ÁCIDOS NUCLEICOS 1.- Concepto e importancia biológica. 2.- Nucleótidos. Enlace fosfodiéster. Funciones de los nucleótidos. 3.- Tipos de ácidos nucleicos. Estructura. Localización. Funciones. 4.- Bibliografía. 5.- Preguntas selectividad. Arquitectura del ADN Base físico-química Ácidos nucleicos Página 1 de 9
1.- Concepto e importancia. Todos los organismos poseen unas moléculas que dirigen y controlan la síntesis de sus proteínas, proporcionando la información que determina su especificidad y características biológicas. Estas moléculas, que reciben el nombre de ácidos nucleicos, contienen las instrucciones necesarias para realizar los procesos vitales y son las responsables de todas las funciones básicas de los seres vivos. Los ácidos nucleicos (el ADN y el ARN) son macromoléculas biológicas formadas por la unión de muchos monómeros denominados nucleótidos. Son las encargadas de almacenar, transmitir y expresar la información genética. 2.- Nucleótidos. Enlace fosfodiéster. Funciones de los nucleótidos. Los nucleótidos son las unidades monómeras que forman los ácidos nucleicos. Se trata de una molécula relativamente compleja, compuesta por la unión de tres componentes característicos: un monosacárido (una pentosa), una base nitrogenada y uno o más grupos fosfatos. Tanto la base nitrogenada como los grupos fosfato se encuentran unidos a la pentosa. La pentosa siempre es una aldopentosa, ya sea ribosa, y en este caso el nucleótido se denomina ribonucleótido, o desoxirribosa, constituyente de los desoxirribonucleótidos. La base nitrogenada presenta una estructura cíclica que contiene carbono, nitrógeno, hidrógeno y oxígeno. Puede ser de dos tipos: púrica, derivada de la purina (dos anillos), o pirimidínica, derivada del anillo de la pirimidina (un anillo). La presencia de los átomos de nitrógeno comunica, en ambos casos, carácter básico a estos compuestos. La existencia de distintos radicales hace que puedan aparecer varias bases nitrogenadas; concretamente, las presentes en los ácidos nucleicos son dos bases derivadas de la purina, la adenina (A) y la guanina (G), y tres derivadas de la pirimidina, la citosina (C), la timina (T) y el uracilo (U). Base físico-química Ácidos nucleicos Página 2 de 9
La porción constituida por la pentosa y la base nitrogenada se denomina nucleósido. En su constitución, el átomo de carbono C-1 de la pentosa se une al nitrógeno N-1 de la pirimidina o al N-9 de la purina, liberándose una molécula de agua. El enlace resultante es de tipo N-glucosídico. La unión de un nucleósido con una molécula de ácido fosfórico, da lugar a un nucleótido. El grupo fosfato le confiere cierto carácter ácido al compuesto. El enlace éster se produce, generalmente, entre el grupo hidroxilo del C-5 de la pentosa y el ácido fosfórico liberándose una molécula de agua. Enlace fosfodiéster. La existencia de grupos hidroxilo, tanto en la pentosa como en el fosfato, permite la unión de los nucleótidos mediante la formación de enlaces covalentes entre ambos grupos. La unión es una esterificación que se realiza entre el grupo fosfato situado en el carbono 5 de un nucleótido y el grupo hidroxilo (-OH) que se encuentra en el carbono 3 de otro nucleótido. Se trata de una condensación en la que se obtiene un compuesto denominado dinucleótido y se libera una molécula de agua. El nuevo enlace, de tipo éster fosfórico fosfodiéster, se denomina enlace nucleotídico. La hidrólisis del dinucleótido libera dos nucleótidos. Base físico-química Ácidos nucleicos Página 3 de 9
Dado que existen aún más grupos hidroxilo libres, el dinucleótido se puede unir a más nucleótidos dando lugar a largas cadenas de nucleótidos que constituyen los ácidos nucleicos o polinucleótidos: moléculas gigantescas con elevado peso molecular. La reacción de polimerización está catalizada por la enzima ADN polimerasa. Como la unión entre los nucleótidos se produce entre pentosas y fosfatos, las bases nitrogenadas no participan en los enlaces. Se establecen, por tanto, largas cadenas sin ramificar formadas por la secuencia pentosafosfato-pentosa-fosfato..., en la que las bases nitrogenadas quedan colgando lateralmente de las pentosas. La secuencia de estas bases nitrogenadas es la que proporciona la especificidad a una cadena polinucleotídica determinada. En todos los polinucleótidos existe un extremo, denominado extremo 3, con una pentosa con el grupo OH del carbono 3 libre, y otro extremo, llamado extremo 5, donde se localiza un grupo fosfato libre unido al carbono 5 de otra pentosa. Es decir, ambos extremos son distintos. Funciones de los nucleótidos. Los nucleótidos, además de constituir los ácidos nucleicos nucleótidos nucleicos, son moléculas que poseen un gran interés biológico por las funciones que llevan a cabo y que no están directamente relacionadas con la formación de ácidos nucleicos nucleótidos no nucleicos : Moléculas acumuladoras y donantes de energía. Ciertas reacciones bioquímicas propias de los seres vivos tienen como finalidad la producción de energía. Algunos nucleótidos (fundamentalmente de adenosina y, en menor medida, también de guanosina) con más de un grupo fosfato desempeñan esta función. Cuando existe energía disponible, una molécula de adenosín difosfato (ADP) la emplea en unir un tercer grupo fosfato a los otros dos para obtener adenosín trifosfato (ATP). El enlace así constituido es altamente energético, luego la rotura de este enlace liberará gran cantidad de energía. Todas las células utilizan como combustible el adenosín trifosfato (ATP). Menos conocido es el hecho de que el ATP constituye una molécula señalizadora crucial, que permite la conexión entre células y tejidos de cualquier organismo [INVESTIGACIÓN y CIENCIA, febrero, 2010]. Moléculas con función coenzimática. Ciertos dinucleótidos intervienen como coenzimas (moléculas orgánicas no proteicas que intervienen en las reacciones catalizadas por enzimas). Es el caso de: a) Nicotinamín adenín dinucleótido (NAD + ). b) Nicotinamín adenín dinucleótido fosfato (NADP + ). c) Flavín adenín dinucleótido (FAD). Las tres coenzimas participan en reacciones de deshidrogenación. Toman protones (H + ) y electrones (e - ) de algunas moléculas y quedan como NADH, NADPH y FADH2, respectivamente. Estas coenzimas, en estado reducido, pueden ceder fácilmente electrones y protones a otras moléculas. Adenosín monofosfato cíclico (AMPc). Base físico-química Ácidos nucleicos Página 4 de 9
Permite la ejecución de varios procesos bioquímicos que, en última instancia, originan la respuesta celular. Actúa así como mediador entre la información externa y la respuesta final. Por esta razón, también se denomina segundo mensajero. 3.- Tipos de ácidos nucleicos. Existen dos tipos de ácidos nucleicos: el ADN y el ARN. 3.1.- Ácido desoxirribonucleico (ADN). El ADN está formado por la unión de desoxirribonucleótidos. En cuanto a las bases nitrogenadas pueden ser adenina, guanina, timina y citosina, pero nunca uracilo. Suele estar constituido por dos cadenas polinucleotídicas unidas entre sí en toda su longitud. Esta doble cadena puede disponerse en forma lineal (ADN del núcleo de las células eucariotas) o en forma circular (ADN de las células procariotas, de ciertos virus y de algunos orgánulos citoplasmáticos de las células eucariotas: cloroplastos y mitocondrias). La molécula de ADN porta la información necesaria para el desarrollo de las características biológicas de un individuo y contiene los mensajes e instrucciones para que las células realicen sus funciones. ESTRUCTURA DEL ADN. El ADN es una molécula altamente estructurada en la que se distinguen varios niveles de complejidad: I. Estructura primaria. Está formada por la secuencia de desoxirribonucleótidos, unidos por enlaces fosfodiéster, en cuyo extremo 5 de la cadena existe un fosfato y en el extremo 3 un OH libre. La diferencia entre las moléculas de ADN de los distintos organismos radica únicamente en el orden de las bases nitrogenadas que cuelgan de las pentosas. II. Estructura secundaria. A partir de diversos estudios, en 1953, J. Watson y F. Crick elaboraron un modelo de estructura tridimensional del ADN, con las siguientes características: El ADN está constituido por dos cadenas polinucleotídicas enlaces fosfodiéster unidas entre sí puentes de hidrógeno en toda su longitud. Las 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 pentosafosfato se sitúan en la parte externa. Los planos de las bases nitrogenadas enfrentadas son paralelos entre sí y perpendiculares al eje de la hélice. Base físico-química Ácidos nucleicos Página 5 de 9
La doble hélice es dextrógira, es decir, su enrollamiento gira en el sentido de las agujas del reloj. El enrollamiento de la doble hélice posee cierto carácter plectonémico, es decir, las cadenas no se pueden separar sin desenrollarlas. La anchura de la hélice es de 2 nm, la longitud de cada vuelta es de 3,4 nm y cada 0,34 nm se muestra un par de bases complementarias. Existen, por tanto, 10 pares de nucleótidos por cada vuelta. Las dos cadenas son antiparalelas, lo que significa que el extremo 3 de una de ellas se enfrenta al extremo 5 de la otra. Sus puentes fosfodiéster 3,5 -internucleotídicos van en direcciones opuestas. La unión entre las cadenas se realiza por medio de puentes de hidrógeno entre las bases de ambas: A=T; GΞC. Resulta evidente que las dos cadenas no son idénticas, sino complementarias, ya que una de ellas tiene la secuencia de bases complementaria de la otra. [...La estructura descrita corresponde a la denominada forma B de la doble hélice del ADN; sin embargo se conocen otros dos tipos: forma A y forma Z...] III. Estructura terciaria. La estructura en doble hélice sufre nuevos plegamientos que dan lugar a un tercer nivel estructural más complejo y el cual todavía no ha sido elucidado, aunque se sabe que existen proteínas asociadas al ADN que organizan la estructura. Como resultado final, el ADN aparece constituyendo la cromatina o los cromosomas. 3.2.- Ácido ribonucleico (ARN). El ARN es un polinucleótido simple no ramificado compuesto por una serie de nucleótidos unidos por enlaces éster fosfóricos. Difiere del ADN en que la pentosa de los nucleótidos constituyentes es la ribosa, en lugar de la desoxirribosa, y en que en las cuatro bases nitrogenadas mayoritarias presentes aparece uracilo en lugar de timina. Las cadenas de ARN son más cortas que las de ADN y pueden aparecer tanto en el núcleo (células eucariotas) como en el citoplasma celular (células eucariotas y procariotas) y en ciertos orgánulos de la célula eucariota (mitocondrias, cloroplastos y ribosomas). El ARN está constituido por una única cadena. Además, es la molécula encargada de sintetizar las proteínas específicas de un organismo realizando el mensaje genético codificado por el ADN. Existen varios tipos de ARN con la misma composición química, pero distinta estructura y función. Destacamos: 1. ARN mensajero (ARNm). Es una copia lineal de hebra única, monocatenaria, de una parte del ADN que será utilizada por los ribosomas como información para poder unir los aminoácidos en el orden adecuado y constituir una proteína concreta. Es decir, traslada la información genética del ADN al citoplasma para la síntesis de proteínas. Las cadenas de ARN mensajero tienen una vida muy corta, ya que si no fueran destruidas la síntesis proteica se prolongaría indefinidamente originándose una superproducción de proteínas. Constituye, aproximadamente, entre el 3 y el 5% del total del ARN celular. Base físico-química Ácidos nucleicos Página 6 de 9
2. ARN ribosómico (ARNr). Se sintetiza en el nucleolo y se transporta asociado a proteínas al citoplasma. Forma parte de los ribosomas y participa, por tanto, en el proceso de unión de los aminoácidos para sintetizar las proteínas. Presenta una estructura monocatenaria con regiones de apareamiento interno. Existen varias cadenas distintas de ARN ribosómico, que se diferencian por su coeficiente de sedimentación. El ARN ribosómico es el tipo más abundante del ARN celular total (80-85%). 3. ARN transferente (ARNt). Se encarga de transportar los aminoácidos presentes en el citoplasma hasta los ribosomas, donde se unirán para constituir las proteínas. Cada molécula de ARN transferente transporta un aminoácido específico. Esto es debido a una secuencia de bases nitrogenadas, denominada anticodón, que varía entre los distintos ARN transferentes. Existen hasta 50 tipos de ARN transferente diferentes, pero todos con características similares: poseen una estructura secundaria en la que existen tramos de doble cadena, por emparejamiento intracatenario. Estos tramos se denominan brazos y hay cuatro en cada molécula, aunque también puede aparecer un quinto brazo más corto que los otros. En los extremos de los brazos existen zonas sin emparejar que componen los llamados bucles. - En el extremo 5 hay un triplete de bases nitrogenadas en el que siempre existe guanina y un ácido fosfórico libre. - El extremo 3 de la cadena tiene siempre la secuencia de bases CCA, siendo este el lugar por donde el ARN transferente se une al aminoácido que va a ser transportado. - En el brazo A existe un triplete de bases nitrogenadas diferente para cada ARN transferente en función del aminoácido que va a transportar. A este triplete se le denomina anticodón y es complementario del correspondiente triplete codón del ARN mensajero. - El brazo T, es el lugar por donde se fija al ribosoma. - El brazo D, constituye la zona por donde se une la enzima que cataliza su unión con el aminoácido. La estructura extendida del ARN transferente tiene forma de hoja de trébol, aunque en realidad los brazos se disponen plegados, constituyendo una estructura de boomerang. El ARN transferente constituye, aproximadamente, el 10% del ARN celular total. Base físico-química Ácidos nucleicos Página 7 de 9
4. ARN nucleolar (ARNn). Se localiza en el núcleo, unido a diferentes proteínas constituyendo el nucléolo. Posee una gran variedad de tamaños. Se origina en el núcleo a partir de diferentes segmentos del ADN (organizadores nucleares). Una vez formado, se fragmenta y da lugar a los diferentes ARN ribosómicos. ADN Almacenamiento de la información, disponible en cualquier momento. Se encarga de transmitir la información de generación en generación. Presenta una mayor estabilidad que el ARN. Forma cadenas dobles (bicatenario) que adopta una morfología de hélice Se localiza, en la célula eucariota, en el núcleo y algo en las mitocondrias y cloroplastos. El azúcar que lo constituye es la pentosa desoxirribosa que carece de un oxígeno en el carbono 2, de ahí el nombre de ácido. Bases nitrogenadas Purinas: Adenina, Guanina. Pirimidinas: Timina, Citosina. 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. Se presenta en forma de una sola cadena (monocatenario). Diferencias entre ADN y ARN Se localiza, en le célula eucariota, en el citoplasma (ARNm, ARNr y ARNt) aunque también aparece en el núcleo el ARNm y el ARNr. El azúcar que lo constituye es la pentosa ribosa que posee un OH en el carbono 2. Bases Nitrogenadas Purinas: Adenina, Guanina. Pirimidinas: Uracilo, Citosina. 4.- Bibliografía. J. ALCAMÍ y colaboradores. 2. Editorial SM. 2003. CARLOS PULIDO y colaboradores. 2. Editorial ANAYA. 2003. JULIA MANSO y colaboradores. 2. Editorial EDELVIVES. 2003. MIGUEL SANZ y colaboradores. 2. Editorial OXFORD. 1999. STRYER. BIOQUÍMICA. Editorial REVERTÉ. 1995. A. LEHNINGER. BIOQUÍMICA. Ediciones Omega, S. A. 1978. 5.- Preguntas selectividad. 1.- Describa las funciones más relevantes de los nucleótidos. Cite un ejemplo de nucleótido que participe en cada una de ellas. 2.- En relación con los ácidos nucleicos, indique: Cuáles son los componentes de un nucleótido? Cuáles son las bases nitrogenadas derivadas de la purina? Y de la pirimidina? Qué bases nitrogenadas entran a formar parte en la composición del RNA y del DNA? Qué tipo de enlaces soportan la estructura de los ácidos nucleicos? 3.- El análisis del ácido nucleico de un virus ha dado los siguientes resultados: A 24%, G 31%, T 33% y C 12%. Qué conclusiones se pueden obtener acerca del tipo de ácido nucleico del virus? Razone la respuesta. Base físico-química Ácidos nucleicos Página 8 de 9
4.- Describa de forma detallada la composición y estructura general de los nucleótidos y enumere tres de sus funciones biológicas. 5.- En relación con la figura adjunta, conteste las siguientes cuestiones: a).- Qué macromolécula representa la figura? Qué tipos de monómeros la forman y cuáles son los componentes de los mismos? Nombre los enlaces que se establecen entre los monómeros. b).- Describa la estructura secundaria de esta macromolécula. 6.- Describa la fórmula general de los nucleótidos que forman los ácidos nucleicos y cite las diferencias básicas de composición química entre los nucleótidos del ARN y del ADN. Base físico-química Ácidos nucleicos Página 9 de 9