta en soluciones de ADN), muestran que el ADN tiene una estructura sumamente compleja; las moléculas son largas y filiformes, con una longitud unas 250 veces mayor que su diámetro transversal. Pueden existir de 1500 hasta 9000 nucleótidos o más unidos por medio de la Desoxirribosa (pentosa estructural en el ADN) y del ácido fosfórico como se muestra en las siguiente figura. La molécula de ADN está formada en realidad por 2 cadenas de nucleótidos enrolladas en forma helicoidal alrededor de un eje común, a manera de una doble hélice, y una y otra se encuentran unidas por puentes de hidrógeno que se establecen entre las bases púricas y pirimídicas que se encuentran en planos perpendiculares al eje de las 2 hélices. Estos enlaces de hidrógeno solo se pueden formar única y exclusivamente entre la Adenina con la Timina o bien la Guanina con la Citosina pero siempre deberá ser la unión de una Base Púrica con una Pirimídica. Esto por la disposición estructural de los átomos que forman cada grupo de bases nitrogenadas, estableciéndose siempre 3 puentes de hidrógeno entre la unión de la Guanina con la Citosina, y solo 2 puentes de hidrógeno para la unión de la Adenina con la Timina. Como se muestra en las siguientes figuras : 3

4 Las dos tiras de la doble hélice del ADN se conciben corriendo en direcciones opuestas con respecto al enlace 3,5-desoxirribosa. Los estudios citoquímicos del ADN hechos en varios tipos de células indican que la cantidad de adenina es igual a la cantidad de timina y que la cantidad de guanina es la misma que la cantidad de citosina. Esta "paridad" de las bases nitrogenadas y los datos proporcionados por la difracción de los Rayos-X constituyen la base fundamental para concebir el modelo de Watson y Crick de las estructuras del ADN. Estos investigadores (J.D. Watson y F.H. Crick) en 1953 propusieron una estructura helicoidal doble en la cual, las 2 tiras de polinucleótidos del ADN están enrolladas de tal manera que la adenina de una tira está unida por 2 puentes de hidrógeno a la timina de la tira complementaria (frente), y la guanina de una tira estará unida de manera semejante a la citosina de la tira complementaria pero mediante 3 puentes de hidrógeno. Esta disposición se ha venido a llamar "regla de apareamiento" entre las bases nitrogenadas púricas con las pirimídicas, como lo mencionamos en el párrafo anterior. Diferencias entre el A.D.N. y A.R.N. y subtipos de ARN Existen ciertas diferencias tanto Estructurales como Funcionales que nos permiten diferenciar a los ácidos nucleicos en 2 tipos principales y 3 subtipos más. Los 2 tipos principales son el Ácido Desoxirribonucleico (ADN) y el Acido Ribonucleico (ARN). Mientras que el primero es una molécula sumamente grande el ARN es pequeño y formado por pocos nucleótidos; 4

5 el ADN se encuentra prácticamente dentro del núcleo de todas las células y el ARN además está en otras estructuras intracelulares como son los ribosomas y el citoplasma; en el ADN se encuentra codificada toda la información genética necesaria para la reproducción total de una nueva generación celular y por ende de todo un nuevo organismo, el ARN solo le sirve como mensajero y ejecutor de la información almacenada en el ADN; en cuanto a la estructura tienen una diferencia en el tipo de pentosa que forman los nucleótidos, en el ARN existe la ribosa mientras que en el ADN está su isómero la desoxirribosa; otra diferencia estructural es un cambio de base nitrogenada que es la presencia de Uracilo en el ARN exclusivamente en lugar de la timina que está en el ADN; finalmente existe solo un tipo de ADN en general, mientras que del ARN tenemos 3 subtipos principales que son: Acido Ribonucleico Mensajero (ARN m ); Acido Ribonucleico Ribosomal (ARN r ); y Acido Ribonucleico de Transferencia (ARN t ) tambien llamado ARN soluble. Acido Ribonucleico Mensajero (ARN m ).- Algunas veces llamado también informativo; es sintetizado directamente del ADN nuclear y después de atravesar un poro de la membrana nuclear se asocia con los ribosomas para transformarse en ARN de tipo ribosomal. El ARN m entonces tendrá como principal función la de transmitir información directa del ADN hasta los ribosomas para que estas estructuras inicien el proceso de síntesis proteica de acuerdo a las instrucciones del ADN y necesidades propias del tipo celular que se trate; así, por ejemplo, una célula del páncreas tendrá que iniciar la producción de Insulina, que es una hormona necesaria para el metabolismo de la glucosa. Acido Ribonucleico Ribosomal (ARN r ).- Corresponde al % del ARN total de la célula. Se encuentra dentro de los ribosomas que son estructuras intracelulares especializadas en la construcción de proteínas. La molécula consiste en una secuencia única, sumamente flexible de nucleótidos que tendrá como finalidad transcribir y reproducir el mensaje traído por el ARN m desde al ADN nuclear para iniciar el proceso de síntesis proteica. Acido Ribonucleico de Transferencia (ARN t ).- También conocido como ARN soluble, tiene una variedad grande en la célula; existe por lo menos uno específico por cada aminoácido. está constituido por ácidos nucleicos relativamente pequeños, de un peso molecular próximo a 25,000; contienen tan solo unos 80 nucleótidos y se encuentra inmerso y soluble en el citoplasma celular. La misión fundamental de este tipo de ARN es la de capturar y transportar a cada uno de los aminoácidos que se encuentran dispersos en el citoplasma hasta los ribosomas para que se vallan encadenando uno tras otro con sus respectivos enlaces peptídicos e inician la formación de los diferentes niveles estructurales de las proteínas. Del Gen a la Proteína (Transferencia de la información genética) 5

6 El ADN tiene la información para hacer las proteínas de la célula. Ya que muchas de estas proteínas funcionan como enzimas en las reacciones químicas que tienen lugar en la célula,todos los procesos celulares dependen, en última instancia, de la información codificada en el ADN. En el proceso de síntesis de proteínas, existe una molécula, el ARN, que actúa de intermediaria. Por lo tanto, en el proceso de expresión de la información contenida en los genes hay dos etapas: ADN ARN PROTEÍNAS La primera se denomina TRANSCRIPCIÓN y la segunda TRADUCCIÓN Esto se ha dado en llamar el "dogma central de la Biología Molecular" El "dogma central" admite excepciones. Temin descubrió una enzima, la transcriptasa inversa que es capaz de sintetizar ADN copiando la información contenida en un ARN. El papel biológico de esta enzima es fundamental en los retrovirus, cuyo material genético es ARN en vez de ADN. El virus del S.I.D.A. es un retrovirus. 6

7 El proceso de síntesis de ARN o TRANSCRIPCIÓN, consiste en hacer una copia complementaria de un trozo de ADN. El ARN se diferencia estructuralmente del ADN en el azúcar, que es la ribosa y en una base, el uracilo, que reemplaza a la timina. Además el ARN es una cadena sencilla. En una primera etapa, una enzima, la ARN-polimerasa se asocia a una región del ADN,denominada promotor, la enzima pasa de una configuración cerrada a abierta, y desenrolla una vuelta de hélice, permitiendo la polimerización del ARN a partir de una de las hebras de ADN que se utiliza como patrón. La ARN-polimerasa, se desplaza por la hebra patrón, insertando nucleótidos de ARN, siguiendo la complementariedad de bases, así p.e. Secuencia de ADN: 3'... TACGCT...5' Secuencia de ARNm: 5'...UAGCGA...3' 7

8 Cuando se ha copiado toda la hebra, al final del proceso, la cadena de ARN queda libre y el ADN se cierra de nuevo, por apareamiento de sus cadenas complementarias. De esta forma, las instrucciones genéticas copiadas o transcritas al ARN están listas para salir al citoplasma. El ADN, por tanto, es la "copia maestra" de la información genética, que permanece en "reserva" dentro del núcleo. El ARN, en cambio, es la "copia de trabajo" de la información genética. Este ARN que lleva las instrucciones para la síntesis de proteínas se denomina ARN mensajero. El ARN mensajero es el que lleva la información para la síntesis de proteínas, es decir, determina el orden en que se unirán los aminoácidos. 8

9 Esta información está codificada en forma de tripletes, cada tres bases constituyen un codón que determina un aminoácido. Las reglas de correspondencia entre codones y aminoácidos constituyen el código genético. La síntesis de proteínas o traducción tiene lugar en los ribosomas del citoplasma. Los aminoácidos son transportados por el ARN de transferencia, específico para cada uno de ellos, y son llevados hasta el ARN mensajero, dónde se aparean el codón de éste y el anticodón del ARN de transferencia, por complementariedad de bases, y de ésta forma se sitúan en la posición que les corresponde. Una vez finalizada la síntesis de una proteína, el ARN mensajero queda libre y puede ser leído de nuevo. De hecho, es muy frecuente que antes de que finalice una proteína ya está comenzando otra, con lo cual, una misma molécula de ARN mensajero, está siendo utilizada por varios ribosomas simultanéamente. 9

10 El código genético viene a ser un diccionario molecular. Constituye las reglas de correspondencia entre los codones (grupo de tres nucleótidos) y los aminoácidos El codón, constituye una palabra en el lenguaje de los ácidos nucléicos, y esta palabra es traducida por un aminoácido. Este código es universal, desde las bacterias hasta el hombre. Es decir, la interpretación de los codones por aminoácidos es igual en todas las células, todas "leen" de la misma manera los genes. 1* Base U C A G Segunda base 3* Base U C A G UUU Phe UCU Ser UAU Tyr UGU Cys U UUC UCC UAC UGC C UUA Leu UCA Ser UAA Stop UGA Stop UUG UCG UAG UGG Trp G CUU Leu CCU Pro CAU His CGU Arg U CUC CCC CAC CGC C CUA CCA CAA CGA A Leu Pro Gln Arg CUG CCG CAG CGG G AUU Ile ACU Thr AAU Asn AGU Ser U AUC ACC AAC AGC C AUA Ile ACA Thr AAA Lys AGA Arg A AUG Met ACG AAG AGG G GUU GCU GAU GGU U Val Ala Asp Gly GUC GCC GAC GGC C GUA GCA GAA GGA A Val Ala Glu Gly GUG GCG GAG GGG G A 10