Guía Teórica: Ácidos Nucleicos
Anuncio
LICEO COEDUCACIONAL LA IGUALDAD Departamento de Ciencias Biología común Guía Teórica: Ácidos Nucleicos Los ácidos nucleícos son biomoléculas poliméricas formadas por Carbono, Hidrógeno, Nitrógeno, Oxigeno y Fósforo, organizadas en unidades monoméricas llamadas nucleótidos. Los exponentes más conocidos de esta familia de biomoléculas consisten en el DNA (ácido desoxirribonicleico) y el RNA (ácido ribonucleico). El rol que poseen los ácidos nucleícos en la célula está íntimamente relacionado con la información genética. La dinámica de funcionamiento del DNA y del RNA se analizará en mayor profundidad en guías del módulo electivo. Por ahora, comenzaremos este punto describiendo como se organizan las unidades fundamentales de los ácidos nucleícos: los nucleótidos. ▪ Los Nucleótidos Los nucleótidos son los componentes monoméricos de los ácidos nucleícos. Están compuestos de tres componentes estructuralmente diferentes: - Un grupo fosfato (véase en la guía 1) - Una pentosa (ribosa o desoxirribosa) - Una base nitrogenada (Adenina, Timina, Guanina, Uracilo o Citosina). El grupo fosfato se encuentra en todos los nucleótidos, ya sea como monofosfato (un grupo P), difosfato (dos grupos P) o trifosfato (tres grupos P). Cabe señalar que los componentes del DNA y RNA solo son nucleótidos monofosfatados. Los nucleótidos difosfatados y trifosfatados (como el ADP y el ATP) poseen otras funciones en la célula, que serán comentadas en guías posteriores. Prof. Víctor Zárate T. LICEO COEDUCACIONAL LA IGUALDAD Departamento de Ciencias Biología común Fig. 1. Estructura básica de un nucleótido. En el rectángulo superior derecho se expresa el lugar que ocupa la base nitrogenada (purina [Adenina o Guanina] o pirimidina [Citosina, Timina o Uracilo]), bajo él se destaca la pentosa (en este caso una ribosa) y a su izquierda el grupo fosfato unido al C5. Las bases nitrogenadas son moléculas pequeñas provenientes de dos familias: las purinas (cuyos constituyentes son la Adenina y Guanina) que se caracterizan por la presencia de un anillo doble, y las pirimidinas (cuyos constituyentes son la Citosina, Uracilo y Timina) que se caracterizan por la presencia de un anillo único. Fig. 2. Estructura química de las purinas y pirimidinas Prof. Víctor Zárate T. LICEO COEDUCACIONAL LA IGUALDAD Departamento de Ciencias Biología común Las pentosas que forman nucleótidos (que fueron mencionadas en el punto referente a carbohidratos) corresponden a la ribosa y la desoxirribosa. La única diferencia entre ambas, es que la desoxirribosa no posee un oxígeno en el carbono 2, que si posee la ribosa. Fig.3. (izq) Desoxirribosa. (der) Ribosa. Destáquese la presencia de oxígeno en la ribosa y su ausencia en la desoxirribosa (marcado con un cuadrado rojo). Acido Desoxirribonucleico, DNA o ADN El ácido desoxirribonucleico (ADN, DNA) es una biomolécula formada por los nucleótidos dAMP (Adenina), dTMP (Timina), dCMP (Citosina) y dGMP (Guanina), ordenados en forma de hélice dextrógira (sentido de giro a la derecha) de una larga longitud. La “d” antes de cada sigla de nucleótido representa la presencia de la pentosa desoxirribosa, característica especial y única del DNA. Posee dos tipos de enlaces que mantienen la hélice estable. En sentido horizontal (base nitrogenada con base nitrogenada) participan los enlaces de hidrógeno. En sentido vertical (grupo fosfato con grupo fosfato) participan los enlaces 5’-3’fosfodiester. Fig. 4. El DNA, el sentido dextrógiro de su enrollamiento. En amarillo se representan las bases nitrogenadas y en azul los grupos fosfato junto con las desoxirribosas. Los nucleótidos que componen el DNA se ordenan de tal Prof. Víctor Zárate T. LICEO COEDUCACIONAL LA IGUALDAD Departamento de Ciencias Biología común manera que siempre la Adenina forma enlaces de hidrógeno con la Timina y la Guanina con la Citosina. Las letras que componen las palabras dentro de este “mensaje genético” son los nucleótidos antes mencionados, que en un orden específico forman diferentes palabras conocidas como genes. El DNA presente en cloroplastos y mitocondrias, así como en bacterias es mucho más corto que el de las células eucariontes, estando organizado en un solo cromosoma. Historia del ADN La primera vez que se aisló una sustancia desconocida obtenida desde los núcleos de células inmunitarias provenientes de apósitos sucios con pus fue en los experimentos de Miescher en 1869, la cual fue llamada nucleína. Posteriormente fue Levene quien caracterizó la estructura del nucleótido (pentosa + fosfato + base nitrogenada). En 1930 Levene y Kossel probaron que la nucleína era un ácido desoxirribonucleico formado por cuatro bases nitrogenadas diferentes, unidas por su grupo fosfato. Chargaff propuso la ley de equimolecularidad, que establece que el número de bases pirimídicas presentes en el DNA es igual al número de bases púricas, en base a la ley de complementariedad de bases (A=T y C=G). Prof. Víctor Zárate T. LICEO COEDUCACIONAL LA IGUALDAD Departamento de Ciencias Biología común El experimento de Griffith Pese al enorme avance de Levene y Kossel, aun no se conocía la función del DNA. En 1928, Frederick Griffith trabajaba estudiando cepas S (lisas) y R (rugosas) de la bacteria Streptococcus pneumoniae. La diferencia entre S y R era la virulencia (capacidad de producir enfermedad, siendo la cepa S mortal). Se inyectaron cepas S y R en ratones. Los que recibieron S fallecieron y los R sobrevivieron. Sin embargo, si se calentaba la cepa S y se inyectaba no pasaba nada (porque las bacterias morían), pero si se inyectaba la cepa S muerta mezclada con R viva, los ratones morían y se podían aislar luego cepas S vivas dentro del ratón. Prof. Víctor Zárate T. LICEO COEDUCACIONAL LA IGUALDAD Departamento de Ciencias Biología común ¿Las bacterias S sobrevivían al calor? ¿Las bacterias S pudieron revivir luego de ingresar al huésped? NO. Lo que planteó Griffith revolucionó la genética de la época, proponiendo la existencia del factor transformante ¿Pudieron las cepas R transformarse en virulentas utilizando alguna sustancia que liberaban las bacterias S al momento de morir? No fue hasta dentro de 15 años aproximadamente que se logró comprobar mediante técnicas moleculares que dicha sustancia transformante no era un lípido, polisacárido ni proteína. Hoy en día se sabe que dicho factor transformante correspondía a los plásmidos de virulencia. Aquel momento fue el nacimiento de la genética molecular. El experimento de Hershey y Chase El papel del DNA como molécula portadora de información genética fue instaurado universalmente por el experimento de Hershey y Chase. Ellos utilizaron un bacteriófago T2 (virus afín a bacterias) marcado con el isótopo P-32 y otro grupo marcado con S-35. El P solo se encuentra en los nucleótidos y el S en algunos aminoácidos, como la cisteína. El ciclo del fago T2 consiste en posarse sobre la bacteria blanco e inyectarle su DNA, para luego sintetizarse dentro de la bacteria. Aplicaron los virus a un cultivo de E coli. Al análisis fluorescente notaron que el P- 32 se encontraba dentro de las bacterias, mientras que el S-35 se encontraba en la cápside de los fagos. De esa manera, se concluyó que la información genética era el DNA y no las proteínas. Prof. Víctor Zárate T. LICEO COEDUCACIONAL LA IGUALDAD Departamento de Ciencias Biología común El modelo de Watson y Crick Tomando toda la información obtenida, más la valiosa información de los experimentos con difracción de rayos X de Rosaline Franklin, Watson y Crick propusieron el modelo de la estructura del DNA utilizado hasta el día de hoy, conocido como el modelo de la doble hélice. Este modelo proponía que las cuatro bases nitrogenadas, coexistían en dos cadenas antiparalelas unidas por los enlaces de hidrógeno, siguiendo un sentido dextrógiro de enrollamiento. Los principales pilares serían los enlaces 3’-5’ fosfodiester y los enlaces de hidrógeno. Las ventajas biológicas de este modelo son el equilibrio químico-físico de las bases nitrogenadas, la posibilidad de optimización de la replicación y mantención de la molécula y una eficiente forma de preservar las secuencias génicas. En 1962 recibieron el Premio Nobel en Fisiología o Medicina, en base a su artículo publicado en Nature (1953): “Molécular Structure of Nucleic Acids: A structure for Deoxyribose Nucleic Acid”. El DNA es un largo pergamino que contiene todas las instrucciones para confeccionar proteínas en los ribosomas, y así poder desarrollar un individuo completo y toda su dinámica bioquímica, biológica, ontogénica y fenotípica. Si lo pudiésemos estirar y medir, su longitud sería de dos metros aproximadamente por cada célula eucariota animal. La información que contiene el DNA está escrita, como en cualquier idioma, por letras. Estas letras son los nucleótidos, que se agrupan en tres para formar los tripletes (palabras), y varios tripletes diferentes forman los genes: secuencias capaces de codificar proteínas. El largo del DNA se mide en Pb (pares de bases), y debido a su gran longitud, no es infrecuente encontrar la medida KpB (miles de pares de bases). De toda esa información, solo un 1.5% aproximadamente codifica proteínas. Un gran porcentaje codifica RNAs reguladores y casi un 99% son secuencias no-codificantes. La especie humana solo posee 21.000 genes, por lo tanto una pregunta interesante a hacerse es ¿La complejidad de un organismo radica en la cantidad de secuencias no codificantes o es efecto de la evolución basada en intercambio génico que solo un 2% de todo el DNA codifique nuestro fenotipo? Prof. Víctor Zárate T. LICEO COEDUCACIONAL LA IGUALDAD Departamento de Ciencias Biología común ¿Es acaso responsabilidad de todo el porcentaje no codificante la manera en que el 1.5% codificante constituye nuestro fenotipo? El DNA presente en cloroplastos y mitocondrias, así como en bacterias, es mucho más corto que el de las células eucariotas, estando organizado en un solo cromosoma circular (pueden existir varias copias de dicho cromosoma). En los núcleos eucariotas existen varias moléculas de DNA lineal, mucho más largo y complejo, de las cuales al condensarse aparecen los diferentes cromosomas. Acido Ribonucleico, RNA o ARN El ácido ribonucleico (ARN, RNA) es una biomolécula formada por los nucleótidos AMP (Adenina), UMP (Uracilo), CMP (Citosina) y GMP (Guanina), ordenados en diferentes estructuras, todas lineales de larga o corta longitud. Son cadenas similares al DNA (poseen enlaces 5’-3’ fosfodiester y pueden formar enlaces de hidrógeno) pero no son dobles cadenas en hélice, sino que son monocatenarios (una sola cadena). Los nucleótidos constituyentes del RNA poseen todos las mismas bases nitrogenadas del DNA con excepción del Uracilo, y a diferencia del DNA poseen ribosa en su estructura. Fig. 5 (Izquierda) Diagrama de la estructura de un mRNA (RNA mensajero). (Derecha) Diagrama molecular del esquema adyacente. Prof. Víctor Zárate T. LICEO COEDUCACIONAL LA IGUALDAD Departamento de Ciencias Biología común Se mencionó que el DNA en las células tiene un rol central en el almacenamiento de información genética, fundamental para el correcto funcionamiento de la célula. En base a eso la naturaleza creó un ácido nucleico que pudiese copiar la información genética (o parte de ella), salir del núcleo y de esa manera expresarse. Si algo le pasase a esa molécula, simplemente se sintetizaría otra, dado que solo es una copia de la original. Si algo le pasase al DNA (daño irreparable) la célula debe morir. Así podemos distinguir, de manera general tres tipos de RNAs, que serán profundizados en el módulo electivo de biología: RNA mensajero RNA ribosomal RNA de transferencia En resumen, el RNA es una copia de una de las cadenas del DNA, generada por un proceso llamado transcripción. Bibliografía Simmonds Manuel, Bioquímica de los Ácidos Nucleicos, Universidad de Chile, 2012. Prof. Víctor Zárate T.
