ÁCIDOS NUCLEICOS
Introducción Todas las células contienen la información necesaria para realizar distintas reacciones químicas mediante las cuales las células crecen, obtienen energía y sintetizan sus componentes. Está información está almacenada en el material genético, el cual puede copiarse con exactitud para transmitir dicha información a las células hijas. Sin embargo estas instrucciones pueden ser modificadas levemente, es por eso que hay variaciones individuales y un individuo no es exactamente igual a otro de su misma especie (distinto color de ojos, piel, etc.). De este modo, podemos decir que el material genético es lo suficientemente maleable como para hacer posible la evolución. La información genética o genoma, está contenida en unas moléculas llamadas ácidos nucleicos. Existen dos tipos de ácidos nucleicos: ADN y ARN. El ADN guarda la información genética en todos los organismos celulares, el ARN es necesario para que se exprese la información contenida en el ADN; en los virus podemos encontrar tanto ADN como ARN conteniendo la información (uno u otro nunca ambos). Composición química y estructura de los ácidos nucleicos Los ácidos nucleicos resultan de la polimerización de monómeros complejos denominados nucleótidos. Un nucleótido está formado por la unión de un grupo fosfato al carbono 5’ de una pentosa. A su vez la pentosa lleva unida al carbono 1’ una base nitrogenada.
Fig. 2.36 - Estructura del nucleotido monofosfato de adenosina (AMP)
Las bases nitrogenadas son moléculas cíclicas y en la composición de dichos anillos participa, además del carbono, el nitrógeno. Estos compuestos pueden estar formados por uno o dos anillos. Aquellas bases formadas por dos anillos se denominan bases púricas (derivadas de la purina). Dentro de este grupo encontramos: Adenina (A), y Guanina (G). Si poseen un solo ciclo, se denominan bases pirimidínicas (derivadas de la pirimidina), como por ejemplo la Timina (T), Citosina (C), Uracilo (U). Estos derivados de la purina y la pirimidina son las bases que se encuentran con mayor frecuencia en los ácidos nucleicos.
Nucleótidos de importancia biológica ATP (adenosin trifosfato): Es el portador primario de energía de la célula. Esta molécula tiene un papel clave para el metabolismo de la energía. La mayoría de las reacciones metabólicas que requieren energía están acopladas a la hidrólisis de ATP.
Fig. 2.39 - ATP (Adenosin trifosfato)
Fig. 2.40 - Estructura del AMPC Este nucleótido posee tres grupos fosfatos unidos entre sí. Estos grupos fosfatos dado el pH celular se encuentran desprotonados, de manera que poseen cargas negativas. Como estas cargas están muy cerca se repelen fuertemente. Para mantenerlos juntos, se establecen uniones de alta energía entre los fosfatos, por lo tanto, cuando la molécula se hidroliza la energía se libera. Del mismo modo para sintetizar una molécula de ATP se requiere energía. AMP cíclico: Es una de las moléculas encargadas de transmitir una señal química que llega a la superficie celular al interior de la célula. segundo mensajero) NAD+ y NADP+: (nicotinamida adenina dinucleótido y nicotinamida adenina dinucleótido fosfato). Son coenzimas que intervienen en las reacciones de oxido-reducción, son moléculas que transportan electrones y protones. Intervienen en procesos como la respiración y la fotosíntesis.
Fig. 2.41 - Estructura del NAD+, La nicotinamida acepta hidrogeniones, proceso denominado reducción FAD+: También es un transportador de electrones y protones. Interviene en la respiración celular. Coenzima A: Es una molécula que transporta grupos acetilos, interviene en la respiración celular, en la síntesis de ácidos grasos y otros procesos metabólicos. Polinucleótidos Existen dos clases de nucleótidos, los ribonucleótidos en cuya composición encontramos la pentosa ribosa y los desoxirribonucleótidos, en donde participa la desoxirribosa. Los nucleótidos pueden unirse entre sí, mediante enlaces covalentes, para formar polímeros, es decir los ácidos nucleicos, el ADN y el ARN.
ADN – Ácido desoxirribonucleico Los ácidos nucleicos fueron aislados por primera vez en 1869, sin embargo no fue hasta mucho después que se conoció su función. A principio de siglo los científicos que querían explicar como se transmitía y se almacenaba la información genética se enfrentaron a un problema, era el ADN o las proteínas de los cromosomas los que portaban la información genética. Se sabía que el ADN constaba de solo cuatro tipo de monómeros, frente a los 20 aminoácidos que se encuentran formando parte de las proteínas, de manera que se pensaba que era demasiado sencillo como para guardar la información, por lo cual se le asignaba una función estructural. La evidencia que ha servido para esclarecer la función del ADN, ha procedido, por un lado, del hecho que la cantidad de ADN de una especie es constante, sin importar la edad, sexo, factores nutricionales o ambientales. Por otra parte, la cantidad de ADN tiene mayoritariamente una relación directa con la complejidad del organismo, así como también se observa que las gametas de los individuos con reproducción sexual poseen solo la mitad del ADN que posee cualquier de sus células somáticas. En 1953 Watson y Crick propusieron el modelo de doble hélice, para esto se valieron de los patrones obtenidos por difracción de rayos X de fibras de ADN, y de los postulados enunciados por Chargaff que estableció que la cantidad de adenina de una molécula de ADN era igual a la cantidad de timina de la misma molécula y que la cantidad de guanina era igual a la cantidad de citosina, es decir que el contenido de purinas era igual al de pirimidinas.
Fig. 2.45 - Pares de bases del ADN: La formación específica de enlaces de hidrógeno entre G y C y entre A y T genera los pares de bases complementarias El modelo de la doble hélice establece que las bases nitrogenadas de las cadenas se enfrentan y establecen entre ellas uniones del tipo puente de hidrógeno. Este enfrentamiento se realiza siempre entre una base púrica con una pirimídica, lo que permite el mantenimiento de la distancia entre las dos hebras. La Adenina se une con la timina formando dos puentes de hidrógeno y la citosina con la guanina a través de tres puentes de hidrógeno. El modelo de Watson y Crick, describe a la molécula del ADN como una doble hélice, enrollada sobre un eje, como si fuera una escalera de caracol y cada diez pares de nucleótidos alcanza para dar un giro completo. Excepto en algunos virus, el ADN siempre forma una cadena doble. Factores que estabilizan la doble hélice Los puentes de hidrógeno entre las bases tienen un papel muy importante para estabilizar la doble hélice, si bien individualmente son débiles hay un número extremadamente grande a lo largo de la cadena.
Las interacciones hidrofóbicas entre las bases también contribuyen con la estructura. Los grupos fosfatos que se encuentran en el exterior de la doble hélice pueden reaccionar con el agua aportando mayor estabilidad.
Fig. 2.46 - Una corta sección de la doble hélice de ADN
Fig. 2.47 - (a) Modelo de la doble hélice de ADN, (b) Representación abreviada de un segmento de ADN
Funciones biológicas El ADN es el portador de la información genética y a través de ella puede controlar, en forma indirecta, todas las funciones celulares. Debemos recordar aquí que las enzimas son proteínas que catalizan todas las funciones biológicas y se sintetizan en las células de acuerdo a la información genética. Vale decir que a la información genética la podemos comparar con un recetario, donde están las recetas de todas las proteínas del organismo. Encontramos ADN en el núcleo de las células animales y vegetales, en los organismos procariontes, en organoides como los cloropastos y mitocondrias, como así también en algunos virus, a los que llamamos ADN - virus. ARN – Ácido ribonucleíco El ácido ribonucleíco se forma por la polimerización de ribonucleótidos. Estos a su vez se forman por la unión de: a) un grupo fosfato. b) ribosa, una aldopentosa cíclica y c) una base nitogenáda unida al carbono 1’ de la ribosa, que puede ser citocina, guanina, adenina y uracilo. Esta última es una base similar a la timina. En general los ribonucleótidos se unen entre sí, formando una cadena simple, excepto en algunos virus, donde se encuentran formando cadenas dobles. La cadena simple de ARN puede plegarse y presentar regiones con bases apareadas, de este modo se forman estructuras secundarias del ARN, que tienen muchas veces importancia funcional, como por ejemplo en los ARNt (ARN de transferencia). Se conocen tres tipos principales de ARN y todos ellos participan de una u otra manera en la síntesis de las proteínas. Ellos son: El ARN mensajero (ARNm), el ARN ribosomal (ARNr) y el ARN de transferencia (ARNt). ARN mensajero (ARNm)
Fig. 2.48 - Esquema de una ARNm bacteriano
Consiste en una molécula lineal de nucleótidos (monocatenaria), cuya secuencia de bases es complementaria a una porción de la secuencia de bases del ADN. El ARNm dicta con exactitud la secuencia de aminoácidos en una cadena polipeptídica en particular. Las instrucciones residen en tripletes de bases a las que llamamos codones. Son los ARN más largos y pueden tener entre 1000 y 10000 nucleótidos En los eucariontes los ARNm derivan de moléculas precursoras de mayor tamaño que se conocen en conjunto como ARN heterogéneo nuclear (hnARN), el cual presenta secuencias internas no presentes en ARN citoplasmáticos. ARN ribosomal (ARNr) Este tipo de ARN una vez transcripto, pasa al nucleolo donde se une a proteínas. De esta manera se forman las subunidades de los ribosomas. Aproximadamente dos terceras partes de los ribosomas corresponde a sus ARNr.
Fig. 2.49 - Diagrama de un ribosoma procarionte ARN de transferencia (ARNt) Este es el más pequeño de todos, tiene aproximadamente 75 nucleótidos en su cadena, además se pliega adquiriendo lo que se conoce con forma de hoja de trébol plegada. El ARNt se encarga de transportar los aminoácidos libres del citoplasma al lugar de síntesis proteica. En su estructura presenta un triplete de bases complementario de un codón determinado, lo que permitirá al ARNt reconocerlo con exactitud y dejar el aminoácido en el sitio correcto. A este triplete lo llamamos anticodón.
Fig. 2.50- Molécula de ARNt ARN pequeño nuclear (ARNpn o snRNA) En eucariontes encontramos un grupo de seis ARN que están en el núcleo, el ARN pequeño nuclear, estos desempeñan cierto papel en la maduración del ARNm. Ribozimas Son ARN que tienen función catalítica, participan activamente en la maduración de los ARNm. Función de los ARN Un gen está compuesto, como hemos visto, por una secuencia lineal de nucleótidos en el ADN, dicha secuencia determina el orden de los aminoácido en las proteínas. Sin embargo el ADN no proporciona directamente de inmediato la información para el ordenamiento de los aminoácidos y su polimerización, sino que lo hace a través de otras moléculas, los ARN. Todo el proceso que se lleva a cabo para la síntesis de proteínas se verá detalladamente en otro capítulo.