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1.7.3. Tipos de ácidos nucleicos. Estructura, localización y funciones.

 

Los ácidos nucleicos son polinucleótidos, o sea, polímeros de nucleótidos. Se distinguen dos tipos: los constituidos por cadenas de desoxirribonucleótidos o ácidos desoxirrionucleicos, ADN (en inglés DNA); y los formados por unidades de ribonucleótidos, ácidos ribonucleicos, ARN (en inglés RNA). La primera diferencia queda clara en los nombres: el ADN contendrá la pentosa desoxirribosa y la ribosa formará parte del ARN.

En un esquema general se observará que el esqueleto del polinucleótido está formado por moléculas de pentosa que se alternan con restos de fosfato, de forma que la cadena está constituida por unidades de pentosa-fosfato enlazadas de la siguiente forma:

                                      ...3'-pentosa-5'-fosfato-3'-pentosa-5'-. ..

Por tanto, la cadena tiene una orientación. No es igual un extremo al otro y, en consecuencia, habrá que tenerlo en cuenta a la hora de representar cualquier molécula de ácido nucleico.

Cada resto de pentosa está unido por el carbono l' a una base nitrogenada. Aquí está la segunda diferencia entre los dos tipos de ácidos nucleicos:

- El ADN contiene las bases adenina, guanina, citosina y timina.

- El ARN contiene adenina, guanina, citosina y uracilo.

Así, la timina está ausente en el ARN y el uracilo en el ADN.

Como la cadena es lineal, las bases nitrogenadas seguirán un orden o secuencia. Los ácidos nucleicos son moléculas informativas. En fa información está la clave de su función.

 

ADN 

De igual forma que las proteínas, el ADN posee diferentes niveles de complejidad estructural. Presenta fundamentalmente estructura primaria y secundaria, aunque asociada o no proteínas nucleares adopta estructuras superenrolladas o empaquetadas que equivaldrían a una estructura terciaria.

Estructura primaria 

Es la secuencia de nucleótidos, de estructura y dimensiones conocidas, unidos por enlaces fosfodiéster. Los enlaces fosfodiéster se establecen entre el radical fosfato situado en el carbono 5' de un nucleótido y el radical hidroxilo (-OH) del carbono 3' del siguiente nucleótido (enlaces 5'-3').

Una cadena de ADN presenta dos extremos libres: e unido al grupo fosfato, y el 3', unido a un hidroxilo.

Cada cadena se diferencia de otra por su tamaño, su composición y por su secuencia de bases, que indica el orden en que A, T, C y G se sitúan en la cadena de ADN Cuando se representa una cadena de ADN normalmente solo se indica la secuencia de desoxirribonucleótidos de manera abreviada. Así, la desoxiadenosín-5' monofosfato (AMP) se abreviaría simplemente con la inicial de la base que contiene: A

 

Este polinucleótido se abreviaría como ACGT.

 

Estructura secundaria

La secuencia polinucleotídica se dispone en el espacio en forma de una doble hélice, según la estructura propuesta por James Watson y Francis Crick en 1953. Dos descubrimientos previos abrieron el camino a este modelo de estructura secundaria del ADN aceptado en la actualidad.

En 1950, Erwin Chargaff, tras estudiar gran cantidad de muestras de ADN pertenecientes a diversas especies de organismos, observó que siempre existía la misma cantidad de bases nitrogenadas púricas y pirimidínicas. Descubrió, además, que el número de adeninas siempre es igual al de timinas, y el de guaninas, al de citosinas. Estos resultados constituyen la denominada ley de equivalencia de bases de Chargaff.

Por otra parte, en esta misma época, Rosalind Franklin y Maurice Wilkins aplicaron el método de difracción de rayos X al ADN y dedujeron que esta molécula posee una estructura helicoidal con dos periodicidades, luna cada 0,34 nm y otra cada 3,4 nm.

A partir de estos datos, Watson y Crick elaboraron su modelo de estructura tridimensional del ADN, que presenta las siguientes características:

- El ADN está constituido por dos cadenas polinucleotídicas 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 con el 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. 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. (Si se conoce una secuencia es posible deducir inmediatamente la complementaria.).

 

Complementariedad de las bases.

 

- 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 esta forma, 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.

- Los planos de las bases nitrogenadas enfrentadas son paralelos entre sí y perpendiculares al eje de la hélice.

- El enrollamiento de la doble hélice es plectonémico, es decir, las cadenas no se pueden separar sin desenrollarlas.

- La doble hélice es dextrógira: el enrollamiento gira en el sentido de las agujas del reloj.

- 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 encuentra un par de bases complementarias. Puede deducirse, por tanto, que existen 10 pares de nucleótidos por cada vuelta.

 

Esquemas de la doble hélice de ADN.

 

 

             La molécula de ADN es muy estable en condiciones fisiológicas normales, debido a los numerosos enlaces de hidrógeno entre las bases nitrogenadas ya las interacciones hidrofóbicas entre los anillos aromáticos y los radicales -CH3 de las bases nitrogenadas. Sin embargo, la estructura en doble hélice del ADN se puede perder, separándose las dos hebras, cuando se alteran las condiciones de pH (se incrementa por encima de 13) o se calienta a temperaturas en torno a los 100 °C. Luego uno de los agentes físicos que puede producir la separación de las dos hebras de la doble hélice de ADN es la temperatura. 

Al fenómeno de separación de las dos hebras de la doble hélice de ADN se denomina desnaturalización.

            Los enlaces que se ven afectados y cuya rotura por agentes físicos provoca la separación de las dos hebras de la doble hélice de ADN son, fundamentalmente, los enlaces de hidrógeno que existen entre las bases nitrogenadas: dos enlaces de hidrógeno entre la adenina y la timina, y tres entre la guanina y la citosina.

La desnaturalización del ADN es un proceso que durante varios años se consideró irreversible, pero en los años sesenta se comprobó que si las hebras complementarias se mantenían a una temperatura en torno a los 65 °C durante un periodo de tiempo prolongado, formaban una nueva hélice con total funcionalidad. La desnaturalización es, por tanto, reversible y el proceso inverso, por el que se recupera la doble hélice, se denomina renaturalización o hibridación del ADN.

 

Desnaturalización y renaturalización de ADN

 

Estructura terciaria o empaquetamiento.

 

Las moléculas de ADN tienen un carácter ácido, porque cada nucleótido proporciona una carga electronegativa que procede del grupo fosfato. Por tanto, una molécula con miles o millones de nucleótidos tendrá dos cargas negativas por cada par de bases. Todas estas cargas tienden a repelerse entre sí. En disolución, muchas de ellas se neutralizan con cationes monovalentes, como iones Na+, pero estas moléculas tienden a "esponjarse" y ocupar mucho espacio.

Para codificar toda la información que se requiere en el desarrollo de un organismo eucariótico se necesitan moléculas de ADN muy largas, lo que plantea un problema de empaquetamiento en un volumen pequeño, como lo es el núcleo celular.

En las células eucarióticas el ADN, incluso cuando se está duplicando, siempre se encuentra asociado a proteínas de carácter básico llamadas histonas, capaces de neutralizar las cargas ácidas del ADN. Al complejo de ADN y proteínas asociadas se le denomina cromatina.

Hay diferentes niveles de empaquetamiento de la cromatina a lo largo de las distintas etapas de la vida celular.

            Las histonas se asocian con el ADN en un primer nivel de empaquetamiento para formar una fibra de 11 nm (110 A) llamada collar de perlas.

Si la fibra de 11 nm se digiere con una nucleasa que degrada el ADN no protegido, se liberan unas partículas: los nucleosomas.

 

Estructura del collar de perlas y del nucleosoma.

 

Cada nucleosoma está formado por un núcleo con ocho moléculas de histona: dos de H2A, dos de H2B, dos de H3 y dos de H4. La cadena de ADN rodea el octámero dándole una vuelta y tres cuartos, ocupando 146 pares de nucleótidos.

En la célula en interfase generalmente la cromatina se vuelve a compactar mediante la histona H1 para formar la fibra de 30 nm. La fibra de 30 nm se empaqueta, a su vez, por otras proteínas en una serie de dominios de diferente grado de plegamiento.

 

 

Estructura de la fibra de cromatina: Asociación del nucleosoma con la histona H, para constituir la fibra de 30 nm.

Hay dos tipos de cromatina funcional: la cromatina "activa" o eucromatina, que corresponde a las regiones activas con transcripción del ADN con una conformación relativamente relajada, y la cromatina más condensada o heterocromatina, que está inactiva.

En los momentos previos a la división celular, el material nuclear sufre otros empaquetarnientos sucesivos que aún no se conocen muy bien hasta alcanzar la estructura de los cromosomas metafásicos, en los que el nivel de empaquetamiento es máximo y llega a una 50.000 parte de la longitud inicial.

 

Empaquetamientos sucesivos.

 

Cada cromosoma se comporta como dos madejas de ADN, una por cada cromátida, de modo que el reparto equitativo a las células hijas se realice sin problemas.

 

ARN 

      Está formado por cadenas muy largas de nucleótidos unidos entre sí por enlaces fosfodiéster entre las posiciones 3' y 5' de los nucleótidos consecutivos.

     El azúcar es la ribosa, y las bases nitrogenadas son la adenina, la guanina, la citosina y el uracilo.

     La molécula se repite monótonamente, y la única variable es la posición de las distintas bases nitrogenadas en la molécula. La cadena tiene polaridad, es decir, los dos extremos de la molécula son diferentes: uno es el extremo 5'fosfato, y el otro es el extremo 3'hidroxilo. Por convenio, siempre que no se especifique la polaridad, las cadenas se escriben de 5' a 3'.

- El orden de los nucleótidos en la molécula de ARN se llama secuencia y constituye la estructura primaria del ARN. La secuencia de un ARN determina un mensaje genético.

- Las bases nitrogenadas pueden formar puentes de hidrógeno entre sí; preferentemente, adenina con uracilo, y citosina con timina. La molécula se estabiliza cuando ha formado la mayor cantidad de puentes de hidrógeno. Esto le proporciona una estructura determinada: la estructura secundaria.

- Esta estructura puede plegarse a su vez en el espacio obteniendo una configuración específica estable. Ésta es la estructura terciaria de la molécula.

 

a)      Fragmento de ARN.

   b)      El ARN es una hebra sencilla que puede presentar cortas zonas de apareamiento de bases

 

Existen cuatro tipos de ARN, relacionados de una forma u otra con la expresión de la información genética contenida  en el  ADN. Estos tipos son el ARN mensajero, ARN ribosómico, ARN de transferencia y ARN nucleolar.

 

ARN mensajero (ARNm)

 

El ARNm es una copia de una parte del ADN (la que corresponde a cada gen o grupo de genes que vaya a expresarse) que será utilizada por los ribosomas como información para poder unir los aminoácidos en el orden adecuado y constituir una proteína concreta.

Las cadenas de ARN mensajero tienen una vida muy corta, ya que si no fueran destruidas (mediante enzimas ribonucleasas) la síntesis proteica se prolongaría indefinidamente y se originaría una superproducción de proteínas. Así, cuando se necesita sintetizar una proteína concreta, se fabrica de nuevo el ARN mensajero correspondiente.

El ARNm constituye, aproximadamente, entre el 3 y el 5 % del total del ARN celular.

 

ARN transferente (ARNt)

 

El ARNt se encarga de transportar los aminoácidos presentes en el citoplasma celular hasta los ribosomas, donde se unirán para constituir las proteínas. Cada molécula de ARNt transporta un aminoácido específico. Estas diferencias son debidas, fundamentalmente, a una secuencia de tres bases nitrogenadas, denominada anticodón, que varía entre los distintos ARNt.

Los ARNt están formados por cadenas cortas (entre 70 y 90 nucleótidos) que contienen un 10% de bases nitrogenadas diferentes a las cuatro mayoritarias, como ya se ha indicado.

Las moléculas de ARNt poseen una estructura secundaria muy característica, en la que existen tramos de doble cadena, por emparejamiento intracatenario. Estos tramos se denominan brazos y hay cuatro en cada molécula, aunque también logra aparecer un quinto brazo más corto que los otros. En los extremos de tres de los brazos existen unas zonas sin emparejar que componen los denominados bucles.

El extremo 3' de la cadena tiene siempre la secuencia de bases CCA. A este nucleótido terminal de adenina se une el aminoácido que va a ser transportado. En el extremo 5' siempre existe un nucleótido con guanina.

La estructura extendida del ARNt tiene forma de hoja de trébol, aunque en la realidad los brazos se disponen plegados, constituyendo una estructura acodada que recibe el nombre de «estructura en boomerang».

El ARNt constituye, aproximadamente, el 10 % del ARN celular total.

 

a) Conformación espacial de ARNt.

b) Estructura desplegada en forma de “ hoja de trébol"

 

ARN ribosómico (ARNr)

 

El ARNr forma parte de los ribosomas y participa, por tanto, en el proceso de unión de los aminoácidos para sintetizar las proteínas. No constituye una molécula específica de cada organismo, pues, a diferencia del ARNm, no contiene información sobre la clase de proteína que se va a sintetizar.

Existen varias cadenas distintas de ARNr, que se diferencian por su coeficiente de sedimentación.

Las células procariotas y eucariotas tienen cadenas de ARNr ligeramente distintos.

El ARNr es el tipo más abundante, ya que corresponde al 80-85% del ARN celular total.

 

El ARN nucleolar (ARNn)

Se forma en el núcleo a partir de ciertos segmentos del ADN llamados organizadores nucleolares. 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.

 

LOCALIZACIÓN DE LOS ÁCIDOS NUCLEICOS. 

En los eucariotas, el ADN se encuentra localizado en el núcleo formando largas moléculas lineales asociadas a proteínas básicas. Aunque la mayor parte del ADN de las células eucariotas está confinada en el núcleo, en las mitocondrias y en los cloroplastos también hay ADN.

En los eucariotas el ARN se localiza tanto en el núcleo como en el citoplasma. Todos los ARN (ARN mensajero, ARN ribosómico, ARN de transferencia y ARN nucleolar) se sintetizan en el núcleo utilizando como molde una de las dos cadenas de polinucleótidos del ADN.

- El ARN mensajero, una vez sintetizado, atraviesa la membrana nuclear y pasa al citoplasma.

- El ARN ribosómico, denominado también ARN estructural, se asocia a un conjunto de proteínas básicas y forman los ribosomas.

- El ARN de transferencia se localiza en el citoplasma, desde donde transporta los aminoácidos hasta el ribosoma para que se unan y formen las proteínas.

- El ARN nucleolar se encuentra asociado a diferentes proteínas formando el nucléolo. Se origina en el núcleo a partir de diferentes segmentos del ADN denominados organizadores nucleolares. Una vez formado, se fragmenta y da origen a los diferentes tipos de ARN ribosómico.

        En las procariotas, al carecer de núcleo todos los ácidos nucleicos están en el citoplasma o formando parte de los ribosomas; también se puede encontrar ADN en unas formaciones llamadas plásmidos...

       En los virus tanto el ADN como el ARN pueden formar parte de su material genético, pero no juntos.

 

FUNCIONES DE LOS ACIDOS NUCLEICOS. 

      El ADN es el portador del mensaje genético, que ha de pasar invariable de una generación celular a otra. Para eso, ha de duplicarse transmitiendo el mismo mensaje en las dos copias. A este proceso se le llama replicación.

     El mensaje genético contenido en el ADN es la especificación de las proteínas que ha de sintetizar la célula. Desde el mensaje del ADN hasta las moléculas de proteínas se pasa por dos procesos:

·        transcripción, que consiste en que el mensaje de un fragmento de ADN es copiado (transcrito) en una molécula de ARN. Es decir, consiste en la síntesis de una molécula de RNA que contenga el mismo mensaje que el correspondiente fragmento de ADN.

·        traducción, que consiste en la síntesis de la proteína significada por el mensaje del ADN, siguiéndose las instrucciones del ARN.

         Para que se lleve a cabo la traducción, han de intervenir tres tipos diferentes de ARN, que son:

- el ARN mensajero (ARNm), que dicta las órdenes de colocación de los aminoácidos, pues reproduce el mensaje genético de un fragmento de ADN.

- el ARN transferente (ARNt), que transporta los aminoácidos hasta las moléculas de mRNA.

- el ARN ribosómico (ARNr), tiene función estructural, pues, forma parte de los ribosomas, que son los orgánulos celulares donde se realiza el acoplamiento entre el ARNm y el ARNt, y la unión de los aminoácidos para formar las proteínas, y por tanto constituyen el lugar donde se realiza la traducción.

        El RNA nucleolar (nRNA), se encuentra asociado a proteínas formando el nucleolo.

        Algunos virus carecen de ADN y, por ello, contienen su información biológica en forma de ARN.

 

   *Observar que en esta pregunta la forma de escribir la abreviatura de los ácidos nucleicos es distinta, pero válida, aunque menos usada.

 

       Aparte de las estructuras que hemos visto de los ácidos nucleicos existen  OTRAS ESTRUCTURAS, pudiendo resumir de la siguiente manera todas las estructuras posibles: