ácidos nucleicos

TEMA 10.
GUIÓN
ÁCIDOS NUCLEICOS.
(4 sesiones).
1. CONCEPTO DE ÁC. NUCLEICO COMO PORTADOR DE LA INFORMACIÓN GÉNICA.
- Tipos de ácidos nucleicos: DNA y RNA.
2. ESTRUCTURA DE LOS ÁCIDOS NUCLEICOS.
- La unidad básica: el nucleótido (molécula compleja formada por base nitrogenada, pentosa y
ácido ortofosfórico).
- Estructura general de las bases púricas y pirimidínicas.
- Concepto de nucleósido.
- Concepto de mononucleótido y dinucleótido.
3. ÁCIDO DESOXIRRIBONUCLEICO (DNA). (HIPÓTESIS DE WATSON-CRICK).
- Carácter complementario de las bases.
- Estructura helicoidal.
4. ÁCIDO RIBONUCLEICO (RNA).
- Diferencias con la estructura del DNA.
- Tipos de RNA:
RNA TRANSFERENTE (RNAt)
RNA RIBOSÓMICO (RNAr).
RNA MENSAJERO (RNAm).
RNA NUCLEOLAR (RNAn).
5. FUNCIÓN DE LOS ÁCIDOS NUCLEICOS.
transcripción
traducción
ADN ───────────────> ARN ───────────────> PROTEÍNAS
│ ──────────────
│ Transcripción inversa
│
│
│duplicación (replicación).
│
ADN + ADN
-
Carácter semiconservativo de la duplicación.
Concepto de código genético.
1. CONCEPTO DE ÁC. NUCLEICO COMO PORTADOR DE LA
INFORMACIÓN GÉNICA.
Los ácidos nucleicos son el material genético de los seres vivos, es decir:
■ Son los agentes moleculares de la herencia, lo que significa que en ellos se
almacena la información necesaria para construir y mantener a cada organismo.
■ Se transmite a lo largo de las generaciones, acumulando en su estructura los
cambios graduales y útiles que son la base de la evolución.
1
TIPOS DE ÁCIDOS NUCLEICOS.
A finales del siglo pasado, se descubre que las piezas elementales del ácido
nucleico son el ácido fosfórico, una base nitrogenada y un azúcar y es entonces
cuando se percatan de que existen dos tipos de ácidos nucleicos: uno que está
constituido por el azúcar ribosa, al que se denomina por esta razón ácido
ribonucleico (RNA) y otro, que está formado por desoxirribosa, al que se conoce
como ácido desoxirribonucleico (DNA).
A mediados de los años 40 de este siglo, a raíz de un sorprendente experimento
se conoció que el DNA es el material que imprime las características a los seres
vivos. Los hechos ocurrieron del siguiente modo: El médico norteamericano F.
Griffith realizó investigaciones acerca de las causas de la neumonía (afección
respiratoria grave provocada por la bacteria Streptoccocus pneumoniae). Aisló dos
formas bacterianas:
 una forma S, que en cultivo daba lugar a colonias de aspecto liso (tipo S,
de smooth=liso), debido a que poseían una cápsula compuesta de polisacáridos.
Esta forma bacteriana es virulenta y produce la enfermedad si infecta a un
organismo.
 y la forma R (tipo R, de rough=rugoso) que daba lugar a colonias de aspecto
rugoso debido a que las bacterias no poseían cápsula. Esta forma era no
virulenta.
Al inyectar bacterias S a ratones, éstos enfermaban y morían, ya que las
bacterias, protegidas por su cápsula, podían reproducirse. Si mataba a las
bacterias S por medio de calor, y luego las inyectaba a ratones, estos
sobrevivían.
Si inyectaba a los ratones bacterias de tipo R, los ratones sobrevivían, pues
los sistemas de defensa de éstos destruían a las bacterias, por no poseer éstas
cápsula protectora.
A continuación, Griffith realizó una prueba que resultó decisiva: inyectó una
mezcla de bacterias S muertas y de bacterias R vivas y entonces los ratones
enfermaban y morían, recuperando de los cadáveres bacterias S vivas ¿Que había
ocurrido?. Griffith no pudo explicarlo, pero si que lo hicieron Avery, MacLeod y
McCarty. Estos investigadores llegaron a la conclusión que la transformación de
las bacterias R era inducida por el ADN de las bacterias S muertas.
Al matar mediante el calor a las bacterias S, éstas se destruyen, quedando su
ADN libre en el medio. Algunas de estas moléculas de ADN, por simple azar,
entraban en contacto con la superficie de las bacterias R y penetraban en su
interior. Con la nueva información, las bacterias R vivas podían fabricar el
polisacárido de la cápsula, adquiriendo así las características de la forma S. A
partir de esto, se tuvo que admitir, que el ADN porta la información que
determina las características de las células.
2
2. ESTRUCTURA DE LOS ÁCIDOS NUCLEICOS.
Poco después de ser descubiertos los ácidos nucleicos, se averiguó que
contenían fósforo, en forma de ácido ortofosfórico (H3PO4). Los enlaces
existentes entre el átomo de fósforo y los átomos de oxígeno del ácido fosfórico
son fuertes, sin embargo, los átomos de hidrógeno pueden extraerse del compuesto
con bastante facilidad, y entonces pueden formarse enlaces con otros
átomos o grupos de átomos.
O - H
│
O ═ P ─ O ─ H
│
O ─ H
Pronto se descubrió también, que los ácidos nucleicos contenían en su
estructura moléculas de azúcar. Este azúcar es la desoxirribosa en el caso del
ADN y ribosa en el ARN. Ambos azúcares sólo se diferencian, por la carencia de
un átomo de oxígeno en la desoxirribosa (des-oxi-ribosa).
Mas tarde se supo que los ácidos nucleicos, además de grupos fosfátidos y
azúcares, están compuestos por unas moléculas cíclicas compuestas en parte por
nitrógeno. Todos los compuestos que se han lograron extraer con estas
características, están construidos o bien con anillos hexagonales o bien a partir
de un sistema de 2 anillos, uno hexagonal y otro pentamérico. Estos compuestos,
denominados bases nitrogenadas, se clasifican en dos grupos según el tipo de
estructura que poseen:
 si poseen un anillo hexagonal se les llama compuestos pirimidínicos.
Ejemplos: Uracilo, Citosina y Timina.
 si, en cambio, poseen un anillo hexagonal y otro pentagonal, se les llama
compuestos púricos. Ejemplos: Adenina y Guanina.
A) LA UNIDAD BÁSICA: EL NUCLEÓTIDO.
También se averiguó que todos estos componentes estaban organizados formando
unas unidades básicas: los nucleótidos. Cada nucleótido está constituido por una
base nitrogenada, unida a una pentosa, y ésta, a su vez, unida a una molécula de
ácido ortofosfórico.
┌───────────────────────────────────────────┐
│ NUCLEÓTIDO = BASE + PENTOSA + FOSFATO (s) │
│
└──nucleósido──┘
│
└───────────────────────────────────────────┘
Los ácidos nucleicos se forman por la unión de muchas de estas moléculas
complejas
(nucleótidos),
que
se
enlazan
formando
largos
polímeros
(polinucleótidos). Del mismo modo que los aminoácidos son las unidades básicas
que forman las proteínas, los nucleótidos son los monómeros a partir de los
cuales se forman los ácidos nucleicos; la única diferencia entre unos y otros, es
que los aminoácidos constituyen cada uno una especie química definida y los
nucleótidos son ya ellos mismos, moléculas complejas que resultan de la unión de
otras.
Un nucleótido se forma por la unión entre el grupo OH hemiacetálico del C 1´ de
una pentosa (ribosa o desoxirribosa) y el hidrógeno del N 1, si se trata de una
base pirimidínica, o el N9, si se trata de una base púrica. El enlace es del tipo
N-glicosídico y se establece al liberarse una molécula de agua. El grupo
3
fosfato se une a través de uno de sus grupos -OH y el -OH del carbono 5´ de la
pentosa. Se trata de un enlace tipo ester.
El nombre que reciben
componentes del mismo.
Grupos P
1 grupo P
1 grupo P
los
Azúcar
ribosa
desoxirribosa
distintos
nucleótidos,
Base nitrog.
está
en
NUCLEÓTIDO
Adenina
Adenosina-5
´monofosfato
Adenina
desoxiadenos
ina-5´monofosfato
función
de
los
Abrev.
AMP
dAMP
3 grupos P
ribosa
Adenina
Adenosina-5
´trifosfato
ATP
1 grupo P
ribosa
Citosina
Citidina-5´monofosfato
CMP
2 grupos P
ribosa
Uracilo
Uridina-5´difosfato
UDP
En la nomenclatura, a las moléculas formadas por nucleótidos se las conoce
añadiéndoles a esta denominación el prefijo, mono, di, tri, tetra....o poli,
según sean 1, 2, 3, 4 .....o "n", respectivamente, los nucleótidos que las
constituyen.
Mononucleótido (1 nucleótido aislado).
Dinucleótido (2 nucleótidos unidos)
Trinucleótido (3 nucleótidos unidos).
Polinucleótidos (muchos nucleótidos).
MONONUCLEÓTIDOS. Una de las funciones más importantes de los
mononucleótidos es la de actuar como transportadores de energía química.
Sobretodo, el adenosin trifosfato (ATP), que participa en la transferencia de
energía entre cientos de reacciones celulares distintas. Sus dos fosfatos
terminales, reactivos y fácilmente hidrolizables, son obligados a establecer
enlaces covalentes entre ellos durante la oxidación de los alimentos; luego, en
determinadas reacciones, la hidrólisis de uno o ambos grupos fosfato puede servir
para impulsar energéticamente los procesos de biosíntesis desfavorables.
Otro mononucleótido importante es el AMP cíclico, cuya estructura es como la
del adenosín monofosfato, pero con un puente intramolecular establecido entre un
-OH del fosfato y el hidroxilo del carbono 5´ de la pentosa. Esta molécula actúa
de segundo mensajero en el interior de la célula, provocando una serie de
reacciones por parte de ésta, cuando llegan a ella determinadas hormonas o
neurotransmisores.
Determinados monucleótidos son coenzimas, por ejemplo: el coenzima A.
DINUCLEÓTIDOS.Dinucleótidos que actuan como coenzimas son: el NAD
(nicotín adenín dinucleótido), el FAD (flavín adenín dinucleótido). Estas dos
moléculas participan en el transporte de electrones en la mitocondria.
4
CONCEPTO DE NUCLEÓSIDO.
Si un nucleótido pierde el grupo fosfato, se forma un nucleósido.
┌─────────────────────────
─────┐
│ NUCLEÓSIDO = BASE + PENTOSA │
└───────────────────────────
───┘
Según el tipo de base nitrogenada que constituye el nucleósido, éste recibe
distinto nombre:
Base nitrogenada
NOMBRE NUCLEÓSIDO
Abreviatura
Adenina
ADENOSINA
A
Guanina
GUANOSINA
G
Citosina
CITIDINA
C
Uracilo
URIDINA
U
Timina
TIMIDINA
T
3. ÁCIDO DESOXIRRIBONUCLEICO (DNA).
(HIPÓTESIS DE WATSON-CRICK)
COMPONENTES. El DNA está formado por cuatro tipos de nucleótidos. A su vez,
cada nucleótido del ADN están compuestos por:
 Fosfato
 la desoxirribosa.
 una de las siguientes
bases
nitrogenadas:adenina,
guanina,citosina
y
timina.
Cada nucleótido se identifica mediante una inicial que se corresponde con la
inicial de la base nitrogenada que lo compone: A, T, G, y C.
Un fragmento de DNA puede contener un número cualquiera de estos nucleótidos
enlazados en un orden cualquiera. A pesar del tamaño y la aparente complejidad de
estas moléculas, resulta muy fácil describir con precisión cualquier trozo; sólo
es necesario escribir las iniciales correspondientes a los nucleótidos en el
orden correcto. Por ejemplo, "ATGCGGATCC" describe un trozo específico de DNA de
10 nucleótidos de longitud.
La molécula de ADN, igual que las proteínas, puede adoptar una configuración
espacial en la que pueden describirse hasta cuatro niveles estructurales
distintos de complejidad creciente; cada uno de ellos depende del anterior y, a
su vez, condiciona al siguiente: son las llamadas estructuras primaria,
secundaria, terciaria y cuaternaria.
5
ESTRUCTURA PRIMARIA.
Así como en las proteínas se obtenían cadenas
polipeptídicas a partir de aminoácidos, también en este caso la estructura
primaria del ADN consiste en la formación de largas cadenas de polinucleótidos.
Los nucleótidos están unidos por medio de enlaces que se establecen entre el
carbono 5´ de una pentosa y el carbono 3´ de la siguiente, mediando entre ambos
un grupo fosfato; estos enlaces se denominan enlaces fosfodiéster.
En los casos en que los polinucleótidos son polímeros lineales (pueden ser
circulares), el último resto nucleotídico de cada uno de los extremos opuestos
actúa como término del mismo. Estos dos terminales no son estructuralmente
equivalentes, ya que uno de los nucleótidos termina con un grupo -OH libre sobre
el C3´, mientras que en el otro extremo, el nucleótido termina con un -OH libre
sobre el C5´. Estos extremos de los polinucleótidos se denominan extremo 3´ y 5´,
respectivamente.
En un polinucleótido se pueden diferenciar dos partes:
 El esqueleto de polidesoxirribosa-fosfato, que constituye el eje que
soporta la estructura de la molécula.
 Y las diferentes bases de adenina, guanina, citosina y timina, alineadas a
lo largo de este esqueleto.
De la misma manera que las proteínas se distinguen unas de otras por la
composición y el orden de sucesión de los diferentes aminoácidos, igualmente, los
polinucleótidos difieren entre sí por la composición y la secuencia de sus
bases, es decir, el orden en que se presentan los cuatro tipos de bases (A, G, C
y T) a lo largo del esqueleto de polidesoxirribosa fosfato.
Cada organismo posee una molécula de ADN diferente, caracterizada por la
secuencia concreta de sus bases, y es en la naturaleza misma de esta secuencia en
donde reside la información necesaria para la síntesis de las proteínas
(Ilustración 3).
ESTRUCTURA SECUNDARIA. La mayoría de moléculas de ADN no está formado por
cadenas aisladas, sino por dos cadenas de polinucleótidos, unidas una a la
otra, formando una doble hélice. Está estructura puede mantenerse gracias a que
cada uno de los cuatro nucleótidos puede formar unos enlaces químicos por "puente
de H" con un tipo particular de nucleótido de la otra cadena de DNA.
Esto fue deducido a partir de los resultados obtenidos por Chargaff, quien,
tras analizar numerosas muestras de ADN procedentes de diferentes tipos de
células y de numerosas especies animales, demostró que salvo en muy raras
excepciones, todos los ADN poseen igual número de moléculas de timina y
adenina, y tantas de citosina como de guanina. A partir de esta información se
dedujo que el ADN estaba constituido por 2 cadenas de polinucleótidos unidas por
medio de sus bases nitrogenadas de una forma semejante a esta:
║ A ■■■ T ║
║ G ■■■ C ║
Las bases púricas (A y G), que son más grandes, se encuentran enfrentadas a las
6
bases pirimidínicas, más pequeñas, y la unión se realiza por puentes de hidrógeno
entre los grupos polares de las bases: dos puentes de hidrógeno en los pares A═T
y tres en los pares G░C.
Esta relación entre las bases, por la cual cada nucleótido tiene enfrente suyo
al nucleótido apropiado se describe como complementariedad. Las bases son
complementarias porque cada base de una hebra encaja con una base complementaria
en la otra. Tambien se habla de complementariedad de cadenas ya que las dos
cadenas posean secuencias complementarias, esto es, si una posee la secuencia
ATTCCCC, la otra cadena tendrá la secuencia TAGGGGG.
Otra característica estructural importante del ADN de doble hebra es que sus
cadenas son antiparalelas. Los polinucleótidos son estructuras que presentan
polaridad como puede deducirse tras la inspección de algún esquema de los mismos.
Esto hace que las dos hebras estén orientadas en direcciones opuestas, esto es,
si dos bases adyacentes en la misma hebra, están conectadas en la dirección 5´--> 3´, sus bases complementarias adenina y guanina lo estarán en la dirección 3
´---> 5´ (las posiciones se definen uniendo las posiciones 3´y 5´ dentro del
mismo nucleótido). (Ilustración 2).
Tras las investigaciones realizadas por Franklin y WilKins que indicaban que la
molécula de ADN presentaba una estructura helicoidal, Watson y Crick propusieron
un modelo para explicar la estructura secundaria del ADN, conocido como modelo
de la doble hélice de ADN. Este modelo explica que las dos cadenas
polinucleótidas están arrolladas conjuntamente alrededor de un hipotético eje
común, conformando cada cadena, una hélice de orientación dextrógira.
Este modelo de la doble hélice de Watson y Crick se denomina forma B y durante
mucho tiempo se ha considerado como la única estructura del ADN. Sin embargo,
otros estudios han revelado que existen otras formas: forma A, forma Z. Todas
estas variantes pueden encontrarse juntas dispuestas a lo largo de una misma
fibra de ADN, señalizando aquellas secuencias de ADN que tiene que transcribirse.
•  Esta configuración tridimensional en doble hélice, es la que presenta el ADN
de las células eucarióticas y el de ciertos virus bacteriofagos (comedores
de bacterias). Aunque es la estructura más general, sin embargo, se han
encontrado otras clases de ADN:
•  En ciertos virus se ha encontrado un tipo de ADN lineal unicatenario.
•  Virus como el Φ-X-174, presentan un ADN circular unicatenario.
•  En las bacterias aparece un ADN circular bicatenario. También se encuentra
esta forma de ADN en ciertos virus y en las mitocondrias y cloroplastos de
eucariotas.
7
4.
ÁCIDO
COMPONENTES.
RIBONUCLEICO (RNA).
La composición del RNA es idéntica al DNA, a excepción de 2
diferencias:
•  la pentosa que constituye los nucleótidos es la ribosa, en cambio en el ADN
era la desoxirribosa.
•  Las bases nitrogenadas púricas son la adenina y la guanina (las mismas que
para el ADN); las pirimidínicas son la citosina y el uracilo. A excepción del
uracilo que reemplaza a la timina, éstas son las mismas bases que se encuentran
en el ADN.
ESTRUCTURA PRIMARIA.
Los ribonucleótidos están conectados mediante grupos fosfato sencillos que unen
el carbono en 3´ de una ribosa con el carbono 5´ de la siguiente ribosa. Este
enlace, un fosfodiéster 3´, 5´, forma el armazón esquelético al que se adosan las
bases nitrogenadas.
Estructuralmente, el RNA sólo suele presentar estructura primaria, aunque en
algunos casos existan ciertas regiones en una misma cadena que poseen secuencias
complementarias capaces de aparearse y de formar una doble hélice. Esto es lo que
ocurre en el RNA transferente.
ESTRUCTURA SECUNDARIA y TERCIARIA.
Algunos RNA presentan en ciertos tramos una estructura en doble hélice
(estructura secundaria). En ocasiones esta doble cadena se pliega sobre si misma
dando lugar a estructura terciaria.
Hasta ahora todas las formas de RNA que se han descrito son monocatenarias.
Sólo hay una excepción: una forma de RNA bicatenario con estructura en doble
hélice que se ha encontrado en un tipo de reovirus.
TIPOS DE RNA.
Tradicionalmente, las especies de RNA se han clasificado como:
 RNA de transferencia.
 RNA ribosómico.
 RNA mensajero.
 y RNA nucleolar.
8
RNA TRANSFERENTE (RNAt)
Los RNAs de transferencia son ácidos nucleicos relativamente pequeños que
tienen una longitud entre 80 y 100 nucleótidos. Todos ellos están constituidos
por una sola cadena polinucleotídica, que presenta zonas con estructura primaria
y zonas con estructura secundaria. La configuración de estructura secundaria es
posible, debido a que en un mismo RNA, hay secuencias de bases complementarias
que se aparean, adoptando estos trozos, la configuración en doble hélice,
mientras que las zonas que no se aparean adoptan el aspecto de bucles. Esta
estructura puede representarse bidimensionalmente, apareciendo un dibujo que
recuerda las "hojas del trébol". Sin embargo, la conformación real de los RNAt es
mucho más compleja, adoptando estos una forma tortuosa y retorcida, que en nada
se parece a una "hoja de trébol"; la estructura terciaria presenta una forma de
"L", o de "trébol". (Ilustración 9).
En cada RNAt se distinguen los siguientes rasgos estructurales:
 Existe un brazo aceptor de aminoácidos, en el siempre está la secuencia
de bases CCA. Aquí es donde se unen covalentemente los aminoácidos específicos
del RNAt.
 El brazo largo del "bumerán", es la zona que se une al RNA mensajero,
durante la síntesis de proteínas. Esta parte contiene una secuencia de 3 bases
llamada anticodón.
 El llamado brazo D, contiene una secuencia de bases que es reconocida
de manera específica por una de las 20 enzimas, llamadas aminoacil-ARNt
sintetasas, encargadas de unir cada aminoácido con su correspondiente molécula
de ARNt.
 El llamado brazo T, actúa como lugar de reconocimiento del ribosoma.
Hasta ahora se han descubierto 56 tipos de RNAt, que se diferencian unos de
otros en la combinación de bases que constituyen su anticodón. Estas bases están
en correspondencia con el aminoácido que porta el transferente. A menudo, hay
varios RNAt diferentes (tienen anticodones distintos) que llevan un mismo tipo
de aminoácido, pudiéndose definir estos RNAt como RNAt isoaceptores.
9
RNA RIBOSÓMICO (RNAr).
Son moléculas de diferentes tamaños, que presentan estructura secundaria en
algunas regiones de la molécula. Para diferenciar unos RNAs ribosómicos de otros,
se utiliza como criterio de clasificación el peso molecular medio de cada RNAr,
cuyo valor se deduce a partir de la velocidad con que sedimentan dichas
moléculas, cuando son sometidas a un campo centrífugo. Así, en los eucariotas,
nos encontramos con los siguientes tipos de RNAs ribosómicos:
RNAr 28 S
RNAr 5´8 S
RNAr 5 S
RNAr 18 S
El peso molecular se expresa en unidades Svedberg (S), nombre del científico
sueco que desarrolló esta técnica de análisis.
Los RNA ribosómicos de eucariotas, se unen a más de 70 proteínas distintas para
constituir a las subunidades que forman los ribosomas. Por ejemplo, los ribosomas
citoplasmáticos eucarióticos (80 S), están constituidos por dos subunidades
ribosómicas:
 la subunidad pequeña (40 S) está formada por un RNAr 18 S y alrededor de 30
proteínas distintas.
 la subunidad grande, (60 S), está formada por un RNAr 28 S, uno 5´8 S y otro
5 S, acoplados con unas 45 proteínas distintas.
RNA MENSAJERO (RNAm).
Son largas moléculas de polinucleótidos, de aspecto filamentoso, debido a que
sólo presentan estructura primaria.
El nombre de "mensajero" hace referencia a la función que desempeña en la
célula, consistente en trasladar la información genética desde el núcleo a los
ribosomas citoplasmáticos. Cada RNAm contiene la información para sintetizar tan
sólo, una cadena polipeptídica; sin embargo, con la información de todos los
RNAm, se controla el funcionamiento de toda la célula, ya que muchas de las
proteínas actúan como enzimas. Las restantes proteínas son estructurales y
determinan el fenotipo celular.
Estructuralmente, los ARNm poseen en su extremo 5´ una "caperuza" compuesta por
un residuo de metil-guanosina unida a un grupo trifosfato. A continuación de la
"caperuza", aparece una secuencia que no se traduce llamada "conductora", y al
lado de esta, el codón de iniciación (AUG) con el mensaje que se ha de traducir.
Al final de la secuencia codificante, se encuentra una secuencia de finalización
y por último, una secuencia que no se traduce llamada "remolque" (trailer) que
termina con una cola de poli (A).
Una característica peculiar de los RNAm es su corta vida, pues transcurren tan
sólo unos pocos minutos desde el momento de su síntesis hasta que quedan
degradados.
10
RNA NUCLEOLAR (RNAn).
Es un tipo de RNA, de elevado peso molecular, que se sintetiza en el nucléolo.
En realidad no es más que el precursor de los diferentes tipos de ARN
ribosómico. El ARNn es una larga cadena compuesta por nucleótidos, que en un
determinado momento, se rompe por lugares específicos y da lugar a tres
fragmentos de ARNr: el ARNr 28 S y el ARNr 5´8 S (constituyentes de la subunidad
grande de los ribosomas) y el ARNr 18 S (componente de la subunidad pequeña). El
fragmento de ARNr 5 S no se obtiene a partir del ARN nucleolar.
5. FUNCIÓN DE LOS ÁCIDOS NUCLEICOS.
El ÁCIDO DESOXIRRIBONUCLEICO es una macromolécula
funciones trascendentales para todos los seres vivos:
1) Es el material que contiene la información
síntesis de todas las proteínas de un organismo.
que
desempeña
necesaria
para
dos
la
Hemos visto que toda la información necesaria para construir una molécula
proteica tridimensional se encuentra en la secuencia lineal de los aminoácidos de
la proteína. Una vez que los aminoácidos apropiados se unen en la secuencia
correcta, las fuerzas elementales de la termodinámica hacen el resto,
asegurándose de que la proteína se pliega en la conformación precisa para
realizar su trabajo. Por tanto, para contener la información necesaria para
producir proteínas lo único que debe hacer un ácido nucleico es especificar la
secuencia en la que deben disponerse los aminoácidos de la proteína que se va a
formar. Los ácidos nucleicos transportan la información en forma de variaciones
en la secuencia de nucleótidos, de manera que cada grupo de 3 nucleótidos puede
especificar la incorporación de un cierto aminoácido a una cadena proteica en
crecimiento.
Cómo el ADN se encuentra en el nucleo celular y las proteínas se sintetizan en
el citosol, las células necesitan un mecanismo para transmitir la información
necesaria desde el núcleo hasta el citoplasma.
A un fragmento de DNA que contiene la información necesaria para producir una
proteína especifica se le suele denominar "gen". Primero se produce una copia del
gen que es necesario para la célula; copia que en todos los organismos consiste
en un RNA de cadena sencilla, al que se conoce por "RNA mensajero" (mRNA). La
producción de la copia de mRNA se realiza mediante la separación de las hebras
hermanas de la doble hélice de DNA seguida por la copia de una de ellas a mRNA.
El proceso de formación de este mRNA réplica se denomina TRANSCRIPCIÓN. Este
término establece una analogía con la escritura ya que la información genética se
transcribe desde el DNA original a un mRNA que contiene la misma información pero
escrita en otro tipo de caracteres (es decir, RNA en lugar de DNA).
11
En realidad, la producción de las proteínas se da cuando el mRNA se une a los
ribosomas en el citoplasma. Un ribosoma se desplaza a lo largo de la molécula de
mRNA y, a medida que lo hace, los grupos de 3 nucleótidos ("codones") que
codifican cada uno de ellos un cierto aminoácido, van pasando por un lugar
especial del ribosoma. Cada vez que un codón de 3 nucleótidos se encuentra en
este sitio, el aminoácido correspondiente se transporta al ribosoma y se une a la
cadena de proteína naciente. Una vez que el ribosoma ha recorrido la molécula de
mRNA en toda su longitud habrá producido la proteína completa cuya secuencia de
aminoácidos está total y precisamente determinada en la secuencia de nucleótidos
que forma el mRNA. La proteína ya acabada se liberará del ribosoma y esto
permitirá que se pliegue y empiece a realizar la función para la que su secuencia
de aminoácidos la hace idónea. La conversión de la información genética que lleva
el mRNA a moléculas de proteína se conoce como TRADUCCIÓN, ya que la información
se traduce del lenguaje de los ácidos nucleicos al lenguaje de las proteínas.
(Ilustración 17).
En los años 60, el concepto de que el ADN se transcribe en ARN y éste se
traduce en proteínas, se conocio como DOGMA CENTRAL DE LA BIOLOGIA MOLECULAR.Esta
idea recibió un duro golpe, cuando se descubrieron una serie de virus cuyo
material génico era ARN. Algunos de estos virus (como el del SIDA), una vez en el
interior de las células a las que parasitan, son capaces de sintetizar ADN a
partir del ARN que los compone, por medio de una enzima llamada transcriptasa
inversa. A estos virus se les conoce como retrovirus. Actualmente se ha
encontrado retrotranscripción, en otros organismos más complejos como las
levaduras, insectos e incluso los mamiferos.
transcripción
traducción
ADN ───────────────> ARN ───────────────> PROTEÍNAS
│ ──────────────
│ Transcripción inversa
│
│
│Duplicación (replicación).
│
ADN + ADN
2) Además de regular la expresión celular, el DNA juega un papel exclusivo en
la herencia. El DNA puede hacer copias de sí mismo , al mismo tiempo que se
divide la célula, de manera que cada copia se dona a una célula hija. Así, las
células descendientes, heredan todas y cada una de las propiedades y
características de la célula original.
A) DUPLICACIÓN. (Carácter semiconservador de la duplicación)
Desde el mismo momento en que se propuso el modelo de doble hebra del DNA quedó
claro que con esta estructura era fácil imaginar un mecanismo para la replicación
del DNA: las dos hebras del DNA son separables y cada una de ellas puede servir
como molde para la síntesis de una nueva hebra, de manera que, una vez formadas
las nuevas cadenas, se tendrían 2 moléculas de ADN de doble hebra.
Al principio, se plantearon 3 tres posibles mecanismos para la replicación:
 Según una hipótesis, conocida como replicación conservadora, las 2
moléculas de ADN que se obtendrían tras la duplicación serían diferentes: una de
ellas estaría formada por las dos hebras originales y la otra molécula estaría
constituida por las dos cadenas sintetizadas de nuevo.
 Una segunda hipótesis, denominada dispersiva, postulaba que no existirían
cadenas originales ni cadenas nuevas. Los nucleótidos del DNA original se
12
entremezclarían entre las secuencias sintetizadas de nuevo, siendo cada una de
las hebras resultantes, una combinación de secuencias originales, dispersadas al
azar entre las secuencias nuevas.
 Se comprobó finalmente que la síntesis de ADN es un proceso
semiconservador. Después de cada ciclo de replicación, los DNA obtenidos están
formados por una de las hebras originales acoplada a un polinucleótido
complementario sintetizado de nuevo.
Se demostró que la replicación del DNA era un proceso semiconservador, a
través de un elegante experimento que consistió en lo siguiente:
1) Se cultivó "E. coli" en un medio que contenía cloruro amónico con N 15 como
única fuente de nitrógeno. Se permitió que tuviesen lugar varias divisiones
celulares durante las que el N15 fue incorporado para formar los nucleótidos y los
nuevos ADNs. El N15 también se conoce como nitrógeno pesado, porque cuando se
incorporara al DNA y este se centrífuga, el DNA se comporta como si
fuera
más
pesado y se sitúa más al fondo en la centrífuga que el DNA normal (producido con
N14).
2) Se cambió a las bacterias a un nuevo medio de cultivo, que contenía cloruro
amónico con N14. Se mantuvieron durante media hora en este medio, que es el tiempo
necesario para que se duplique el ADN bacteriano, y estas incorporaron en sus
DNAs el N14.
3) Se comprobó que estos DNAs eran híbridos ya que ocupaban en el tubo de
centrifugación una posición intermedia entre la que ocupaba el DNA con N15 yla del
DNA con N14. Se separaron las hebras que constituían los DNAs y mediante
centrifugación se demostró que las moléculas hijas de DNA contenían dos hebras de
densidades diferentes: una hebra estaba constituida por nucleótidos que contenían
exclusivamente N14 y la otra hebra contenía nucleótidos con N15.
Con estos resultados, quedó claro que las nuevas hebras se sintetizan por
completo, utilizando como molde la hebra original. Quedó demostrado que la
replicación se hace exclusivamente según el modelo semiconservador, esto es, en
cada ciclo de replicación se mantiene intacta una de las hebras paternas que se
combina con una de las hebras recién sintetizadas.
B) EL CÓDIGO GENÉTICO.
El ADN no controla directamente los procesos funcionales y aspectos fenotípicos
de un organismo, sino que a través de determinadas proteínas, cuya síntesis
dirige, el DNA puede controlar cualquier propiedad tanto física como química de
las células. Y son éstas, las que determinan las características de los
organismos pluricelulares. Por ejemplo, el ADN es incapaz de transportar oxígeno,
en cambio, puede sintetizar la proteína hemoglobina, y a través de ésta, realizar
la función. Cada segmento de ADN que contiene la información necesaria para la
síntesis de una proteína se denomina GEN.
Debido a que el ADN de una célula eucariótica está localizado dentro del núcleo
celular y que la síntesis proteica se realiza en el citoplasma, las células
requieren transferir la información codificada en un gen desde el núcleo hasta el
citoplasma. Para ello, sintetizan una macromolécula denominada ácido ribonucleico
mensajero (ARNm), cuya secuencia es complementaria a la del gen. Este ARNm es el
que actúa como molde para la fabricación de la proteína. Para la síntesis
proteica, además del ARNm, se necesitan otros dos tipos de ácidos ribonucleicos:
los ARN de transferencia que portan los aminoácidos que constituirán la proteína
y el RNA ribosómico, formador de los ribosomas.
13
Las moléculas de ARN son sintetizadas a través de un proceso conocido como
transcripción del ADN, que se parece en muchos aspectos a la replicación del ADN.
Los enzimas que catalizan esta reacción se denominan RNA polimerasas (Ilustración
10).
La transcripción se inicia, desenrollandose aquella secuencia de ADN que se
tiene que transcribir y separándose las dos hebras que la constituyen. Al mismo
tiempo, el complejo enzimático que participa en este proceso reconoce un punto de
inicio de transcripción y pone en marcha el proceso de síntesis.
A continuación, sobre la hebra que actúa de patrón, la RNA polimerasa va
examinando las posibilidades de apareamiento, entre los ribonucleótidos que están
libres por el entorno y las bases nitrogenadas del ADN. Cuando se consigue un
buen ajuste con el ADN patrón, el ribonucleótido es incorporado a la cadena de
ARN en crecimiento.
La información necesaria para la síntesis de las proteínas reside en los ARN
mensajeros. Es una información similar a la que utilizamos los humanos en el
lenguaje escrito, basada en una serie de letras que forman palabras y frases. Las
palabras de estos apuntes, por ejemplo, están formadas a partir de un juego de 28
símbolos que se pueden disponer en muchos miles de palabras. Pero estas señales
en las páginas no significarían nada, a menos que se las pueda descodificar de
manera que se sepa qué señales corresponden a cada una de las ideas y cosas de
las que se está tratando. No obstante, en el lenguaje genético sólo hay 4 letras:
son las cuatro bases A, G, U y C que se repiten, aunque en distintas
ordenaciones, dentro de la secuencia del RNAm. Cada "palabra" del RNAm, tiene que
hacer referencia a un aminoácido. El orden de las diferentes "palabras" en la
secuencia del ARNm, indica el orden en que deben situarse los aminoácidos en la
nueva proteína. Como las proteínas sólo están formadas por 20 aminoácidos, el
lenguaje del RNAm debe tener, al menos, 20 palabras (Esquema 14).
La pregunta clave que resuelve el código genético y que fue descifrada entre
los años 50 y 60 es la siguiente: "¿cuál es la relación entre la secuencia de
nucleótidos de un fragmento de ácido nucleico y la secuencia de aminoácidos de la
proteína para la que codifica?". La respuesta también se puede resolver con
sencillez: CADA UNA DE LAS SECUENCIAS DE TRES NUCLEÓTIDOS PUEDE ESPECIFICAR LA
INCORPORACIÓN DE UN CIERTO AMINOÁCIDO A UNA CADENA PROTEICA EN CRECIMIENTO.
(Ilustración 15).
Las combinaciones posibles son 64 (43 = 64 permutaciones). Con este numero de
palabras hay más que suficientes para designar a los 20 aminoácidos. Estas
palabras de 3 letras se denominan TRIPLETES o CODONES.
Deducido esto, el siguiente paso en la investigación científica, fue establecer
la relación entre cada codón y cada aminoácido.
Esta clave genética, que permite establecer la correspondencia entre una
secuencia de nucleótidos en un ARNm y la secuencia de aminoácidos que podrá
sintetizarse a partir de él, es a lo que se conoce como CÓDIGO GENÉTICO.
+
14
El examen atento
CARACTERÍSTICAS:
del
código
genético
revela
que
TIENE
LAS
SIGUIENTES
 algunos aminoácidos pueden ser especificados por varios codones. Por
ejemplo, los aminoácidos arginina, la leucina y la serina están relacionados
con 6 codones cada uno. La existencia de varios codones para un mismo
aminoácido se conoce como "degeneración del código genético".
 el codón AUG constituye una señal de iniciación que indica el lugar por
donde tiene que empezar la síntesis proteica. Este codón, también especifica el
aminoácido metionina.
 hay 3 codones que especifican señales de terminación. Estos tripletes no
especifican aminoácidos, por lo que también se les conoce como codones sin
sentido.
EL CÓDIGO GENÉTICO ES UNIVERSAL, excepto para las mitocondrias.
Este diccionario genético es utilizado de la misma forma por todos los seres
vivos (virus, bacterias, plantas, animales, etc); esto llevó a considerarlo
como universal. Sin embargo, recientemente se ha descubierto que las
mitocondrias poseen su propio DNA y tienen una maquinaria exclusiva de
síntesis proteica que utiliza un código genético ligeramente diferente.
15