ÁCIDOS
NUCLEICOS
Concepto
Los ácidos nucleicos son macromoléculas, polímeros formados por la
repetición de monómeros llamados nucleótidos, unidos mediante enlaces
fosfodiéster. Se forman así largas cadenas o polinucleótidos. Pueden alcanzar
tamaños gigantes (millones de nucleótidos), siendo las moléculas más grandes
que se conocen. Son las moléculas que tienen la información genética de los
organismos y son las responsables de su transmisión hereditaria.
El descubrimiento de los ácidos nucleicos se debe a Miescher que en la
década de 1860 aisló de los núcleos de las células una sustancia ácida a la que
llamó nucleína, nombre que posteriormente se cambió a ácido nucleico.
ADN
Definición
ADN es la abreviatura del ácido desoxirribonucleico (en inglés, DNA: Desoxirribonucleic
Acid). Constituye el material genético de los organismos. Es el componente
químico primario de los cromosomas y el material del que los genes están
formados. En las bacterias, el ADN se encuentra en el citoplasma mientras que
en organismos más complejos, tales como plantas, animales y otros organismos
multicelulares, la mayoría del ADN reside en el núcleo celular. Se conoce desde
hace más de cien años. El ADN fue identificado inicialmente en 1868 por
Friedrich Miescher, biólogo suizo, en los núcleos de las células del pus
obtenidas de los vendajes quirúrgicos desechados y en el esperma del salmón. Él
llamó a la sustancia nucleína, aunque no fue reconocida hasta 1943 gracias al
experimento realizado por Oswald Avery.
Funciones
La función principal del ADN es mantener a través de una sistema de
claves (código genético) la información necesaria para que las células hijas
sean idénticas a las progenitoras (información genética).
Es el que lleva la información genética de la célula, ya que las unidades
de ADN, llamadas genes, son las responsables de las características
estructurales y de la transmisión de estas características de una célula a otra
en la división celular. Los genes se localizan a lo largo del cromosoma.
En realidad se puede considerar así, un almacén de información
(mensaje) que se trasmite de generación en generación, conteniendo toda la
información necesaria para construir y sostener el organismo en el que reside.
El ADN controla la actividad de la célula.
El ADN tiene la propiedad de duplicarse durante la división celular
para formar dos moléculas idénticas, para lo cual necesita que en el núcleo
existan nucleótidos, energía y enzimas.
Estructura
Los componentes del ADN (polímero) son los nucleótidos (monómeros);
cada nucleótido está formado por un grupo fosfato, una desoxirribosa y una base
nitrogenada.
Existen cuatro bases: dos purínicas (o púricas) denominadas adenina
(A) y guanina (G) y dos pirimidínicas (o pirimídicas) denominadas citosina (C)
y timina (T).
La estructura del ADN es una pareja de largas cadenas de nucleótidos.
La estructura de doble hélice del ADN fue descubierta en 1953 por James Watson
y Francis Crick (el artículo A Structure for Deoxyribose Nucleic Acid fue
publicado el 25 de abril de 1953 en Nature1 y dejaba claro el modo en que el
ADN se podía "desenrollar" para que fuera posible su lectura o
copia).
Una larga hebra de ácido nucleico está enrollada alrededor de otra
hebra formando un par entrelazado. Dicha hélice mide 3,4 nm de paso de rosca y
2,37 nm de diámetro, y está formada, en cada vuelta, por 10,4 pares de
nucleótidos enfrentados entre sí por sus bases nitrogenadas. El rasgo
fundamental es que cada base nitrogenada de una hebra "casa" con la
base de la otra, en el sentido de que la adenina siempre se enfrenta a la
timina (lo que se denomina A-T) y la guanina siempre a la citosina (G-C). La
adenina se une a la timina mediante dos puentes de hidrógeno, mientras que la
guanina y la citosina lo hacen mediante tres puentes de hidrógeno; de ahí que
una cadena de ADN que posea un mayor número de parejas de C-G sea más estable.
Este emparejamiento corresponde a la observación ya realizada por
Erwin Chargaff (1905-2002) de que en todas las muestras la cantidad de adenina
es siempre la misma que la timina, e igualmente con la guanina y la citosina.
La cantidad de purinas (A+G) es siempre igual a la cantidad de pirimidinas
(T+C). Así una purina (adenina y guanina), de mayor tamaño, está siempre
emparejada con una pirimidina (timina y citosina), más pequeña, siendo de este
modo uniforme la doble hélice (no hay "bultos" ni
"estrechamientos").
Se estima que el genoma humano haploide tiene alrededor de 3.000
millones de pares de bases. Dos unidades de medida muy utilizadas son la
kilobase (kb) que equivale a 1.000 pares de bases, y la megabase (Mb) que
equivale a un millón de pares de bases.
Promotor
El promotor es una secuencia de ADN que permite que un gen sea
transcrito, sirve para dar la señal de comienzo a la ARN polimerasa. El promotor
ADN determina cuál de las dos cadenas de ADN será copiada.
Algunos autores definen estructuras que denominan primarias,
secundarias, etc. en orden de complejidad creciente, similar a las de las
proteínas.
La estructura primaria del ADN está determinada por esta
secuencia de bases ordenadas sobre la "columna" formada por los
nucleósidos: azúcar + fosfato. Este orden es en realidad lo que se transmite de
generación en generación (herencia).
Estructura secundaria: es el modelo postulado por Watson y
Crick: la doble hélice, las dos hebras
de ADN se mantienen unidas por los puentes hidrógenos entre las bases. Los
pares de bases están formados siempre por una purina y una pirimidina, de forma
que ambas cadenas están siempre equidistantes, a unos 11 Å una de la otra. Los
pares de bases adoptan una disposición helicoidal en el núcleo central de la
molécula, ya que presentan una rotación de 36º con respecto al par adyacente,
de forma que hay 10 pares de bases por
cada vuelta de la hélice. La A
se empareja siempre con la T
mediante dos puentes de hidrógeno, mientras que la C se empareja siempre con la G por medio de 3 puentes de
hidrógeno
Estructura terciaria del ADN. Se refiere a como se almacena el
ADN en un volumen reducido. Varía según se trate de organismos procariontes o
eucariontes:
a)
En procariontes se pliega como una super-hélice en forma, generalmente,
circular y asociada a una pequeña cantidad de proteínas. Lo mismo ocurre en la
mitocondrias y en los plastos.
b) En eucariontes el empaquetamiento ha de ser más complejo y compacto
y para esto necesita la presencia de proteínas, como son las histonas y otras
de naturaleza no histona (en los espermatozoides las proteínas son las
protaminas). A esta unión de ADN y proteínas se conoce como cromatina, en la
cual se distinguen diferentes niveles de organización: Nucleosoma, Collar de perlas, Fibra
cromatínica, Bucles radiales, Cromosoma.
ARN
Definición
El ácido ribonucleico (ARN o RNA) es un polímero de ácido nucleico
consistente de nucleótidos por monómeros. Toma su nombre del grupo de los
azúcares en el esqueleto de la molécula,
la ribosa. Los nucleótidos del ARN contienen anillos de ribosa y uracilo,
diferencia del ácido desoxirribonucleico (ADN) que contiene desoxirribosa y
timina. Es transcrito desde el ADN por enzimas llamada ARN polimerasas y
procesadas por muchas más proteínas. El ARN sirve como una plantilla para la
traducción de genes.
Funciones
La
función principal del ADN dentro de la célula es su intervención en la síntesis
proteica, distinguiéndose los ARN mensajeros que actúan como moldes, los ARN de
transferencia que tienen el papel de portadores de aminoácidos y el ARN
ribosómico que funciona en los ribosomas durante la formación del enlace
peptídico. Como vemos las funciones del ARN tiene que ver con los tipos:
ARN de transferencia
Los ARNt constituyen aproximadamente el 15% del ARN celular total.
Aunque se sintetizan en el núcleo, los ARNt son elaborados rápidamente y
utilizados en el citoplasma. Entre las funciones del ARNt, destaca el
transporte de aminoácidos a los polirribosomas (complejo ribosomas · ARNm), así
como la traducción del código genético del ARNm. Los tres nucleótidos de la
región del bucle de anticodón de ARNt se unen a tripletes complementarios de
nucleótidos del ARNm. Según esto, los ARNt van a tener dos centros activos
primarios: el -CCAOH, extremo 3´-hidroxilo, al que se van a unir covalentemente
aminoácidos específicos, y el triplete anticodón. Éstos centros van a ser los
responsables de la conversión de la información codificada en la secuencia de
un ácido nucleico (ADN o ARNm) en secuencia de proteínas durante la traducción.
En una célula cualquiera, existen alrededor de 56 variedades diferentes
de ARNt, teniendo cada uno de los ARNt tripletes anticodón diferentes. A
menudo, hay más de un ARNt para un aminoácido determinado, pudiéndose definir
éstos ARNt como ARNt isoaceptores. Por ejemplo, un ARNt que es portador de
tirosina, figuraría como ARNtTyr.
ARN ribosómico
Los ARNr constituyen el 80% del ARN celular total y tienen la
propiedad de que son metabólicamente estables. Ésta estabilidad, indispensable
para el funcionamiento repetido del ribosoma, está incrementada por su estrecha
relación con las proteínas ribosómicas. Existen proteínas que se unen
directamente a los ARNr durante la fase de transcripción.
Los ribosomas citoplasmáticos eucarióticos están constituidos por
cuatro moléculas de ARN y de 70
a 80 proteínas, que se encuentran divididos entre las
dos subunidades ribosómicas:
Subunidad pequeña. Partícula 40S. Contiene un ARNr 18S y el 55% de las
proteínas.
Subunidad grande. Partícula
60S. Contiene los restantes ARNr: el 28S ARNr, el 5,8S ARNr y el ARNr más
pequeño, 5S, así como las restantes proteínas.
ARN mensajero
Los ARNm se caracterizan por ser los portadores directos de la
información genética desde el núcleo a los ribosomas citoplasmáticos.
En el caso de los ARNm eucarióticos, cada ARNm contiene información
sólo para una cadena polipeptídica, de ahí que se hayan designado
monocistrónicos, mientras que en los procariotas, el ARNm puede existir en
forma de moléculas policistrónicas.
El fenotipo y la funcionalidad de una célula van a depender
directamente del contenido citoplasmático de ARNm. En concreto, en las células
que muestran una síntesis proteica muy activa, como es el caso de las células
pancreáticas, el cociente ADN/ARN que se presenta es muy bajo debido a la
presencia de grandes cantidades de ARNm y ARNr. Sin embargo, en las células que
presentan tasas bajas de síntesis proteica, tales como las células musculares,
el cociente de ADN/ARN sería mucho más elevado, ya que no necesitan grandes de
ARNm y ribosomas.
En el citoplasma, los ARNm van a tener una duración relativamente
corta, determinada, en parte, por las necesidades concretas de la célula. Se ha
observado que algunos ARNm son sintetizados y almacenados en un estado inactivo
o latente en el citoplasma, preparados para dar una respuesta rápida en la
síntesis proteica.
Los ARNm eucarióticos tienen la particularidad de que poseen rasgos
estructurales únicos que no están presentes ni en el ARNr ni en el ARNt; éstos
rasgos van a ser muy importantes para el adecuado funcionamiento del ARNm.
Estructura
El ARN, es muy similar químicamente al ADN así como uno de los
componentes más estables. Existen algunos ARN, como es el caso del ARN
mensajero, que se sintetizan, emplean, y degradan, mientras que otros, como el
ARN ribosómico, no presentan un recambio rápido.
Se trata de un polímero lineal no ramificado en el que las unidades
monoméricas son los ribonucleósidos 5´-monofosfatos. A excepción de una base,
el uracilo que reemplaza a la timina, el ARN presenta las mismas bases que el
ADN, en concreto, las purinas del ARN son adenina y guanina; las pirimidinas
son citosina y uracilo además de otras bases en concentraciones bajas (ver
figura).
Aunque el ARN (como el ADN) es una larga macromolécula de ácido
nucleico, tiene propiedades muy diferentes. En primer lugar, el ARN es casi
siempre de cadena sencilla, no una hélice doble. En segundo lugar, el ARN
contiene en sus nucleótidos el azúcar ribosa (de ahí su nombre), en lugar de
desoxirribosa. En tercer lugar, el ARN contiene la base pirimidínica uracilo
(abreviada como U) en lugar de timina. No obstante, el uracilo forma puentes de
hidrógeno con la adenina, exactamente como la timina.
Nadie sabe con seguridad por qué el ARN contiene uracilo en vez de
timina, o ribosa en lugar de desoxirribosa. La característica más destacable del
ARN es su naturaleza de cadena sencilla pero, por lo demás, su estructura es
muy similar a la del ADN.
Estructura Primaria del ARN
Al igual que el ADN, se refiere a la secuencia de las bases
nitrogenadas que constituyen sus nucleótidos. El RNA es una cadena nucleotídica
formada por enlaces fosfodiester 5’->3’ . Esto es,
algo idéntico a lo que se tenía en el ARN. La diferencia fundamental, a
parte de la existencia de uridina en lugar de timidina, es la existencia de
ribosa, en lugar de 2’- deoxyribosa. La existencia de un grupo OH en 2’ abre una posibilidad nueva.
Esto es, porque no es el enlace fosfodiester 5’->2’ , en lugar de 5’->3’ ?. La primera respuesta que se
nos puede ocurrir es que el enlace fosfodiester es más estable en 3’ que no en 2’ .
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