ESTRUCTURA DE LOS ACIDOS NUCLEICOS

Los ácidos nucleicos son moléculas polianiónicas de alto peso molecular compuestos por una secuencia específica de sub-unidades o monómeros llamados NUCLEÓTIDOS que son los bloques de construcción de éstos; a la totalidad de la molécula se denomina POLINUCLEÓTIDO.

Los ácidos nucleicos son macromoléculas complejas de suma importancia biológica, ya que todos los organismos vivos los contienen. Se les denomina así porque fueron aislados por primera vez del núcleo de células vivas. No obstante, ciertos ácidos nucleicos no se encuentran en el núcleo de la célula, sino en el citoplasma celular. Sin duda alguna, los ácidos nucleicos son las sustancias fundamentales de los seres vivos, y se cree que aparecieron hace unos 3,000 millones de años, cuando surgieron en la Tierra las formas de vida más elementales. Los investigadores han aceptado que el origen del código genético que portan estas moléculas es muy cercano al tiempo del origen de vida en la Tierra. Por ello, es que gracias al arduo trabajo realizado por los científicos, han conseguido descifrarlo; es decir, determinar la forma en que la secuencia de los ácidos nucleicos dicta la estructura de las proteínas. Determinando así que, tanto la molécula de ARN como la de ADN tienen una estructura de forma helicoidal, y que la secuencia de estas moléculas a lo largo de la cadena determina el código de cada ácido nucleico particular. A su vez, este código indica a la célula cómo reproducir un duplicado de sí misma o las proteínas que necesita para su supervivencia.

Por tanto, se han identificado al menos dos funciones fundamentales de los ácidos nucleicos: transmitir las características hereditarias de una generación a la siguiente y dirigir la síntesis de proteínas específicas.

Los ácidos nucleicos se dividen en dos categorías principales: el ácido desoxirribonucleico o ADN y el ácido ribonucleico o ARN. El ADN se encuentra primariamente en los cromosomas del núcleo celular, en tanto que el 90% del ARN está presente en el citoplasma celular y el 10% restante en el nucleolo.

Los ácidos nucleicos consisten en residuos de nucleótidos polimerizados. Los NUCLEOTIDOS están formados por un azúcar, una base débil (nitrogenada) y al menos un grupo fosforilo. Si a esta estructura se le quita el grupo fosforilo (PO4

-) se llama NUCLEÓSIDO. Por ejemplo el ATP y el AMP son nucleótidos, mientras que la forma no fosforilada: la ADENOSINA es un nucleósido. Como la adenina en el ATP, las otras bases que se encuentran en los nucleótidos también están compuestas de anillos heterocíclicos que contienen nitrógeno. Hay dos clases generales de nucleótidos: los RIBONUCLEÓTIDOS, en los cuales el azúcar es la ribosa, y los DESOXIRRIBONUCLEÓTIDOS, en los que el azúcar es la 2 – desoxirribosa.

Hay dos clases de bases nitrogenadas presentes en ambos ácidos nucleicos: las Pirimidinas y las Purinas.

PIRIMIDINAS.- Contienen PIRIMIDINA que es un compuesto heterocíclico que contiene 4 átomos de carbono y 2 de nitrógeno. Dentro de las pirimidinas se encuentran Citosina (C), Timina (T) y Uracilo (U).

PIRIMIDINA

CITOSINA (C) TIMINA (T)

URACILO (U)

PURINAS.- Contienen PURINA que es una estructura bicíclica que tiene una pirimidina fusionada a un anillo de imidazol. Dentro de las purinas tenemos la Adenina (A) y la Guanina (G).

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H3C

PURINA

ADENINA (A) GUANINA (G)

Las purinas adenina y guanina se encuentran en ambos ácidos nucleicos (polinucleótidos); sin embargo, el ARN se diferencia del ADN por su contenido de la pirimidina Uracilo en lugar de la Timina presente en el ADN. La citosina se halla en ambos ácidos nucleicos. Cuando las purinas son metabolizadas se produce ácido úrico que si cristaliza en las articulaciones se produce la “gota”.

Las bases adenina y uracilo juegan un papel central en el metabolismo de la energía de todas las formas de vida. Las purinas son liberadas desde las neuronas y otras células y producen amplios efectos en múltiples sistemas de órganos por adherencia a los receptores purinérgicos en la superficie de las células. El ATP es el segundo mensajero de una neurotransmisión clásica, siendo a su vez empaquetado en gránulos secretores de la neurona y liberado en respuesta a potenciales de acción. Además, el ATP se libera desde fuentes no neuronales incluyendo plaquetas, mastocitos, células endoteliales y sobre todo desde una célula dañada.

Berne en 1963 identificó un papel fisiológico de la adenosina como un mediador de la vasodilatación coronaria en respuesta a "hipoxia de miocardio". En 1970, Sattin y Rall y Shimizu y Col. comentaron que la adenosina estimula la formación de AMP cíclico en el cerebro y propusieron que estos efectos son mediados por receptores en la superficie de la célula. A raíz de esto, Burnstock propuso que las purinas pueden actuar como neurotransmisores.

NUCLEÓSIDOS.- Resultan de la supresión del grupo fosforilo del nucleótido. Las bases purínicas y pirimídicas están unidas a la pentosa mediante enlaces N – glicosídicos de los que forma parte el C1 del azúcar. En estas uniones glicosídicas se elimina una molécula de agua entre el H del N-9 de las purinas, o el N-1 de las pirimidinas y el OH del C1 de la pentosa. Los compuestos resultantes o glucósidos, se denominan

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NUCLEÓSIDOS. En éstos, los átomos de la base se designan con números cardinales, mientras que los átomos de C de los azúcares se indican con el número y el signo (’). Los nucleósidos se nombran generalmente por la purina o pirimidina presente:

Nucleósido de Adenina: ADENOSINA Nucleósido de Guanina: GUANOSINA Nucleósido de Uracilo: URIDINA Nucleósido de Timina: TIMIDINA Nucleósido de Citosina: CITIDINA

Cada uno de estos términos está asociado al azúcar Ribosa. Para los correspondientes desoxirribósidos se añade el prefijo “DESOXI”, por ejemplo: Desoxiadenosina, Desoxicitidina, etc.

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GUANOSINA URIDINA

CITIDINA

H3C

TIMIDINA

DESOXIRRIBÓSIDOS

 

Figura 1. Estructura de la ribosa y desoxirribosa.

 

Figura 2. Bases nitrogenadas: Purínicas: adenina, guanina. Pirimidínicas: timina, citosina y uracilo. Formulas estructurales y representación esquemática.

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DESOXIADENOSINA DESOXICITIDINA

 Figura 3. Estructura base. Nucleótidos de ácido ribonucleico y desoxirribonucleico

 

Figura 4. Segmento de un polinucleótido, indicándose el enlace fosfodiéster.

NUCLEÓTIDOS.- Los Nucleósidos se encuentran en la naturaleza principalmente como ésteres de 5’ – fosfato denominados NUCLEÓTIDOS. Estos se hallan libres o como subunidades de los ácidos nucleicos. Los nucleótidos se designan del siguiente modo:

Nucleótido de Adenina o ÁCIDO ADENÍLICO: Monofosfato de Adenosina o monofosfoadenosina (AMP)

Nucleótido de Guanina o ÁCIDO GUANÍLICO: Monofosfato de Guanosina o monofosfoguanosina (GMP)

Nucleótido de Uracilo o ÁCIDO URIDÍLICO: Monofosfato de Uridina o monofosfouridina (UMP)

Nucleótido de Citosina o ÁCIDO CITIDÍLICO: Monofosfato de Citidina o monofosfocitidina (CMP)

Nucleótido de Timina o ÁCIDO TIMIDÍLICO: Monofosfato de Timidina o monofosfotimidina (TMP)

Todos estos ejemplos son RIBÓTIDOS, cuando el azúcar es desoxirribosa se debe agregar el prefijo “desoxi” al nombre; por ejemplo: Monofosfato de desoxiguanosina o dGMP.

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MONOFOSFATO DE DESOXIGUANOSINA

Si bien para la constitución del ADN se unifica un solo grupo fosfato, existen en las células una serie de nucleótidos de singular importancia en el metabolismo celular. Estos producen enlaces muy ricos de energía y los di- y tri- nucleótidos como el adenosin trifosfato (ATP) son los encargados de muchos procesos metabólicos.

Para la síntesis de nucleósidos difosforilados y trifosforilados, se añaden unidades adicionales de ácido fosfórico a los nucleósidos monofosforilados; por ejemplo el ATP y UTP.

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TRIFOSFATO DE URIDINA o TRIFOSFOURIDINA (UTP)

A estos compuestos también se les llama 5´- nucleósidos fosforilados. El nucleótido cíclico o diéster fosfórico 3´5´-cíclico de los nucleósidos se representa mediante el AMP Cíclico.

AMP Cíclico

ADN – Estructura del material genético y su replicación

El ADN fue descubierto por el químico suizo Friedrick Miescher en 1868. Sin embargo, esta macromolécula no logró identificarse químicamente hasta muchos años más tarde, en la década del 50. Hoy sabemos que el ADN está formado por la unión de muchos desoxirribonucleótidos, cuya secuencia actúa como un alfabeto molecular almacenando toda la información genética del individuo.

En 1944, Avery, McLeod y McCarty demostraron que el ADN era la molécula portadora de la información genética. En 1953, James Watson y Francis Crick propusieron un modelo para la estructura tridimensional de la molécula del ADN conocido como ADN-B. Este modelo se basó en patrones de difracción de rayos X que Rosalind Franklin y Maurice Wilkins habían obtenido de fibras de ADN, en equivalencias químicas, en la construcción de un modelo y en la intuición. En su modelo, sugirieron que el ADN era de doble cadena y que A y G de una cadena se aparean con T y C respectivamente de la otra cadena.

La investigación con respecto a la estructura del ADN continuó, gracias al trabajo de numerosos investigadores, entre los que destaca Richard Dickerson, quien demostró que el ADN es una molécula dinámica, que puede adoptar diversas formas. Así, se reconoció la existencia de otras dos ordenaciones tridimensionales, conocidas como ADN-A y ADN-Z las cuales tienen algunas diferencias con el ADN-B son más anchas y la forma Z más

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angosta que la B. Finalmente el ADN-Z se enrolla hacia la izquierda, mientras que las formas A y B lo hacen hacia la derecha.

Por lo común su estructura tridimensional posee giro hacia la derecha (ß-ADN, dextrógiro) que es la forma más estable y ocasionalmente posee giro ha la izquierda (z-ADN, levógiro). Acorde a las evidencias, sólo una pequeña parte del ADN constituye genes (menos del 10 %).

En las células eucarióticas, el ADN está reunido en unidades denominadas CROMOSOMAS, que se localizan en el núcleo celular, la secuencia de las bases nitrogenadas en los cromosomas constituye el código genético. En el proceso de desarrollo embrionario, las células se dividen y el ADN en sí se duplica en forma precisa con cada división. La Replicación del ADN puede entenderse en términos moleculares que involucran un modelo de ADN de Watson y Crick y el principio de COMPLEMENTARIEDAD DE BASES o aparejamiento (apareamiento) de las bases (A-T y G-C).

Figura 1. Representación esquemática de la doble cadena de ADN.Las dos cadenas de ADN están en disposición antiparalela, es decir que van en direcciones opuestas y de esta manera se pueden mantener las hebras juntas. (Figura 1)

El 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.

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El enrollamiento es helicoidal, como una escalera caracol, con la misma anchura para la escalera y una barandilla de conexión a cada lado. Este esqueleto lateral está formado por los enlaces entre S-P, que se repiten continuamente, y se unen por las bases purínicas y pirimídicas constituyendo los escalones de esta escalera imaginaria. Cada escalón es una pareja de bases denominado par de bases complementarias.

DESNATURALIZACION DEL ADN

La desnaturalización del ADN implica la ruptura de las fuerzas estabilizadoras y el desenrollamiento y separación de los componentes de la hélice para dar dos cadenas flexibles de polinucleótidos. Las condiciones y reactivos que favorecen la desnaturalización del ADN son: valores de pH bajos y elevados, bajas fuerzas iónicas, formamida, urea y temperaturas elevadas.

Si el ADN completamente desnaturalizado por acción del calor, se enfría lentamente a temperatura ambiente, se restablece con frecuencia su estructura original; este proceso de renaturalización, llamado también “Templado”, se produce debido a que las cadenas complementarias se encuentran gradualmente entre sí; los pares de bases se unen nuevamente por puentes H y se vuelven a formar las dobles hélices. Si por el contrario, la mezcla de ADN desnaturalizado se enfría rápidamente, la renaturalización o templado puede no ocurrir y las cadenas permanecer separadas. La desnaturalización sólo ocurre in vitro.

FACTORES QUE INFLUYEN EN LA ESTABILIDAD DEL ADN.-

Son cuatro los factores que influyen en la estabilidad del ADN de doble cadena:

1. EFECTOS HIDROFÓBICOS.- Ejercidos por los anillos hidrofóbicos de la purina y la pirimidina en el interior de la doble hélice.

2. INTERACCIONES DEL APILAMIENTO.- Los pares de bases apiladas forman contactos (fuerzas) de Van Der Waals, que al ser numerosos proporcionan estabilidad a la molécula.

3. PUENTES DE HIDRÓGENO.- Constituyen una fuerza estabilizadora significativa.4. INTERACCIONES ELECTROSTÁTICAS.- Estas interacciones se producen entre

los grupos fosfodiéster y los cationes (en especial Mg++)

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ARN – ESTRUCTURA – CLASES – FUNCIONES

Al igual que el ADN, el ácido ribonucleico está formado por cadenas de polinucleótidos que se mantienen unidos mediante enlaces 3´-5´fosfodiéster. A diferencia del ADN, el ARN es de una sola cadena, que se dobla hacia atrás, sobre sí mismo, a excepción del ARN bicatenario de los reovirus.

ESTRUCTURA.- El ARN, por lo general es sintetizado como un polirribonucleótido de una sola cadena, con una extensa estructura secundaria; una de estas estructuras es una horquilla, o un lazo ramificado, que se forma cuando regiones cortas de secuencias complementarias forman pares de bases. Estas estructuras son importantes en la “transcripción” y son características comunes en el ARN de transferencia y en el ARN ribosómico. La transcripción es el proceso mediante el cual la información almacenada en el ADN es transferida al ARN, quedando disponible para la síntesis de proteínas.

El ARN también es una macromolécula de ácido nucleico como el ADN pero tiene propiedades bastante diferentes. En primer lugar, el ADN es una hélice doble, sin embargo el ARN casi siempre está formado por una única cadena. En segundo lugar, el ADN contiene en sus nucleótidos el azúcar desoxirribosa (de ahí su nombre), el ARN contiene ribosa. En tercer lugar, el ADN tiene cuatro bases: guanina (G), adenina (A), citosina (C) y timina (T). El ARN tiene G, A y C, pero la timina (T) se sustituye por el uracilo (U).

Las alrededor de treinta mil proteínas diferentes en el cuerpo humano están hechas de veinte aminoácidos diferentes, y una molécula de ADN debe especificar la secuencia en que se unan dichos aminoácidos.

CLASES Y FUNCIONES.- En las células vivientes hay, al menos, 3 clases fundamentales de ácido ribonucleico:

1. ARN ribosómico (ARNr).- Llamado también ARN ribosomal, constituye alrededor del 75 al 80% del ARN celular en total, desempeña función estructural y funcional de los ribosomas. Los ribosomas, formados por proteínas y ARN ribosomal, participan activamente en la lectura de la molécula de ARN mensajero para sintetizar las proteínas contenidas en la secuencia de codones del ARN mensajero. Es el ARN más abundante en las células.

2. ARN de transferencia (ARNt).- Constituye del 10 al 15% del total de ARN, son moléculas relativamente pequeñas que intervienen en la síntesis de proteínas, complementando la función del ARN mensajero, llevan aminoácidos activados a los ribosomas para su incorporación dentro de las cadenas de péptidos en crecimiento durante la síntesis de proteínas. Las moléculas de ARNt tienen una longitud de 73 a 95 residuos de nucleótidos dispuestos en forma de trébol. Cada ARN tiene una secuencia de tres nucleóditos llamada anticodón. La cual resulta clave para la síntesis de proteínas.

3. ARN mensajero (ARNm).- Constituye del 5 al 10% del total de ARN; éste provee la información genética necesaria para la adecuada unión de los aminoácidos que participan en la síntesis de proteínas. Las moléculas de ARNm son productos lineales de transcripción de ADN que codifican la secuencia de los aminoácidos en las proteínas; es decir, actúa como vehículo de transporte de información genética entre el ADN y las proteínas.Las moléculas de ARNm sirven como “mensajeros” que llevan la información del ADN a los ribosomas; allí, las moléculas de ARNm dirigen el orden de transferencia de residuos de aminoácidos dentro de las cadenas peptídicas en crecimiento que se están

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sintetizando. Estas moléculas de ARNm son las menos estables de los ácidos ribonucleicos celulares.

Diferencias en la composición de ADN y ARN:

Tipo de componente A D N A R N

Acido Ac. Fosfórico Ac. Fosfórico

Azúcar D-2-desoxirribosa D-ribosa

BasesPurinas Adenina Adenina

Guanina Guanina------------------------------------------------------------------------Pirimidinas Citosina Citosina

Timina Uracilo

Enzimas que hidrolizan los enlaces fosfodiéster de los ácidos nucleicos:

Las enzimas que catalizan la hidrólisis de los fosfodiésteres de los ácidos nucleicos se conocen en conjunto como NUCLEASAS. Existe una diversidad de nucleasas diferentes en todas las células; algunas de ellas intervienen en la síntesis y en la reparación del ADN y otras son necesarias para la producción y la degradación del ARN celular.

Dentro de las nucleasas tenemos las RIBONUCLEASAS (Rnasas o ARNasas) y las DESOXIRRIBONUCLEASAS (Dnasas o ADNasas).

Las nucleasas se pueden clasificar, además, según los puntos de ataque sobre los ácidos nucleicos; así tenemos:

EXONUCLEASAS : que catalizan la hidrólisis de los enlaces fosfodiéster para liberar residuos de nucleótido sólo de un extremo de la cadena polinucleótidica. Dentro de éstas se pueden mencionar la ADN polimerasa, exonucleasas de Escherichia coli, exonucleasas de Bacillus subtilis, exonucleasa de Neurospora crassa.

ENDONUCLEASAS : catalizan la hidrólisis de los enlaces fosfodiéster de varios sitios de las cadenas de polinucleótidos. Dentro de éstas se encuentran la ADNasa I aislada de páncreas bovino, ADNasa II de timo de ternero, ARNasa A de páncreas bovino, entre otras.

Mag. Q.F. Margarita L. Geng Olaechea

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