Ácidos Nucleicos
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www.clasesalacarta.com 1 Tema 6.- Los Ácidos Nucleicos Importancia de los Ácidos Nucleicos Contienen las instrucciones para controlar todos los procesos vitales. Contienen la información genética de cada individuo. Dirigen y controlan la síntesis de proteínas. Existen dos tipos: ADN o Ácido Desoxirribonucleico ARN o Ácido Ribonucleico Componentes Los ácidos nucleicos son macromoléculas de carácter ácido. Químicamente son polímeros constituidos por la unión mediante enlaces químicos de unidades menores llamadas nucleótidos. Los nucleótidos están formados por: una base nitrogenada, un azúcar y ácido fosfórico, unidos en el siguiente orden: P A BN. Los nucleósidos son la unión de la pentosa y la base nitrogenada, sin el fosfato. Nucleótido Nucleósido O O C C CH3 = C O HO – P – O – CH2 NH CH O N C C NH CH O = = CH3 CH2OH C O O N OH OH OH OH Pentosa Ribosa ARN CH2OH Ácido Fosfórico Desoxirribosa ADN O O CH2OH OH OH En forma de fosfato OH PO42OH OH H OH Base Nitrogenada Adenina (A) Derivan de la purina 6 NH2 C 7 N N1 = O C C N 5 N CH 4 CH Pirimidínicas Derivan de la pirimidina Citosina (C) NH2 C 4 N3 5 N 1 C NH Timina (T) Uracilo (U) ADN ARN C CH O NH N O O CH N 6 2 NH2 = 3 NH N 9 N C C C NH N C HN CH 8 2 Guanina (G) NH CH3 C C NH CH C O = Púricas NH CH C O CH NH á á 2 Biología _ 2º Bachillerato Las bases nitrogenadas son sustancias derivadas de la purina y la pirimidina. Las que derivan de la purina son las bases púricas (Adenina y Guanina). Las que derivan de la pirimidina se llaman pirimidínicas (Citosina, Timina y Uracilo). En algunos casos, pueden encontrarse en los ácidos nucleicos otras bases diferentes de estas cinco, por lo general derivados metilados de ellas. El azúcar que interviene en los nucleótidos puede ser o la ribosa o la desoxirribosa. Ambos son aldopentosas, se encuentran en los nucleótidos en su forma ciclada -furanosa. La única diferencia entre ambas aldosas reside en que en el C-2 de la desoxirribosa hay un hidrógeno (H) en lugar del grupo alcohol (OH). En los nucleósidos el azúcar y la base nitrogenada se unen entre sí. El enlace se forma entre el carbono anomérico del azúcar (C-1) y uno de los nitrógenos de la base nitrogenada, N-9 en las púricas y N-1 en las pirimidínicas, este enlace es el llamando N-glucosídico Los nucleótidos son los monómeros que constituyen los ácidos nucleicos. Se forman al unirse un Nucleósido con ácido fosfórico, mediante un enlace fosfoéster entre un -OH del ácido fosfórico y el –OH del C-5 del azúcar, con formación de una molécula de agua. Según el azúcar sea la ribosa o la desoxirribosa, tendremos ribonucleótidos o desoxirribonucleótidos. La T nunca forma parte de los ribonucleótidos y el U no forma parte de los desoxirribonucleótidos. Nucleótidos o Derivados de Nucleótidos con Interés Biológico Nucleótidos que intervienen en las transf erencias de energía Son moléculas que captan o desprenden energía al transformarse unas en otras. Por ejemplo, el ATP desprende energía cuando se hidroliza, transformándose en ADP y fosfato inorgánico (Pi). Por el contrario, el ADP almacena energía cuando reacciona con el fosfato inorgánico y se transforma en ATP y agua ATP + H2O ADP + Pi ∆Hº= -7 kcal/mol Exergónica ADP + Pi ATP + H 2O ∆Hº= +7 kcal/mol Endergónica AMP: adenosina-5'-monofosfato GDP: guanosidina-5'-difosfato ADP: adenosina-5'-difosfato GTP: guanosidina-5'-trifosfato ATP: adenosina-5'-trifosfato Nucleótidos que intervienen en los procesos de óxido-reducción Captan electrones de moléculas a las que oxidan y los ceden a otras moléculas a las que a su vez reducen. Así, se transportan electrones de aquellas reacciones en las que se desprende a aquellas en las que se necesitan. NAD+ Oxidado + 2e- NADP+ + e- NADPH Oxidado Reducido Nicotinamida-adeninadinucleótido-fosfato NADH Reducido Nicotinamida-adenina-dinucleótido FAD + 2e- FADH2 Oxidado Reducido Flavin-adenida-dinucleótido Nucleótidos reguladores de procesos metabólicos NH2 C N C CH C N CH N N O O = P – O– O CH2 O OH Algunos nucleótidos cumplen funciones especiales como reguladores de procesos metabólicos, por ejemplo el AMPc (adenosina-3',5'monofosfato) o AMP cíclico, en el que dos OH del fosfato esterifican los OH en posiciones 3 y 5 de la ribosa formando un ciclo. Este compuesto químico actúa en las células como intermediario de muchas hormonas. www.clasesalacarta.com 3 Tema 6.- Los Ácidos Nucleicos Polinucleótidos = O En toda cadena de polinucleótidos el nucleótido de uno de los extremos tendrá libre el -OH del azúcar en posición 3, éste será el extremo 3' de la cadena. El ácido fosfórico del nucleótido que se encuentre en el extremo opuesto también estará libre, éste será el extremo 5'. Esto marca una direccionalidad en la cadena de polinucleótidos: Sentido: 5’ 3’ Sentido: 3’ 5’ HO – P = O CH C O O CH2 O N O OH NH O CH3 C C HO – P = O CH C O O CH2 O OH DN A C NH = Dos nucleótidos se unen entre sí mediante un enlace fosfoéster: entre un -OH del ácido fosfórico de un nucleótido y el -OH del C-3 del azúcar del otro nucleótido con formación de una molécula de H2O; formándose un dinucleótido. La unión de otros nucleótidos dará lugar a un polinucleótido CH3 C OH N OH Químicamente son polinucleótidos constituidos por d-AMP, d-GMP, d-CMP y d-TMP. Los nucleótidos del ADN no tienen ni uracilo, ni ribosa. Los ADN celulares tienen una elevada masa molecular (del orden de 106 Da), por ejemplo, el genoma humano está formado por 3·109 pares de nucleótidos. Esto hace que sean moléculas de una gran longitud, por ejemplo, 2,36 m si sumamos todo el ADN de todos los cromosomas de una célula humana. El ADN fue aislado por primera vez en 1869, pero hasta 1950 no se empezó a conocer su estructura. Se encuentra en el núcleo de las células eucariotas asociado a proteínas (histonas y otras) formando la cromatina, sustancia que constituye los cromosomas y a partir de la cual se transcribe la información genética. También hay ADN en ciertos orgánulos celulares (cloroplastos y mitocondrias) Estructura Se pueden distinguir 3 niveles estructurales: Estructura primaria: secuencia de los nucleótidos. Estructura secundaria: doble hélice. Estructura terciaria: collar de perlas, estructura cristalina, ADN superenrollado En las células eucariotas, a partir de la estructura terciaria, se dan otros niveles de empaquetamiento de orden superior. Estructura Primaria Es la secuencia de nucleótidos de una cadena o hebra. Es decir, viene determinada por el orden de los nucleótidos en la hebra o cadena de la molécula. Para indicar la secuencia de una cadena de ADN es suficiente con los nombres de las bases en su orden correcto y los extremos 5' y 3' de la cadena nucleotídica. 5'–P-TCGTCAGCTAATCGG–OH–3’ La posibilidad de combinar cuatro nucleótidos diferentes y la gran longitud que pueden tener las cadenas polinucleotídicas, hacen que pueda haber un elevado número de polinucleótidos posibles, lo que determina que el ADN pueda contener el mensaje biológico o información genética y explica la diversidad del mensaje genético de todos los seres vivos. Estructura Secundaria En 1949, el bioquímico Erwin Chargaff analizó el contenido molar de las bases de DNA procedente de diversos organismos y estableció la ley de Chargaff: [A] = [T] O lo que es lo mismo: [A+G] = [T+C] : [purinas] = [pirimidinas] [G] = [C] á á 4 Biología _ 2º Bachillerato La concentración de bases varía de una especie a otra. Dentro de una misma especie, el porcentaje de A, G, C y T es el mismo para todos los individuos a pesar de ser distinto el mensaje genético. Tejidos diferentes de la misma especie tienen distinta composición en bases. Sin embargo, la composición en bases del ADN de una misma especie no varía con la edad del organismo ni con su estado nutricional ni con las variaciones ambientales. Las densidades y viscosidades corresponden a la existencia de puentes de hidrógeno entre los grupos NH y los grupos CO de las bases nitrogenadas. La Adenina y la Timina establecen 2 puentes de hidrógeno, mientras que la Citosina establece 3 puentes de hidrógeno con la Guanina H H H H H A primeros de los años 50 Maurice Wilkins y Rosalind Franklin realizaron los primeros estudios físicos con el DNA mediante la técnica de difracción de rayos X y concluyeron que: I. II. III. La molécula de DNA es una cadena extendida con una estructura altamente ordenada La molécula de DNA es helicoidal y tiene un diámetro de 20 Å Las bases de los nucleótidos están apiladas con los planos separados por una distancia de 3,4 Å. Watson y Crick postularon en 1953 un modelo tridimensional para la estructura del ADN que estaba de acuerdo con todos los datos disponibles anteriores: el modelo de la doble hélice, que además de explicar cómo era el ADN, sugería los mecanismos que explicaban su función biológica y la forma como se replicaba: 3’ OH 5’ 1) El ADN está formado por dos cadenas o hebras de polinucleótidos enrolladas helicoidalmente en sentido dextrógiro sobre un mismo eje formando una doble hélice 2) Ambas cadenas son antiparalelas, una va en sentido 3'5' y la otra en sentido inverso, 5'3' 3) Los grupos fosfato están dirigidos hacia el exterior, interaccionando sus cargas negativas con los cationes presentes en el nucleoplasma dando más estabilidad a la molécula 4) Las bases nitrogenadas están dirigidas hacia el interior de la hélice con sus planos paralelos entre sí y las bases de cada una de las hélices estarían apareadas con las de la otra asociándose mediante puentes de hidrógeno. 5) El apareamiento se realiza únicamente entre la A y la T, por una parte, y la G y la C, por la otra. El par A-G no puede formarse por ser ambas bases demasiado grandes, y el par C-T por estar a demasiada distancia. Es decir, la estructura primaria de una cadena está determinada por la de la otra, ambas cadenas son complementarias. 6) La complementariedad de las cadenas sugiere el mecanismo por el cual el ADN se replica (copia) para ser trasferido a las células hijas. Ambas cadenas se pueden separar parcialmente y servir de molde para la síntesis de una nueva cadena complementaria (síntesis semiconservativa), es decir, en cada célula hija habrá una hebra de síntesis nueva y una hebra procedente de la célula progenitora 5’ OH 3’ www.clasesalacarta.com 5 Tema 6.- Los Ácidos Nucleicos % Desnaturalización % Desnaturalización Si una disolución de ADN se calienta suficientemente ambas cadenas se separan, al romperse los puentes de hidrógeno que unen las bases nitrogenadas, el ADN sufre una desnaturalización. La temperatura de desnaturalización depende de la proporción de bases. Cuanto mayor sea la proporción de CG, mayor temperatura de desnaturalización, ya que habrá que romper mayor número de puentes de hidrógeno. La desnaturalización se produce también variando el pH o a concentraciones salinas elevadas. Si se restablecen las condiciones, el ADN se renaturaliza y ambas cadenas se unen de nuevo. 100 70 ºC 110 ºC Estructura Terciaria Las grandes moléculas de ADN de las células eucariotas están muy empaquetadas ocupando así menos espacio en el núcleo celular y además como mecanismo para preservar su transcripción. En las células eucariotas el ADN se encuentra en el núcleo asociado a ciertas proteínas: nucleoproteínas, formando la cromatina. En la cromatina, la doble hélice de ADN se enrolla alrededor de unas moléculas proteicas globulares, las histonas, formando los nucleosomas. Un nucleosoma está asociado a 200 pb y está formado por una núcleo o core y un ligador o linker. El núcleo está formado por un octámero de histonas (2 HA, 2 HB, 2 H3 y 2 H4). H3 H3 H4 H2A H2A H4 H2B H2B Alrededor del núcleo se enrolla el ADN (140 pb) dando casi dos vueltas (una vuelta y tres cuartos). El resto del ADN (60 pb) forma parte del linker y está interaccionando con la histona H1. La cantidad de ADN asociado con un nucleosoma varia de una especie a otra, de 154 pb a 241 pb, esta variación se debe fundamentalmente a la cantidad de ADN asociada al linker. Las fibras de ADN dúplex desnudo tienen un grosor de 20 Å. La asociación del ADN con las histonas genera los nucleosomas que muestran unos 100 Å de diámetro, a su vez los nucleosomas se pueden enrollar helicoidalmente para formar un solenoide, que constituye las fibras de cromatina de los núcleos intefásicos con un diámetro aproximado de 300 Å. Los solenoides pueden volverse a enrollar para dar lugar a supersolenoides con un diámetro de 4.000 Å a 6.000 Å que constituirían las fibras de los cromosomas metafásicos. Hebra Collar de Perlas Fibra Cromatínica Bucles Bucles en espiral Cromosoma á á 6 Biología _ 2º Bachillerato Niveles Superiores de Empaquetamiento Cada fibra se vuelve a enrollar formando un bucle, cada bucle tiene 50 millones de pares de bases, 6 bucles se empaquetan asociándose a un esqueleto nuclear produciéndose un rosetón, 30 rosetones forman una espiral y 20 espirales forman una cromátida. Todo ello produce un gran acortamiento de las largas cadenas de ADN. En los espermatozoides el ADN se encuentra aún mucho más empaquetado, se dice que tiene estructura cristalina. Los ADN de las bacterias, virus, mitocondrias y cloroplastos no presentan estructuras tan complejas y no están asociados a histonas, aunque sí están asociados a otras proteínas. Tipos de ADN Según su estructura se distinguen los siguientes tipos de ADN: Monocatenarios: de una hebra o cadena, en algunos virus. Bicatenarios: con dos hebras o cadenas, en algunos virus, en bacterias y en eucariotas A su vez, y en ambos casos, el ADN puede ser: Lineal: en el núcleo eucariota y en algunos virus Circular: en mitocondrias, cloroplastos, bacterias y algunos virus ARN Es un polirribonucleótido que, a diferencia del ADN, no contiene ni desoxirribosa ni T, pero sí ribosa y U. El ARN no forma dobles cadenas, salvo en ciertos virus, aunque su estructura espacial puede llegar a ser muy compleja Tipos de ARN En la célula eucariota aparecen cuatro tipos de ARN, con distintas funciones, que son el ARN mensajero, el ARN ribosómico, el ARN transferente y el ARN heteronuclear. ARN heteronuclear o heterogéneo nuclear (ARNhn) Agrupa a todos los tipos de ARN que acaban de ser transcritos (pre-ARN). Son moléculas de diversos tamaños. Se encuentra en el núcleo de las células eucariotas. En células procariotas no aparece. Su función consiste en ser el precursor de los distintos tipos de ARN. ARN mensajero (ARNm) ARN lineal, que contiene la información, copiada del ADN, para sintetizar una proteína. Se forma en el núcleo celular, a partir de una secuencia de ADN. Sale del núcleo y se asocia a ribosomas, donde se construye la proteína. A cada tres nucleótidos (codon) corresponde un aminoácido distinto. Así, la secuencia de aminoácidos de la proteína está configurada a partir de la secuencia de los nucleótidos del ARNm La duración de los ARNm en el citoplasma celular es de escasos minutos siendo degradados rápidamente por enzimas específicas. ARN transferente (ARNt) Es un ARN no lineal. En él se pueden observar tramos de doble hélice intracatenaria, es decir, entre las bases que son complementarias, dentro de la misma cadena. Esta estructura se estabiliza por puentes de hidrógeno. Está formado por entre 70 y 90 nucleótidos y constituye el 15 % del total del ARN de la célula. Se sintetiza en el núcleo y sale hacia el citoplasma para realizar su función. En el ARNt podemos distinguir: www.clasesalacarta.com 7 Tema 6.- Los Ácidos Nucleicos Un brazo aceptor de aminoácidos abierto en el extremo 3’ de la cadena Un bucle anticodon, es una secuencia de 3 nucleótidos complementaria al codon del ARNm Además de los nucleótidos de A, G, C y U, el ARNt tiene otros nucleótidos con bases modificada, éstos no pueden emparejarse, y su existencia genera puntos de apertura en la hélice, produciendo bucles. La función del ARNt consiste en llevar un aminoácido específico al ribosoma. En él se une a la secuencia complementaria del ARNm, mediante el anticodon. A la vez, transfiere el aminoácido correspondiente a la secuencia de aminoácidos que está formándose en el ribosoma. Aminoácido Unión Éster Apareamiento Intramolecular Anticodón 5’ Codón 3’ ARN ribosómico (ARNr) Está unido a proteínas de carácter básico, forma los ribosomas. Los ribosomas son las estructuras celulares donde se ensamblan los aminoácidos para formar proteínas, a partir de la información que transmite el ARNm desde el núcleo. Hay dos tipos de ribosomas, el que se encuentra en células procariotas y en el interior de mitocondrias y cloroplastos, y el que se encuentra en el hialoplasma o en el retículo endoplasmático rugoso de células eucariotas.
