ÁCIDOS NUCLEICOS Son compuestos formados por C, H, O, N y P. Están formados por ácido fosfórico, una pentosa (ribosa o desoxirribosa) y una base nitrogenada (adenina, guanina, citosina, timina y uracilo). Pentosa + base = NUCLEÓSIDO Nucleósido + acido. fosfórico = NUCLEÓTIDO Los ácidos nucleicos son polímeros de los nucleótidos. NUCLEÓSIDOS Se forman mediante la unión de una pentosa (beta D ribofuranosa o beta D desoxirribofuranosa) con una base nitrogenada, estableciéndose un enlace N glucosídico entre el carbono 1 de la pentosa y el nitrógeno 1 de la base nitrogenada si esta es pirimidínica, o el N 9 si es púrica. Se nombran añadiendo la terminación osina al nombre de la base púrica y la terminación idina en el caso de las bases pirimidínicas (adenosina, guanosina, citidina, uridina y timidina). Si la pentosa es la desoxirribosa, se antepone el prefijo desoxi (ej.: desoxiadenosina). Ribosa Desoxirribosa Adenina Adenosina Desoxiadenosina Guanina Guanosina Desoxiguanosina Citosina Citidina Desoxicitidina Uracilo Uridina Desoxiuridina Timina Timidina Desoxitimidina 1
NUCLEÓTIDOS Se forman mediante la unión de una molécula de ácido fosfórico y un nucleósido, a través del grupo hidroxilo del C 5 de la pentosa. Se nombran anteponiendo la palabra ácido al nombre de la base y añadiendo la terminación ílico (ej.: ácido adenílico). Con frecuencia se emplea solamente las siglas del nombre completo (AMP, CMP, dtmp = desoxitimidín monofosfato). NUCLEÓTIDO RIBONUCLEÓTIDO DESOXIRRIBONUCLEÓTIDO Mono ~ Di ~ Tri ~ Mono ~ Di ~ Tri ~ AMP ADP ATP damp dadp datp GMP GDP GTP dgmp dgdp dgtp CMP CDP CTP dcmp dcdp dctp UMP UDP UTP dump dudp dutp ÁCIDOS NUCLEICOS Son polímeros de los nucleótidos. Se unen entre sí a través del radical fosfato situado en el C 5 de un nucleótido y el radical hidroxilo (OH) del carbono 3 del otro nucleótido. La unión se realiza mediante enlaces fosfodiéster. Existen dos tipos: ADN y ARN. ADN Está formado por nucleótidos de A, C, G y T, unidos entre sí por medio de enlaces fosfodiéster en el sentido 5 -- 3 (entre el C 3 de uno y el C 5 del siguiente). Tiene un peso molecular muy elevado. En las células eucarióticas, el ADN se encuentra principalmente en el núcleo, pero también en mitocondrias y cloroplastos. El ADN nuclear está asociado a proteínas (nucleoproteínas), siendo básicamente histonas. El ADN de mitocondrias y cloroplastos es similar al de c. procariotas. Aquí se asocia a ARN, histonas y proteínas no histónicas, formando un nucleoide (sin envoltura). En el ADN se distinguen 3 niveles estructurales: ESTRUCTURA PRIMARIA Es la secuencia de nucleótidos. Las diferentes combinaciones constituyen la información genética, información necesaria para la síntesis de proteínas. El primer nucleótido de la cadena es el que tiene libre el extremo 5 y el último el que tiene libre el extremo 3. ESTRUCTURA SECUNDARIA Es la disposición en el espacio de dos hebras o cadenas de polinucleótidos en doble hélice, con las bases nitrogenadas enfrentadas y unidas mediante puentes de H. Entre A y T dos puentes; entre C y G, tres. En cada vuelta de hélice, 10 pares de bases. Cada pareja de nucleótidos está separada de la siguiente por una distancia de 0,34 nm y cada vuelta de la doble hélice está formada por 10 pares de nucleótidos, lo que supone una longitud de 3,40 nm por vuelta de hélice. Watson y Crick elaboraron en 1953 el modelo de la doble hélice. El ADN, según este modelo, estaría formado por dos cadenas de polinucleótidos que serían antiparalelas, es decir, tendrían los extremos 5 y 3 orientados en diferente sentido, complementarios y enrollados una sobre la otra en forma plectonémica o de doble hélice. LEY DE CHARGAFF A + G = T + C. 2
La doble hélice de ADN en estado natural es muy estable. Si se calienta, al acercarse a la temperatura de los 100º C se separan las hebras (desnaturalización). Si se baja la Tª y se mantiene a unos 65º C durante un tiempo prolongado, se vuelven a unir (renaturalización o hibridación del ADN). Se llama temperatura de fusión (Tm) a aquella en la cual el 50% de la doble hélice está separada. Depende del número de pares C G. La renaturalización se puede conseguir tanto con hebras de un mismo ADN como con hebras de distinta procedencia. Se pueden obtener moléculas híbridas a partir de dos hebras de cualquier tipo de ácido nucleico (ADN o ARN), siempre que exista una secuencia complementaria. Cuanto más relacionados estén los ADN, mayor porcentaje de renaturalización se producirá. Se conocen tres tipos de estructuras en doble hélice: B, A y Z. Ø B: es dextrógira, con las bases en planos horizontales. Es la normal. Ø A: es dextrógira, con las bases en planos inclinados. Se da por deshidratación de la anterior. Ø Z: es levógira, en zig zag. Se da donde se alternan muchos G C. ESTRUCTURA TERCIARIA Son los empaquetamientos que sufre el ADN, asociado a proteínas. a- Primer nivel de empaquetamiento En el núcleo de células eucariotas. Consiste en la asociación de la doble hélice de ADN con proteínas nucleares, las histonas y las protaminas. Según las proteínas y la estructura se conocen dos tipos de empaquetamiento: 1- Collar de perlas : también se llama fibra de cromatina de 100 Å. Está en los núcleos en reposo de las células somáticas, formando la cromatina. Se colorea intensamente. Está constituido por una sucesión de partículas de 100 Å de diámetro enlazadas por una doble hélice de ADN. El conjunto, que continuamente se va repitiendo, formado por la partícula de 100 Å más el ADN espaciador se denomina nucleosoma. Las partículas están constituidas por un grupo de 8 histonas (octámero), y por un segmento de ADN de 146 pares de bases que describe 1,75 vueltas sobre el octámero. El ADN espaciador o ADN Linker tiene 54 pares de bases, por lo que el ADN total del nucleosoma es de 200 pares de bases. Cada nucleosoma se puede asociar a una molécula de una nueva histona, la H1. Esta queda fijada por los 10 primeros pares de nucleótidos de cada uno de los dos extremos de ADN que salen de la partícula nuclear. El conjunto formado por el octámero, la histona H1 y el ADN se le llama cromatosoma. La H1 no es imprescindible. Su presencia implica condensaciones de 8 o más cromatosomas. 2- Estructura cristalina: resulta de la asociación del ADN con protaminas. Aparecen en el núcleo de los espermatozoides. Las protaminas son proteínas más pequeñas y básicas que las histonas, lo que implica mayor grado de empaquetamiento (favorece la movilidad). 3
b- Segundo nivel de empaquetamiento Es la fibra de cromatina de 300 Å. Se forma por enrollamiento sobre sí misma de la fibra de cromatina de 100 Å. Según el modelo del solenoide, se invierten unos 6 nucleosomas por vuelta, formando un eje de 300 Å, acortándose 5 veces la longitud del collar de perlas. En el núcleo, la mayor parte de la cromatina está en forma de fibra de 100 y 300 Å. c- Niveles superiores de empaquetamiento Con el empaquetamiento de la fibra de 300 Å sólo se consigue un acortamiento entre 35 y 40 veces. Un cromosoma humano mide sólo 5,5 micras de longitud y posee 4 cm de fibra de ADN, lo que supone una reducción del orden de 7000 veces. Aún no se conoce bien la estructura de los cromosomas. Es posible la existencia de un armazón o andamio proteínico donde se fijan bucles de ADN, formados por la fibra de 300 Å. El tercer nivel de empaquetamiento lo constituirían los bucles. Estos formarían estructuras de 600 Å de diámetro. Luego 6 bucles formarían una estructura retorcida (roseta), y 30 rosetas seguidas un rodillo (4º nivel de empaquetamiento). Por último, el 5º y último nivel de empaquetamiento lo formarían los cromosomas, constituidos por una sucesión de rodillos. ADN SUPERENROLLADO El ADN adopta en ocasiones una disposición especial, sin el concurso de histonas; el ADN superenrollado. Se produce cuando varía el nº de vueltas de doble hélice. Ejm.: el ADN en forma B presenta una vuelta a la derecha cada 10,4 pares de bases. Si el nº aumenta o disminuye, se obtiene el ADN superenrollado positiva o negativamente. El superenrollamiento del ADN tiene dos ventajas: Ø consigue reducir la longitud del ADN Ø favorece la replicación y la transcripción a ARN. TIPOS DE ADN Según su estructura Ø Monocatenario: muy raro. En algunos virus Ø Bicatenario o Circular: bacterias, mitocondrias y algunos virus o Lineal: núcleos de células eucariotas y algunos virus. ARN Formados por nucleótidos de ribosa con las bases A, C, G y U. Se unen igual que en el ADN. Casi siempre es monocatenario (excepto en los reovirus). En determinadas regiones puede formar estructura secundaria en doble hélice, por complementariedad de bases y estructura terciaria al asociarse a proteínas. Probablemente el ARN fuese la primera molécula capaz de autoduplicarse ARN DE TRANSFERENCIA O SOLUBLE (ARNt) Es monocatenario, presentando algunas zonas con estructura secundaria. Tiene forma de hoja de trébol. Presenta tres brazos (uno de ellos llamado anticodon), cada uno con su asa y un brazo aceptor de aminoácido. Tiene entre 70 y 90 nucleótidos y forma un 15% del total del ARN celular. Hay unos 50 tipos y su función es la de transportar aminoácidos específicos hasta los ribosomas. En el extremo 5 de los ARNt se localiza siempre un ribonucleótido de G. En el extremo 3, donde se localiza el aminoácido, está siempre el triplete CCA. En el anticodon hay diferentes tripletes, en correspondencia con el aminoácido que capta específicamente cada ARNt. 4
ARN MENSAJERO (ARNm) Tiene distinta estructura en procariotas y en eucariotas. En ciertas zonas tiene estructura 1ª (una sola hebra) y en otras tiene estructura 2ª (doble hélice). Se encuentra asociado a proteínas formando las partículas ribonucleoproteicas mensajeras. El ARNm se forma a partir del pre ARNm (o ARN heterogéneo nuclear ARNhn). Este posee segmentos con información (exones) alternados con otros sin información (intrones), que luego son suprimidos y no aparecen en el ARNm. Este proceso se denomina maduración y se produce en el núcleo. El ARNm posee en su extremo 5 una guanosina trifosfato metilada invertida. Esta estructura (la caperuza) bloquea la acción de enzimas exonucleasas que pueden destruir el ARNm, y constituye la señal de inicio de la síntesis de proteínas. A continuación, hay un segmento sin información (líder), seguido de otro segmento con información que suele empezar con la secuencia AUG. En el extremo 3 o extremo final posee de 150 a 200 nucleótidos de A que se denomina cola de poli A. Se considera que sirve para estabilizar frente a las enzimas exonucleasas. Entre la síntesis y la destrucción del ARNm solamente transcurren algunos minutos. Es rápidamente destruido por la acción de unas enzimas llamadas ribonucleasas. El ARNm eucariótico es monocistrónico, sólo contiene información para una cadena polipeptídica. El ARNm procariótico no adopta la estructura del ARN eucariótico, careciendo de caperuza y de cola poli A. Además es policistrónico, contiene información para varias proteínas. ARN RIBOSÓMICO (ARNr) Presenta segmentos lineales y segmentos en doble hélice (estructura 2ª). Además presenta estructura 3ª al asociarse a proteínas. Esta estructura 3ª está relacionada con la síntesis de proteínas ya que adopta la forma adecuada para dar alojamiento a un ARNm y a los aminoácidos que forman las proteínas en dicho proceso. ARN NUCLEOLAR (ARNn) Se originan en el núcleo a partir de segmentos de ADN, uno de los cuales se denomina región organizadora nucleolar. Se asocia a proteínas y forma el nucléolo. Después se fragmenta y da las subunidades de los ribosomas, que salen por los poros nucleares hacia el citoplasma. 5
FUNCIONES DE LOS NUCLEÓTIDOS Y DE LOS ÁCIDOS NUCLEICOS 1- Almacenamiento de la información genética 2- Transmisión de la información genética CUESTIONARIO DE ÁCIDOS NUCLEICOS 1- En qué se diferencia un nucleósido de un nucleótido? Formula un ejemplo. 2- Cómo se llama el enlace que se establece entre dos nucleótidos? Escribe la fórmula de un nucleótido y nómbralo. 3- Dada la siguiente secuencia nucleotídica de una hebra de ADN: 3 AGCT 5 : a- Escribe la fórmula desarrollada de la secuencia anterior. b- Escribe la secuencia de su hebra complementaria. 4- Por qué el ARNm no tiene una estructura de doble hélice? Cuál es la razón de que los ARNt presenten algunas zonas con doble hélice? 5- Dibuja el trinucleótido damp dtmp dcmp y señala todos los enlaces de tipo éster que hay. Para facilitar el dibujo simboliza las bases nitrogenadas con las letras A, T y C. 6- Dibuja de la misma forma la hebra complementaria. Recuerda que son antiparalelas. Señala en el dibujo anterior si hay dos o tres enlaces entre las bases nitrogenadas y de qué tipo son. 7- En un ADN bicatenario se ha hallado que en el total de bases nitrogenadas hay un 23% de A. Cuáles son los porcentajes de las demás bases? 8- Cuál es la secuencia de ADN complementaria de 5...T A C C T C A C T... 3? 9- En un ácido nucleico se ha encontrado el siguiente porcentaje de bases nitrogenadas: A (22%), G (19%), C (26%) y U (33%). Se trata de ADN o de ARN? Es de una sola hebra o de doble hebra? 10- Dibuja un segmento de ARN de sólo dos nucleótidos. Señala donde están los enlaces N glucosídicos, los enlaces fosfodiestéricos, el lugar donde se situaría el siguiente nucleótido, y la dirección de crecimiento de la cadena de ribonucleótidos. 11- Se ha extraído y aislado el ADN de una célula y, tras su desnaturalización, se comprueba que un fragmento de una de sus hebras contiene las siguientes proporciones de bases nitrogenadas: A: 25%, G: 15%, C: 32% y T: 28%. Se pide a- Qué proporciones de bases nitrogenadas debería contener la hebra complementaria a la analizada en caso de producirse la renaturalización? b- En caso de lograrse tal renaturalización y que el ADN fuese funcional, qué proporciones de bases nitrogenadas cabría esperar que tuviera el ARN producido a partir de la hebra inicial de ADN? 12- Asigna su nombre sistemático a cada uno de los siguientes nucleósidos: Nucleósido de adenina y ribosa. Nucleósido de timina y desoxirribosa. Nucleósido de guanina y desoxirribosa. Nucleósido de uracilo y ribosa. Nucleósido de citosina y ribosa. 13- Asigna su nombre sistemático a los nucleótidos formados por: Adenina, desoxirribosa y un grupo fosfato. Uracilo, ribosa y tres grupos fosfato. Timina, desoxirribosa y un grupo fosfato. Guanina, ribosa y tres grupos fosfato. Citosina, desoxirribosa y dos grupos fosfato. 14- Qué otras funciones pueden desempeñar los nucleótidos en la célula además de ser los sillares estructurales de los ácidos nucleicos? 6