ÁCIDOS NUCLEICOS Introducción:

ÁCIDOS NUCLEICOS
Introducción:
Los ácidos nucleicos son polímeros de nucleótidos, su única función es contener la
información genética y colaborar en su expresión, además algunos nucleótidos por
separado o unidos, formando dinucleótidos tienen funciones específicas en el
metabolismo.
Estructura:
Los nucleótidos son los monómeros de los ácidos nucleicos, a su vez pueden
describirse como la unión de un nucleósido con un grupo fosfato, el nucleósido está
formado por la unión de una base nitrogenada a una pentosa mediante un enlace
N-glucosídico. Dependiendo de los diferentes tipos de bases y los dos tipos de pentosas
podemos encontrar diferentes nucleósidos.
Las bases nitrogenadas son moléculas cíclicas, que contienen en sus anillos átomos
de nitrógeno. Hay dos clases:
Las purinas están formadas por un anillo hexagonal unido a uno pentagonal, tienen
átomos de nitrógeno en las posiciones 1,3,7 y 9, dentro de esta clase hay dos tipos la
adenina y la guanina.
Las pirimidinas están formadas por un anillo hexagonal con nitrógeno en las posiciones 1
y 3, dentro de esta clase hay tres bases , la citosina, la timina y el uracilo.
Además de estas bases, que son las principales componentes de los ácidos nucleicos,
en el ARNt podemos encontrar bases derivadas y también podemos encontrar otras
bases formando coenzimas, como es el caso de la flavina y la nicotinamida (pag 78 y 79
del libro de ECIR)
Una regla nemotécnica que yo utilizo para acordarme de los nombres es acordarse que las pirimidinas que tienen el
nombre más largo tienen estructura más simple y las purinas que tienen el nombre más corto tienen estructura más
complicada.
Las pentosas son la desoxirribosa y la ribosa, la desoxirribosa no tiene grupo hidroxilo
en su carbono 2. Dependiendo de las pentosas se pueden formar ribonucleósidos y
desoxiribonucleósidos, teniendo en cuenta que la timina nunca está presente en el ARN y
el Uracilo nunca está presente en el ADN, se forman en total ocho nucleósidos diferentes
(En la pag 86 del libro tenéis un cuadro muy claro de la nomenclatura de los
nucleósidos y nucleótidos)
Los nucleótidos se forman cuando se une un grupo fosfato mediante enlace éster al
carbono 5 de la pentosa. Hay que tener en cuenta que los ácidos nucleicos son polímeros
de nucleótidos monofosfato, pero que en el citoplasma los nucleótidos se pueden
encontrar di- o trifosfatados, de hecho los sustratos de las polimerasas son los
nucleótidos trifosfatados que al reaccionar desprenden dos de sus fosfatos y la energía
que liberan es utilizada para realizar la reacción.
Mononucleótidos y dinucleótidos de interés metabólico:
ATP
Además de poder ser utilizados en la formación de los ácidos nucleicos, todos los
ribonucleótidos son utilizados como intercambiadores de energía en todas las reacciones
metabólicas, principalmente el ATP, el enlace éster entre dos grupos fosfatos contiene
una gran cantidad de energía y es menos estable que los enlaces entre dos átomos de
carbono, recordad la importancia del S y el P en el tema de los bioelementos.
Muchas reacciones metabólicas exergónicas están acopladas con la formación de ATP,
en el citoplasma se tienen que producir energía poco a poco, si en una reacción se
produce mucha energía de golpe, sólo la necesaria para formar una molécula de ATP
será acumulada como energía aprovechable, el resto se disipará en forma de calor; si en
una reacción no se produce energía suficiente para formar ATP tampoco podrá ser
utilizada. Este es el concepto de Cuanta de energía que volveremos a tratar en la
introducción al metabolismo celular.
FAD , NAD y NADP
Flavín-adenin dinucleótido, nicotín-adenín dinucleótido y nicotín-adenín dinucleótido
fosfato, son dinucleótidos (fórmulas en las pag 88 y 89) capaces de oxidarse y reducirse
con facilidad, intervienen en la transmisión de energía en forma de potencial reductor, no
como energía de enlace como el ATP, en las rutas metabólicas de la respiración y
fotosíntesis.
Coenzima A
Interviene en rutas de degradación de azucares y ácidos grasos como activador
energético.
Estructura del ADN:
Las premisas con que contaban Watson y Crik para realizar su modelo de doble hélice
del ADN, son las siguientes:
-
En 1930 Kossel y Phoebus establecieron que el ADN era un polímero de nucleótidos.
-
A finales de los años 40 Chargaff determina lo que se conoce como regla de Chargaff,
la proporción de adenina es igual a la de timina y la de guanina igual a la de citosina.
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Además tenían imágenes obtenidas por difracción de rayos X que inducían a pensar
que la molécula de ADN era helicoidal.
En 1953 publicaron el modelo de doble hélice y en 1962 obtuvieron el premio Nobel.
El ADN está formado por una doble hélice de 20 Å de grosor, las dos hebras están
formadas por nucleótidos unidos mediante enlace éster entre el carbono 3' de la
desoxirribosa de un nucleótido y el fosfato del siguiente nucleótido, que a su vez está
unido al carbono 5' de la desoxirribosa de su nucleótido.
Las dos hebras son antiparalelas, si recorremos a la vez las dos hebras en el mismo
sentido, una la recorreremos desde el carbono 3' de la primera ribosa hasta el carbono 5'
de la última y la otra desde el carbono 5' de la primera hasta el 3' de la última. (Lo
entenderéis mejor con las ilustraciones de la pag 95 del libro).
Las bases se encuentran perpendiculares a la dirección de la hélice y se
complementan siempre la guanina con la citosina y la timina con la Adenina, cada par
está formado por tanto, por una purina y una pirimidina,. De esta manera se mantiene
estable la anchura de la cadena, que al parecer es una de las señales que reconocen las
enzimas para detectar errores en la duplicación.
Las bases se unen mediante puentes de hidrogeno entre las dos hebras
complementarias, la timina y la adenina se unen por dos puentes de hidrógeno, la
guanina y la citosina mediante tres; esto hace que sea más difícil de desnaturalizar por
calor un fragmento de ADN rico en guanina y citosina que otro rico en timina y adenina.
La desnaturalización de ADN por calor es un proceso reversibles que también puede
llamarse fusión del ADN.
Cada par de bases ocupa una longitud de 3,4 nm, 10 pares de bases miden 34 nm,
que es lo que mide cada vuelta de hélice, la disposición de las dos hebras hace que
aparezcan en cada vuelta un surco mayor y otro menor.
nota: en la programación aclaran que no es necesario aprenderse las medidas, pero yo
considero que por lo menos la anchura de la molécula sí deberías conocerla.
Estructura del ARN
Clásicamente se estudia la estructura del ARN por comparación con la del ADN y así lo
pide la programación, en el libro ponen antes la estructura del ARN pero ponen un cuadro
de las diferencias.
El ARN a diferencia del ADN, es un polímero monocatenario de ribonucleótidos,
nunca se encuentra timina y sí uracilo. En el ARNt se pueden encontrar además, bases
derivadas de las cuatro principales. El ARN se forma por transcripción en el núcleo pero
tiene que cumplir su función en el citoplasma por lo que se puede encontrar en ambos, el
ADN sólo se localiza en el núcleo, en los cloroplastos y en las mitocondrias.
Hay tres tipos principales de ARN, que se diferencian en su función:
ARN mensajero (ARNm), son cadenas largas de unos 3000 nucleótidos que son leídas
en los ribosomas para formar proteínas con la información que llevan.
ARN ribosómico (ARNr) es un ARN estructural, forma, unido a proteínas, la estructura de
los ribosomas, hay diferentes fragmentos que se diferencian en su velocidad de
sedimentación, todos los fragmentos se forman en el nucleolo menos el fragmento más
pequeños 5 S que se forma en otras regiones del núcleo. Estos ARN pueden formar
horquillas para complementarse las bases dentro de la misma cadena, en este caso el
Uracilo es complementario de la Adenina.
ARN transferente (ARNt) son cadenas cortas muy homogéneas en cuanto a forma, su
función es unirse a los aminoácidos específicamente y transportarlos hasta el ribosoma
para que se unan a la cadena polipeptídica que se esté formando. Los ARN tienen forma
de hoja de trébol, la cadena tiene tres bucles formados por complementariedad entre
fragmentos de la misma cadena. Los ARNt son muy específicos, las
aminoacilARNtsintetasas reconocen a los ARNt y los unen con su aminoácido
correspondiente, cada uno tiene una región, la correspondiente al peciolo de la hoja de
trébol, a la que se une el aminoácido y otra en la parte opuesta de la molécula, que se
llama brazo anticodón, que posee una secuencia de tres bases que son específicas para
ese ARNt y para su aminoácido correspondiente; esta es la clave del mecanismo de la
traducción, más adelante hablaremos del código genético.
Los ARNt tienen bases modificadas por metilación o saturación de dobles enlaces.
ARN heterogeneo nuclear, es un tipo de ARN de fragmentos cortos que se encuentra en
el núcleo y que se supone que son los restos del ARNm después de que este haya sido
madurado y se hayan eliminado los intrones.
Función de los ácidos nucleicos:
Ya hemos dicho al principio del tema, que los ácidos nucleicos tienen una única
función con dos aspectos, contener la información genética y permitir que se exprese, no
tienen función energética ni estructural, si exceptuamos al ARN ribosómico que forma los
ribosomas y que más que función estructural, interviene en el reconocimiento de los ARN
transferentes.
Clásicamente se decía que la información genética era unidireccional, pasaba del ADN
al ARN y de éste a la formación de proteínas, resumido en el siguiente esquema:
ADN  ARN  proteínas
Actualmente se sabe que la información también puede fluir en sentido ARN  ADN,
La enzima transcriptasa inversa puede hacer una copia de ADN con un molde de ARN,
esta enzima es la que poseen los reovirus como el del SIDA o el de la gripe que
contienen su información genética en forma de ARN y cuando invaden una célula pasan
la información a ADN para insertarse en el genoma de la célula infectada y seguir un ciclo
lisogénico.
Posteriormente se ha descubierto esta enzima en muchos seres vivos de forma natural,
se supone que puede constituir un motor de la evolución al hacer duplicados de genes
que se incorporan de manera estable al genoma, ya veremos en el tema de genética el
significado de las duplicaciones.
Duplicación
Consiste en la formación de una cadena de ADN utilizando como molde una ya
existente. Watson y Crick cuando propusieron su modelo de doble hélice intuyeron que la
duplicación tenia que ser semiconservativa, pero fueron Meselson y Sthal cinco años
después (1958) los que demostraron que era cierto, con el experimento de cultivo de
cepas bacterianas con nitrógeno pesado.
La duplicación es necesaria para la transmisión del material hereditario a las células
hijas, este proceso sólo se hace una vez y de forma completa, en la vida de las células,
en las células eucariotas se realiza en el periodo S del ciclo celular que veremos más
adelante.
Las enzimas que llevan a cabo la duplicación del ADN se llaman ADNpolimerasas y se
han descubierto tres tipos: ADNpol I, ADNpol II y ADNpol III, estas enzimas son
oligoméricas, tienen una estructura cuaternaria de varios protómeros, y tienen actividad
polimerasa en sentido 5'3' y actividad exonucleasa tanto en sentido 5'3' como en
sentido 3'5', Otra característica de las ADNpolimerasas es que necesitan un cebador,
no pueden iniciar la síntesis desde el principio aunque tengan el molde, necesitan poner
nucleótidos en el extremo 3' de una cadena ya formada, aunque esta sea de ARN como
ya veremos.
La ADNpol II es poco conocida aún y no se sabe su función específica, la ADNpol I
interviene en la reparación del ADN y la ADNpol III es la que realmente intervienen en la
duplicación de las cadenas del ADN.
Para que las polimerasas puedan funcionar se necesita que la doble hélice esté
abierta, esto lo hacen un conjunto de proteínas que son indispensables en el proceso de
duplicación; el proceso es el siguiente:
Se abre la doble hélice mediante las helicasas.
Se estabiliza la apertura con las topoisomerasas y las proteínas SSB que impiden que
las hebras separadas se superenrollen.
La ARNpolimerasa (En el libro la llaman primasa) sintetiza un cebador de ARN,
empieza a sintetizarlo en alguna región rica en Adenina y timina.
La ADNpol III sintetiza la hebra complementaria del molde, uniendo nucleótidos al
cebador. En un sentido de la horquilla de replicación la ADNpol III sintetiza la cadena de
manera continua, pero en el sentido opuesto y debido a que las dos hebras del ADN
original son antiparalelas, tiene que esperar a que se abra un poco la doble hélice y
cuando reconoce un punto de inicio se forma el cebador y después un fragmento corto en
sentido inverso a la hebra que se está sintetizando de manera continua, a medida que la
horquilla se va abriendo se van sintetizando sucesivos fragmentos, llamados fragmentos
de Okazaki, al final estos fragmentos se unen mediante la ADNligasa.
Transcripción
Consiste en la formación de fragmentos de ARN utilizando como molde la cadena de
ADN, estos fragmentos serán utilizados para ser leídos por los ribosomas y formar la
proteína para la cual poseen la información (ARNm). También se han de transcribir, por
supuesto, los genes del ARNr y los del ARNt.
Conviene recordar aquí que, lo que en cursos anteriores se llamaba función hereditaria
de los ácidos nucleicos no consistía sólo en la división celular, para esto se hace la
replicación del ADN, pero además la función hereditaria consiste en controlar el
metabolismo celular en cada momento de la vida de la célula, esto se realiza sintetizando
de manera selectiva los ARNm de las proteínas que sean necesarias en cada momento.
Por lo tanto y a diferencia de lo que ya hemos visto en la replicación, la transcripción es,
como dice el libro, selectiva y reiterativa, se transcriben fragmentos concretos del ADN,
no todo ello, y se pueden hacer más de una copia.
Solo se transcribe una hebra de las dos del ADN, por eso siempre se hace de manera
continua y sólo se necesita que se habra la cadena con las helicasas y las
topoisomerasas y la ARNpol comienza la síntesis, ya que esta no necesita cebador.
Lo más significativo de la transcripción es que en eucariotas, después de la síntesis hay
una maduración del ARN, en el extremo 5' se coloca un capuchón de 7-metilguanosina
unido al primer nucleótido formando un enlace entre los dos fosfatos, enlace difícilmente
reconocible por las ribonucleasas, que impide que lo degraden, en el extremo 3' se coloca
una cola de poli A, que parece que interviene en el transporte del ARN al citoplasma.
Antes de salir del núcleo, se eliminan regiones transcritas que no tienen información,
llamadas intrones, mediante la formación de horquillas que se unen por los extremos y
se separan del ARN, al las regiones restantes que llevan la información para la proteína
concretas se las llama exones..
En células procariotas no hay maduración, y al no haber membrana nuclear se pueden
unir los ribosomas al ARN y empezar a traducirlo, antes incluso de que termine de
transcribirse.
En el libro hablan en este tema del control de la expresión génica, en la programación
piden que lo tratemos en el tema de genética.
Traducción:
La traducción consiste en utilizar la información que está en forma de secuencia de
nucleótidos para formar proteínas que son secuencias de aminoácidos. Este proceso se
hace en los ribosomas y lo veremos en el tema de la célula. Aquí solo vamos a comentar
el concepto de código genético.
Código genético:
El ARN es una secuencia de cuatro nucleótidos, las proteínas son secuencias de
veinte aminoácidos, la primera cuestión que se plantearon los investigadores sobres éste
tema es cómo una secuencia de cuatro unidades puede dar lugar a una secuencia de
veinte, no podía ser uno a un, tampoco podía ser combinaciones de dos nucleótidos,
puesto que variaciones con repetición de cuatro elementos tomados de dos en dos hay
42 = 16 posibilidades y hay 20 aminoácidos, las investigaciones fueron encaminadas a
demostrar que eran combinaciones de tres bases ya que variaciones con repetición de
cuatro elementos tomados de tres en tres son 4 3 = 64 posibilidades.
El desciframiento del código genético empezó con la síntesis de ARN artificial, sin
molde, mediante la polinucleótidofosforilasa, realizada por el equipo de Severo Ochoa
(premio Nobel en 1959) sintetizando ARN controlados y poniéndolos a traducir fueron
descifrando qué combinación de tres nucleótidos (codón) codificaba para que se colocase
cada aminoácido en la proteína.
El código genético es degenerado, hay 64 codones para solo 20 aminoácidos lo que
significa que un aminoácido puede estar codificado por más de un codón, cuando ocurre
esto el nucleótido que cambia en la combinación suele ser el último, siendo los dos
primeros más estables.
Todas las proteínas empiezan a formarse por la combinación AUG, llamada codón de
inicio, la lectura se hace sin saltar ningún nucleótido y sin que estos se utilicen en dos
codones a la vez, el ribosoma "lee" sin interrupción desde el codón de inicio hasta que
encuentra uno de los codones de terminación (UUA, UGA y UAG).
El código genético es universal, es el mismo para todos los seres vivos, lo que apoya la
teoría de que la vida en la tierra ha surgido una sola vez o que de haber surgido
diferentes formas de vida, todas menos una se han extinguido. Procedemos de una sola
célula que consiguió sobrevivir al ambiente y se diversificó a través de la evolución.