tema 5: los ácidos nucleicos

AURORA APARICIO MANRIQUE
BIOLOGÍA 2ºBACH
TEMA 5: LOS ÁCIDOS NUCLEICOS
1.- COMPOSICIÓN QUÍMICA Y CLASIFICACIÓN
3.- NUCLEÓTIDOS
3.- ADN. COMPOSICIÓN QUÍMICA Y ESTRUCTURA.
4.- ARNs
4.1.- ARN MENSAJERO
4.2.- ARN TRANSFERENTE
4.3.- ARN RIBOSÓMICO
5.- FUNCIONES DE LOS ÁCIDOS NUCLEICOS
1. COMPOSICIÓN QUÍMICA Y CLASIFICACIÓN
El nombre de ácidos nucleicos proviene de que se encontraron por primera vez
en el núcleo de las células eucarióticas y también hace referencia a su carácter
ácido.
Son compuestos orgánicos constituidos por C, O, H, N y P. A diferencia de los
otras biomoléculas, los ácidos nucleicos tienen siempre cantidades apreciables de
fosforo ( en torno a un 30%) y carecen de azufre.
Son macromoléculas de elevado peso molecular, de estructura polimérica
pues están formados por la repetición de una unidad sillar o monómero denominado
nucleótido. Son, por tanto cadenas de polinucleótidos y la hidrólisis de cualquier
ácido nucleico rinde nucleótidos.
A diferencia de los monómeros que forman los polisacáridos o las proteínas,
los nucleótidos no son una única molécula sino que están constituidos por la unión de
tres moléculas distintas:
Ácido ortofosfórico (PO4H3)
Monosacáridos de tipo pentosa. Responden siempre a dos posibles
tipos:
o beta-D-ribofuranosa que aparece en los ARN.
o beta-D-2 desoxirribofuranosa, en los ADN.
Las bases nitrogenadas pueden ser de dos tipos:
o Bases púricas: adenina y guanina.
o Bases pirimidínicas: citosina, timina y uracilo.
TEMA 5: ÁCIDOS NUCLEICOS -1
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Los ácidos nucleicos se clasifican atendiendo a su composición química:
ADN
PENTOSA
BASES
PÚRICAS
BASES
PIRIMIDÍNICA
S
Beta-D 2 desoxirribofuranosa
Guanina
Adenina
Citosina
Timina
-
ARN
Beta-D- ribofuranosa
Guanina
Adenina
Citosina
Uracilo
El descubrimiento de la estructura molecular del ADN por Watson y Crick en
1953, permitió abrir el campo del conocimiento de los fenómenos biológicos a nivel
molecular y de hecho marcó el comienzo de una nueva forma de estudio en la
Biología que se ha denominado Biología Molecular.
La secuencia de nucleótidos constituye un lenguaje cifrado que contiene la
información genética, es decir las normas para la organización y funcionalidad del ser
vivo. Además, el ADN tienen capacidad de autoduplicación lo que permite que cada
nuevo organismo herede la información genética a través de la molécula de ADN.
Ampliación:
El ADN fue aislado por primera vez por el bioquímico suizo Friedrich Miescher,
en 1869, a partir de pus humano. Miescher estaba trabajando en la composición
química de las células, y en especial del núcleo. Buscó células que tuvieran el núcleo
bien desarrollado y encontró que los glóbulos blancos eran un buen material para sus
investigaciones.
Eran tiempos anteriores al descubrimiento de la penicilina y los antibióticos de
forma que era fácil obtener glóbulos blancos a partir de la pus de las heridas
infectadas y cada mañana, Miescher acudía a la clínica local y recogía todos los
vendajes empapados en pus. A partir de este material consiguió aislar la sustancia del
interior del núcleo a la que llamó nucleína. También comprobó su carácter ácido.
Mucho más tarde se llamó ácido nucleico.
Miescher también consiguió aislar las protaminas a partir de las células de
esperma del salmón del Rhin.
TEMA 5: ÁCIDOS NUCLEICOS -2
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2. NUCLEÓTIDOS
Los nucleótidos son los monómeros de los ácidos nucleicos, pero además
cumplen importantes funciones en los seres vivos.
Un nucleótido es una molécula constituida por tres componentes: una pentosa,
un ácido fosfórico y una base nitrogenada. La pentosa y la base nitrogenada se
enlazan mediante un enlace N-glucosídico que se establece entre el N1 de la base
si ésta es pirimidínica o el N9 si la base es púrica y el carbono 1´ de la pentosa. En la
condensación se libera una molécula de agua y el compuesto que resulta se llama
nucleósido. Los nucleósidos sólo existen como producto de degradación de los
nucleótidos.
Para nombrar los nucleósidos se asigna el sufijo -osina al nombre de la base
púrica (adenosina o guanosina) y el sufico -idina si la base es pirimidínica (timidina,
citidina y uracidina). Si la pentosa es la desoxirribosa se añade el prefijo desoxi-. Por
cada base nitrogenada se pueden formar, por tanto, dos nucleósidos distintos: el que
lleva ribosa y el que lleva desoxirribosa.
En los nucleótidos el nucleósido queda unido al ácido fosfórico mediante un
enlace de tipo éster. Se realiza entre un -OH cualquiera del ácido fosfórico y el -OH
del carbono 5` o 3` de la pentosa. Este enlace que se forma con liberación de una
molécula de agua se denomina éster fosfórico.
Según la pentosa que contengan, los nucleótidos pueden ser: ribonucleótidos y
desoxirribonucleótidos. A su vez cada nucleótido puede llevar una, dos o tres
moléculas de ácido fosfórico por lo que se pueden formar series de tres tipos de
nucleótidos por cada nucleósido. Por ejemplo, para el nucleósido de adenina
(adenosina) se pueden formar el adenosín monofosfato o AMP; el adenosín difosfato
o ADP y el adenosín trifosfato o ATP. (Fórmulas de bases, nucleósidos y nucleótidos en transp).
Los nucleótidos en las células cumplen funciones muy importantes:
Los nucleótidos di y trifosfato actúan como sustancias precursoras en la
síntesis enzimáticas de los ácidos nucleicos. Estas sustancias pierden sus
grupos fosfato convirtiéndose en NMP y al encadenarse unos a otros mediante
los enlaces con el ácido fosfórico, forman cadenas de polinucleótidos que
darán lugar a los ac. nucleicos.
El ATP es un transportador de fosfato en muchas reacciones enzimáticas en
las que se requiere la fosforilación de una sustancia para obtener energía. Por
ejemplo, la glucosa para degradarse y obtener de ella toda la energía que
contiene, el primer paso necesario es la fosforilación que se realiza mediante
una molécula de ATP que pasa a ADP.
Aunque el sistema ATP--->ADP es el principal para la transferencia de grupos
fosfato, los demás nucleótidos también actúan en diversas rutas metabólicas.
TEMA 5: ÁCIDOS NUCLEICOS -3
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Los enlaces éster entre las moléculas de ac. fosfórico de los nucleótidos di y tri
fosfato son enlaces de alta energía. (Estos enlaces son tan fuertes porque tienen que
-
superar la fuerte repulsión electrostática que se genera entre las cargas (o ) de los grupos
fosfato). Esta característica es aprovechada en el metabolismo celular y así
cuando se produce el paso de ATP a ADP y de ADP a ANP, además de
separarse un grupo fosfato que pasa al sustrato, se cede una cierta cantidad
de energía que no se pierde porque es aprovechada para la formación de un
enlace de alta energía entre el sustrato y el ac. fosfórico, de esta forma el
sustrato queda activado con el nivel energético necesario para que se
produzca la auténtica reacción enzimática.
De forma inversa cuando en un proceso catabólico se libera energía, no se
desperdicia ni se pierde sino que es aprovechada para formar un enlace de
alta energía formándose un ATP a partir de ADP.
De esta forma la célula dispone de un sistema para almacenar al energía
química y poder disponer de ella en los procesos en los que se requiera.
La energía contenida en el ATP va a ser utilizada para muy diversos fines:
síntesis de sustancias, producción de calor, transmisión nerviosa, transporte
activo a través de las membranas celulares, contracción muscular, etc.
Aunque el ATP es la principal moneda energética a nivel celular, otros
nucleótidos, como el GTP, actúan en algunos procesos metabólicos de igual
forma que el ATP.
Algunos nucleótidos no nucleicos, (que no forman parte de los ácidos
nucleicos), funcionan como coenzimas, por ejemplo NAD, NADP, FAD, etc.
Todos estos actúan en las reacciones de oxidación-reducción. Actúan
+
asociadas a las deshidrogenasas de forma que las enzimas arrancan H y e al
sustrato (lo oxidan) y las coenzimas los captan quedando reducidas a
NADH+H, NADPH+H Y FADH2. De forma inversa pueden actuar provocando la
reducción del sustrato y quedando las coenzimas reducidas.
El AMPc se forma a partir del ATP en el interior de las células. Actúa como
mediador de muchos mensajeros extracelulares,
como
hormonas,
neurotransmisores,
prostaglandinas, etc. Una vez captados estas
moléculas mensajeras a través de receptores de
membrana, el AMPc provoca una serie de
reacciones en cadena que permiten a la célula
elaborar una respuesta frente al estímulo captado,
por ejemplo, la secreción , la contracción
muscular, la modificación del metabolismo, etc.
Ampliación:
Los nucleótidos trifosfato y difosfato (NTP y NDP) actúan como transportadores de
determinadas sustancias sillares para la fabricación de macromoléculas. Por ejemplo, el UDP
es el transportador de la glucosa durante la síntesis del glucógeno.
El coenzima A incluye un nucleótido (ADP) en su molécula.
TEMA 5: ÁCIDOS NUCLEICOS -4
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3. ÁCIDO DESOXIRRIBONUCLEICO (ADN).
Composición Química, Estructura Y Propiedades
Composición química
El ADN es una macromolécula polimérica formada por desoxirribonucleótidos
de adenina, guanina, citosina y timina, unidos mediante enlaces fosfodiéster entre el
carbono 5! de un nucleótido y el carbono 3! del siguiente y anterior. El grupo fosfato
forma por tanto un puente entre un nucleótido y el siguiente.
Estructura
En la mayoría de los organismos la molécula de ADN es bicatenario pues está
formada por dos cadenas de polinucleótidos unidas entre si mediante puentes de H.
En algunos virus, el ADN es monocatenario pues está formado por una sola hebra.
En la mayoría de los organismos el ADN es lineal, pero en las bacterias el ADN es
circular, es decir, sin extremos, con una continuidad en la molécula. La estructura
molecular del ADN se organiza en niveles, se distinguen la estructura 1ª, 2ª, 3ª y 4ª.
Estructura primaria del ADN
Se refiere a la secuencia de bases nitrogenadas, es decir a la naturaleza de las
bases que forman las cadenas de polinucleótidos y al orden en que se encuentran
dichas bases. En la estructura primaria se considera al ADN formado por un eje o
cadena esquelética formada por la sucesión de ácido fosfórico y beta-D desoxirribosa
que es común en todas las clases de ADN al que se superpone una secuencia de
bases nitrogenadas.
El eje que soporta la secuencia de bases está unido mediante el grupo fosfato
que establece uniones covalentes llamadas fosfodiéster entre un nucleótido y el
siguiente. La cadena tiene un extremo 5´ que se refiere al extremo de la cadena que
tiene el C5´ sin esterificar por el ácido fosfórico y el extremo 3´ que se refieres al
extremo de la cadena que tiene el C3´ libre y sin unirse al grupo fosfato.
El ADN está formado por un número muy elevado de nucleótidos (en el
hombre 3.200 millones pb) y las bases pueden combinarse de cualquier forma
posible, por tanto, el número de ADNs diferentes que pueden formarse son infinitos y
la secuencia de las bases encierra una información que es precisamente la
información genética.
El análisis químico de ADN de distintos individuos de una misma especie
revela una gran similitud en las secuencias de bases, se debe a que las
características morfológicas y fisiológicas son muy similares y por ello el mensaje
genético de los individuos es muy similar. Lógicamente, cuanto más separadas
evolutivamente están dos especies más diferente son sus secuencias de ADN.
TEMA 5: ÁCIDOS NUCLEICOS -5
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Estructura secundaria del ADN
El descubrimiento de la estructura molecular del ADN se debe a dos
investigadores, James Watson y Francis Crick que en 1953 propusieron su modelo de
la doble hélice. Este descubrimiento supuso un hito en la historia de la biología y de la
investigación científica pues abrió las puertas de la Biología Molecular. Recibieron el
premio Nóbel en 1961.
El conocer la estructura del ADN abría el camino hacia la comprensión de los
mecanismos que regían la herencia biológica, a partir de entonces se podría
comprender los mecanismos por los cuales el ADN almacena la información genética,
los proceso mediante los que se transmite esa información genética de forma
inalterable de padres a hijos y de qué forma se traduce esa información para llegar a
formarse un individuo similar a los progenitores. Desde entonces, la Bioquímica y la
Genética Molecular fueron las ciencias reinas de la investigación científica.
El descubrimiento de la estructura del ADN fue una carrera de acontecimientos
que culminó con la exposición del modelo propuesto por Watson y Crick, pero los
descubrimientos previos fueron de suma importancia :
A. Investigaciones de Chargaff (1950)
Chargaff (austríaco, trabajando en la universidad de Columbia) se dedicó al estudio
químico del ADN. Analizó la composición química del ADN procedente de muy
diversas células de animales y vegetales y obtuvo enormes cantidades de datos
referentes a las proporciones de bases nitrogenadas.
Con todos los datos pudo deducir las siguientes conclusiones:
* La proporción relativa de las cuatro bases presenta gran variabilidad entre los
individuos de diferentes especies, sin embargo las proporciones son muy
similares entre individuos de la misma especie.
* En todos los ADN estudiados, se cumple que la cantidad total de adenina es
igual a la cantidad total de timina y de la misma manera la proporción de
guanina es igual a la de citosina. Esta relación se llamó principio de
equivalencia de las bases nitrogenadas. A=T y C=G. También se puede
expresar de otra forma A/T=1 y C/G=1.
* Como se puede deducir del punto anterior, la proporción de bases púricas es
igual a la proporción de bases pirimídinicas. Es por tanto la relación A+T/C+G
lo que distingue los ADN de las diferentes especies siendo más similares
cuanto más emparentadas filogenéticamente estén las especies entre sí.
Chargaff estuvo en Cambridge y conoció a Watson y Crick en una cena que ofreció
un amigo científico común (John Kendrew, que trabajaba en el Cavendish en la
mioglobina). Chargaff estaba considerado por aquel entonces el bioquímico más
experto de ADN del mundo y Watson y Crick le preguntaron sobre sus experimentos.
Les contó sus resultados químicos y tras la conversación, Chargaff llegó a la
conclusión de que aquellos dos locos no tenían ni idea de lo que estaban haciendo y
estaban muy lejos de ningún descubrimiento.
TEMA 5: ÁCIDOS NUCLEICOS -6
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B. Investigaciones de Linus Pauling (Premio Nóbel de química 1954 por descubrir la
hélice alfa en proteínas. Premio Nóbel de la Paz en
1964 por su oposición a la bomba nuclear).
Antes de dedicarse al estudio del ADN, Pauling había estudiado las proteínas y
había descubierto que los enlaces con puentes de hidrógeno servían para estabilizar
la estructura secundaria de las proteínas. En definitiva, Pauling era en los años 50 un
bioquímico de excelente reputación pues había descubierto la estructura molecular en
hélice alfa de las proteínas y trabajaba en uno de los laboratorios más importantes del
mundo : el CalTech de Estados Unidos. (Instituto de tecnología de California).
Pauling, como otros científicos, comprendió que la clave de la herencia
biológica estaba en el ADN y que por tanto, era imprescindible descifrar su estructura.
Dejó las proteínas y se centró en el estudio de la estructura del ADN utilizando el
mismo método que tan buenos resultados le había dado con las proteínas. Es decir,
construyendo modelos moleculares que se ajustaran a las mediciones y datos que se
obtenían mediante fotografías de rayos X en moléculas de ADN cristalizado.
La investigaciones americanas sobre la molécula del ADN eran dirigidas por él.
Tenían numerosos datos, aunque sus fotografías de rayos X no eran muy buenas.
Pauling fue el primero en proponer un modelo de estructura del ADN. En ese modelo,
el ADN estaba formado por tres cadenas que se mantenían unidas por puentes de H
que se establecían entre los H de los fosfatos que no estaban ionizados. Datos
experimentales de otros científicos, entre ellos de Watson y Crick, desecharon ese
modelo ya que el ADN es un ácido fuerte precisamente porque los grupos fosfato
+
liberan los H al medio.
Watson y Crick recibieron la noticia de la estructura propuesta por Linus
Pauling antes que el resto del mundo científico, porque Linus mandó, primero una
carta asegurando que había encontrado la estructura y después un borrador del
modelo, a su hijo Peter que casualmente compartía el despacho con Watson y Crick.
Con la primera carta, ellos sintieron esto: “Cierta tarde de mediados de diciembre, Peter entró
en el despacho sonriente, se sentó y puso sus pies sobre la mesa. En su mano llevaba una carta de
Estados Unidos que había recogido en Peterhouse, después del almuerzo. Era de su padre. Además de
los habituales asuntos familiares, le comunicaba la temida noticia de que había encontrado ya una
estructura para el ADN. Lunus no facilitaba ningún detalle de lo que se proponía hacer, de modo que
Francis y yo sentimos aumentar nuestra frustración...”
Y con el borrador: “Francis y yo escudriñábamos la copia que Peter nos llevó después de comer. Al
cruzar la puerta, el rostro de Peter daba a entender que había novedades importantes. Sentí un vacío en
el estómago. Sabía que todo estaba perdido. Viendo que ni Francis ni yo podíamos soportar por más
tiempo la tensión, nos dijo en seguida que el modelo era una hélice de tres cadenas, con los enlaces
azúcar-fosfato en el centro...”
Examinan minuciosamente el modelo y comprueban que hay errores graves
que hacen incompatible el modelo con los datos experimentales, y concluye Watson:
“... Entonces empecé a sentirme más tranquilo, pus sabía que aún continuábamos en el juego.”
TEMA 5: ÁCIDOS NUCLEICOS -7
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Linus Pauling después de la guerra se convirtió en un militante pacifista y luchó
de forma activa en contra de las pruebas nucleares. Pasó a ser un ente subversivo
para el gobierno de los EEUU que le retiró el pasaporte y le prohibió viajar. Esto, le
impidió asistir a los congresos internacionales que se celebraron en Londres en
donde los científicos ingleses, más avanzados en las técnicas de difracción de rayos
X, iban exponiendo sus logros científicos. Como reconocieron Watson y Crick, si
hubiera podido ver las fotografías de difracción de rayos X del grupo inglés, Pauling
hubiera obtenido la estructura “a más tardar en una semana”.
Pauling, demostró su gran categoría científica y humana siendo el primero en felicitar
a los dos jóvenes investigadores por su solución imaginativa a la estructura del ADN.
El método de trabajo mediante modelos moleculares, muchos datos sobre la
química de los puentes de hidrógeno y otros datos químicos fueron aportaciones
importantes de Linus Pauling que Watson y Crick supieron comprender y aprovechar.
Otros químicos del propio Cavendiih ayudaron a Watson y Crick con sus
aportciones: John Griffith les habló de las fuerzas de atracción entre las bases y les
dijo cuáles podían ser complementarias; Jerry Donohue les ayudó con las formas
tautoméricas de las bases, etc.
Linus Pauling con sus modelos atómicos
TEMA 5: ÁCIDOS NUCLEICOS -8
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C. Investigaciones de Maurice Wilkins y Rosalyn Franklin
Trabajaban en el King`s College de Londres. Sus investigaciones tuvieron un
peso tan fundamental en el descubrimiento de la estructura del ADN que Wilkins
compartió el Nóbel con Watson y Crick en 1961.(R. Franklin murió de cáncer en 1958).
Su método consistió en la realización y estudio de las fotografías de difracción
de rayos X hechas sobre ADN cristalizado. Este método se basa en la propiedad que
tienen los átomos de cualquier sustancia de desviar un haz de rayos X. La técnica
consiste en bombardear una sustancia con rayos X de manera que queda
impresionada una placa por los haces desviados por los átomos, produciendo una
serie de puntos y líneas características. Cada punto representa un haz desviado por
un grupo de átomos . Estudiando las distancias entre puntos, los ángulos que forman,
etc, se puede llegar a deducir las posiciones relativas de los átomos de una molécula.
Por ejemplo, de la fotografía obtenida del ADN se obtiene la siguiente
información:
La cruz discontinua del centro se forma siempre que la molécula tiene
estructura helicoidal.
Las regiones oscuras de los extremos son producidas por las bases
nitrogenadas y sugieren que las bases están muy próximas entre si y situadas
perpendicularmente al eje de la hélice.
El diámetro de la molécula es constante e igual a 20 Amstrong.
La estructura de la molécula es repetitiva,. Se producen repeticiones cada 3,4
A (que corresponde a la distancia entre un par de bases enfrentadas y el
siguiente par) y repeticiones cada 34 A que corresponden a una vuelta
completa de la hélice.
El ADN está formado por más de una cadena helicoidal.
Watson y Crick trabajaban en Cambridge y siempre tuvieron información de primera
mano de los sucesivos descubrimientos que se iban realizando en el King´s. Al
principio, M. Wilkins y R. Frankin compartían con ellos sus hallazgos por el placer de
hablar con otros científicos, pero cuando Watson y Crick propusieron un primer
modelo estructural, los llamaron para que lo vieran . Aquel modelo fue muy criticado
por Rosalyn, pero desde entonces el equipo de Londres fue más reacio a darles
información gratuita. Aún así supieron conseguirla utilizando ciertas mañas:
TEMA 5: ÁCIDOS NUCLEICOS -9
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“...Además, cada vez le era más difícil a Maurice apartar de su mente a su ayudante, Rosalind Franklin.
No era que estuviese enamorado de Rosy, como nosotros la llamábamos; todo lo contrario. Casi desde
el mismo momento en que llegó al laboratorio de Maurice (Wilkins), empezaron a contrariarse
mutuamente. Maurice, un principiante en el trabajo de difracción de los rayos X, necesitaba alguna
ayuda profesional y confiaba en que Rosy, experta cristlógraja, pudiera ayudarle en sus investigaciones.
Sin embargo, Rosy no veía la situación de esta manera. Pretendía que el ADN era problema suyo y no
se consideraba como ayudante de Maurice. Sospecho que al principio Maurice esperaba que Rosy se
pacificaría. No obstante, bastaba con jijarse en ella para saber que no se doblegaría con facilidad...”
Como se desprende de este párrafo, Wilkins y Franklin se llevaban realmente mal y a
medida que avanzaba el tiempo, su relación fue empeorando hasta el punto de que
no se comunicaban el uno al otro los descubrimientos que hacían. Francis y James,
estaban muy interesados en el ADN y servían de válvula de escape a los otros dos.
Tanto él como ella les contaban sus descubrimientos por el placer de compartirlos
con alguien que les comprendiera y ante la frustración de no poder contárselo a su
compañero más próximo. Y Watson y Crick supieron aprovechar muy bien esta
situación:
“...Mientras caminábamos por el pasillo, le conté a Maurice cómo su inesperada aparición había
impedido tal vez que Rosy me atacara... Unos meses antes, él mismo había sido objeto de una
embestida similar...Mi encuentro con Rosy abrió el corazon de Maurice hasta un grado que yo no había
previsto...Luego me comunicó la noticia más importante: desde mediados del verano, Rosy había
descubierto una nueva forma tridimensional de ADN. Obtuvo imágenes con rayos X de esta nueva
forma...Al preguntar yo cómo eran tales imágenes, .Maurice entró en la estancia contigua para coger una
copia de la nueva forma...En cuanto vi la fotografía, quedé boquiabierto y se me aceleró el pulso. La
figura resultaba incríblemente más sencilla que las obtenidas con anterioridad.”
Rosalyn Franklyn se perdió en sus datos cristalográficos, se empeñó en que la
estructura no era helicoidal y se negó a hacer modelos moleculares solo porque se lo
proponía Wlikins. Todos estos problemas impidieron al equipo de Londres ver la
solución que tenían tan cerca.
D.
Investigaciones de Watson y Crick.
TEMA 5: ÁCIDOS NUCLEICOS -10
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Watson y Crick trabajaban en el prestigioso laboratorio Cavendish de
Cambridge. Nada más encontrarse, se dieron cuenta de que compartían la misma
pasión por el ADN y que los dos estaban dispuestos a dedicar sus esfuerzos a la
consecución de un objetivo común que era encontrar la estructura molecular del ADN.
Pero el Cavendish no tenía fondos económicos para la investigación de los
ácidos nucleicos. El Reino Unido acababa de salir de la 2ª Guerra Mundial y tenía que
reconstruir un país que había quedado empobrecido por la contienda. Los
presupuestos dedicados a la investigación eran muy limitados y no se podían permitir
el lujo de desdoblar los fondos de una línea de investigación en dos laboratorios
diferentes. Oficialmente, el King´s College era el encargado de la investigación del
ADN y el Cavendish se dedicaba a las proteínas. Había además una especie de
“pacto entre caballeros” por el cual los investigadores no se inmiscuían en las
investigaciones de otros. El problema fue que ni Crick y menos aún Watson eran
caballeros.
El empeño y la obsesión de Watson y Crick por el ADN era tan grande que
trabajaron en sus horas libres, en cenas, en almuerzos y cada vez que tenían un rato
para estar juntos. De igual forma, se repartieron el trabajo de hacer visitas al King`s
College para estar al tanto de las investigaciones de Wlikins y Franklin, de ir a los
congresos internacionales, etc. Trabajaron apenas sin dinero, en unos locales viejos y
en desuso que se les cedió y al principio tuvieron que hacer los modelos moleculares
con cartulina o añadiéndoles alambre para alcanzar el tamaño que necesitaban.
Francis Crick
James Watson
Pero, muy fundamental fue que Watson y Crick conocieron el avance de todas
las investigaciones del ADN de primera mano. Y a su vez hicieron otras
investigaciones con modelos moleculares que les permitió finalmente descubrir la
estructura secundaria del ADN. Watson y Crick no eran expertos en ninguna de las
áreas científicas que estaban implicadas en los datos sobre el ADN. Pauling y
Donohue sabían más que ellos sobre esteroquímica y modelos moleculares y sobre el
establecimiento de puentes de hidrógeno; Rosalyn Franklin era mejor cristalógrafa,
Chargaff entendía mejor las relaciones entre las bases, etc. Pero ellos tenían una
TEMA 5: ÁCIDOS NUCLEICOS -11
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gran preparación en lo referente a bioquímica y cristalografía y disponían de una
información de primera mano sobre los avances en los distintos campos de la
investigación del ADN. Su genialidad estuvo, primero en saber aunar los esfuerzos de
dos mentes muy bien preparadas y muy inteligentes y en segundo lugar, en saber
controlar la globalidad, no se perdieron en datos concretos sino que consiguieron ver
por encima de los detalles sin perderse en ellos para controlar la globalidad de los
datos.
Premios nóbel de 1962:
Medicina: J. Watson, F. Crick y
Maurice Wilkins. (ADN)
Química: Max Perutz, (por la
estructura de la hb) John
Kendrew (por la mioglobina) y
John Steinbeck
Literatura: Johm Steinbeck
TEMA 5: ÁCIDOS NUCLEICOS -12
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Estas son las características principales de la molécula del ADN, que Crick y Watson
llamaron la doble hélice:
La molécula de ADN está constituida por dos cadenas de polidesoxirribonucleótidos
de adenina, guanina, citosina y timina, enrollados helicoidalmente alrededor de un eje
común imaginario y central. Las dos cadenas quedan enfrentadas de manera que las
bases de adenina siempre quedan enfrente de las de timina y las de guanina se
enfrentan a las de citosina. A las bases que se enfrentan se les llama
complementarias y su unión es posible gracias a los puentes de H. Entre la adenina
y la timina se establecen dos puentes de hidrógeno y entre citosina y guanina se
forman tres. Los múltiples puentes de H permiten la cohesión entre las dos cadenas y
proporciona estabilidad a la molécula.
El plano que forman las bases nitrogenadas complementarias siempre es
perpendicular al eje esquelético que forma la sucesión de ac. fosfórico y desoxirribosa
y quedan situadas hacia el interior de la hélice. Empleando el ejemplo puesto por
Watson y Crick diríamos que la molécula de ADN puede compararse a una escalera
en la que los largueros están formados por la sucesión de ácido fosfórico y
desoxirribosa y los peldaños serían las bases enfrentadas. Luego, toda esa escalera
estaría enrollada a modo de escalera de caracol.
El enrollamiento de la hélice es dextrógiro, se enrolla en el mismo sentido que el
sentido de giro de las agujas del reloj.
Para que el enfrentamiento de las bases complementarias sea el más idóneo para
permitir la formación de los puentes de H, es preciso que las dos cadenas que forman
la molécula del ADN queden en antiparalelo, es decir deben estar situadas en
direcciones opuestas dentro de la estructura de la doble hélice. Así, si en una cadena
el ac. fofórico empieza esterificando el carbono 3! del primer nuleótido (dirección 3!->5!), en la otra cadena el primer ac. fosfórico debe esterificar al carbono 5! del primer
nucleótido (dirección 5!-->3!).
-
La doble hélice cumple unos parámetros fijos en todos los organismos:
Cada par de bases está separado del anterior o del siguiente por una distancia de 3,4
Amstrong.
Una vuelta de hélice completa mide 34 Amstrong que equivale a 10 nucleótidos.
El diámetro de la hélice es constante e igual a 20 Amstrong.
La secuencia de bases no tiene ninguna restricción, las bases pueden
combinarse de cualquier forma y por tanto este modelo ofrece la unidad y diversidad
imprescindible en cualquier molécula que sea el material hereditario. La uniformidad
del modelo porque es prácticamente universal y diversidad por las infinitas secuencias
de bases que puede tener.
Watson y Crick al proponer su modelo sugirieron la posibilidad de que el ADN
pudiera ser una molécula original molde para formarse dos nuevas copias hijas. Si
cada una de las dos cadenas que forman la dobles hélice en algún momento de la
vida celular, se separan, cada una de ellas podría servir de molde para la síntesis de
una nueva cadena complementaria. De este modo la información genética codificada
en la secuencia de bases puede transmitirse fielmente.
TEMA 5: ÁCIDOS NUCLEICOS -13
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Estructura terciaria del ADN
Si estirásemos la doble hélice de un cromosoma humano, podría alcanzar una
longitud de aproximadamente 5 cms, podemos deducir que la estructura secundaria
del ADN debe replegarse para así tener menor tamaño y que quepa en la célula.
En los cromosomas de las células
somáticas el ADN se enrolla con dos vueltas
alrededor de moléculas de proteínas llamadas
histonas constituyendo una unidad básica de
plegamiento denominado nucleosoma. Los
diferentes nucleosomas aparecen unidos por
segmentos de ADN bicatenario dando lugar al
modelo de la estructura tridimensional del
nucleosoma llamado collar de perlas. El collar de
perlas se enrolla sobre sí mismo dando lugar
finalmente a una fibra. La fibra cromatínica es el
grado de empaquetamiento que presenta el ADN
cuando la célula se encuentra en interfase y el
núcleo contiene en su interior la cromatina.
Cuando la célula entra en mitosis, la
cromatina se empaqueta aún más, sufriendo
sucesivos empaquetamientos que conducen a la formación de los cromosomas..
En las células procarióticas el ADN está asociado a un pequeño número de
proteínas que desempeñan una función importante en el empaquetamiento de la
región del nucleoide. Una doble hélice circular de ADN se empaqueta formando una
superhélice que formando bucles da lugar al cromosoma bacteriano.
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Propiedades del ADN
La desnaturalización del ADN fue una de las primeras pruebas que se hicieron
para demostrar la complementariedad de bases. Cuando el ADN se calienta a
temperaturas próximas a 100ºC, se produce la separación de las dos cadenas que
forman la molécula del ADN. Se dice que se ha desnaturalizado. Este proceso
también puede producirse mediante adicción de bases o ácidos, es decir variando el
pH. En ambos caso la desnaturalización se debe a la rotura de los puentes de
hidrógeno ya que los enlaces N-glucosídicos y fosfodiester permanecen estables.
La desnaturalización se produce a cierta temperatura, pero se llama
temperatura de fusión (Tm) a aquella en la que el 50% de la doble hélice está
separada. La temperatura de fusión depende de la proporción de bases que tenga
cada ADN concreto. Como las bases citosina y guanina forman 3 puentes de
hidrógeno, cuanto mayor sea el contenido de C+G de un ADN más estable será la
molécula y por tanto más elevada será su temperatura de fusión.
Si una solución de ADN se enfría lentamente puede renaturalizarse y volverse
a construir la doble hélice o al menos parte de ella. Esta característica permite formar
moléculas de ADN híbrido al enfriar lentamente moléculas de ADN de diferentes
especies. por ejemplo, si se utiliza ADN de un ratón y adn humano se forma un ADN
híbrido en un 25% lo que indica que el 25% de los genes de estas dos especies son
iguales. Este método se está utilizando para estudiar la similitud genética entre
representantes de distintos grupos taxonónicos. Un dato que puede resultarnos
curioso es que el mono chimpancé (Pan paniscus) es nuestro pariente más cercano y
presentamos un 95% de material genético común.
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4.- ÁCIDOS RIBONUCLEICOS (ARN)
Los ARN son moléculas formadas por ribonucleótidos de adenina, guanina,
citosina y uracilo unidos mediante enlaces fosfodiéster entre el carbono 5! de un
nucleótido y el carbono 3! del siguiente. Los ARN frecuentemente presentan además
nucleótidos formados con otras bases nitrogenadas que no son las cuatro citadas, a
menudo son bases metiladas como la metilguanina, metilcitosina etc.
La mayoría de los ARN son moléculas monocatenarias aunque por lo general
poseen fragmentos que presentan doble hélice al haberse unido por
complementariedad las bases de una misma cadena. En algunos organismos como
los Reovirus aparece como material hereditario un ARN bicatenario. El ARN, tanto en
las células procarióticas como en las eucarióticas, es de 2 a 7 veces más abundante
que el ADN.
Hay diferentes tipos de ARN que se clasifican atendiendo a la función que
realizan en las células, su composición y la localización en la célula: ARN mensajero,
transferente, ribosómico y heterógeno-nucleolar.
4.1.- ARN MENSAJERO (ARNm)
El ARNm constituye aproximadamente el 5% del ARA total de la célula
eucariótica. Contiene unos 5.000 nucleótidos y tiene las bases características,
raramente aparecen bases extrañas en la composición. Una característica común a
todos los ARNm es que presentan unos 200 restos de Adenina en 3´terminal.
Los ARNm son moléculas largas, lineales que no tienen estructura secundaria.
Cada molécula de ARNm se sintetiza en el núcleo durante un proceso llamado
transcripción que consiste en la síntesis de un ARNm siguiendo las instrucciones de
un fragmento de ADN (gen), de manera que la información contenida en la secuencia
de bases del ADN pasa a estar contenida en el ARNm sintetizado por
complementariedad de bases.
Ej: ADN: G_C_A_T_A_A_T_G_G_C_G_A
ARNm: C_G_U_A_U_U_A_C_C_G_C_U
El ARNm una vez formado saldrá por los poros de la membrana nuclear hasta
el citoplasma donde se unirá a los ribosomas y servirá de molde para la síntesis de
una proteína, por tanto el ARN hace de "mensajero" llevando la información genética
del ARN desde el núcleo hasta el citoplasma.
Poco después de la síntesis el ARNm es destruido, es decir tiene una vida muy
corta, en las células procarióticas apenas unos minutos, y en las células eucarióticas
entre horas y días, se degrada inmediatamente después de ser utilizado.
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4.2.- ARN TRANSFERENTE (ARNt)
Los ARN de transferencia son pequeñas moléculas que contienen 75-90
nucleótidos y de peso molecular de unos 25.000.
Constituyen el 15% del total del ARN. En su composición son frecuentes la aparición
de bases nitrogenadas raras que muchas veces son bases metiladas, por ejemplo la
spseudouridilina, ribotimidina, inosina, etc... Estas bases llegan a constituir el 10% del
total de las bases. Aproximadamente aparecen entre 7 y 15 bases raras en cada
molécula.
Todos los ARNt tienen una estructura secundaria característica denominada
hoja de trébol. Algunas características comunes a todos los ARNt son:
. El extremo 5´es siempre un nucleótido de guanina. En el extremo 3´ aparece
una secuencia constante :CCA. Este lugar corresponde al lugar de unión del
ARNt con el aminoácido.
. Existen zonas de apareamiento de bases que forman 3 bucles o lazos y un
brazo de longitud variable. En uno de los bucles se sitúa el anticodon. Es una
secuencia de tres bases que tiene la función de unirse al ARNm mediante
complementariedad de bases. Otro brazo se denomina brazo T y corresponde
al lugar de fijación del ARNt al ribosoma. En tercer brazo o brazo D existe una
secuencia de reconocimiento por parte de la enzima característica y es por ello
el lugar por el que el ARNt se une a la enzima aminoacilsintetasa que se
encargará de formar los enlaces peptídicos entre los aminoácidos.
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El ARNt se llama así porque es la molécula encargada de transportar los
aminoácidos individualmente y específicamente desde distintos lugares del
citoplasma hasta los ribosomas en los que se está realizando la síntesis de proteínas.
Cada ARNt tiene un triplete o conjunto de tres bases en uno de los extremos, esta
secuencia de tres bases es específica para cada molécula de ARNt y constituye el
anticodon. A su vez la secuencia del anticodon es complementaria con otra
secuencia de tres bases situada sobre el ARNm que se denomina codon. Cada ARNt
selecciona un aminoácido concreto del citoplasma y lo conduce hasta los ribosomas,
una vez allí se une al ARNm en el lugar específico que le corresponde por
complementariedad de bases entre el codon y el anticodon. El aminoácido
seleccionado por cada ARNt depende también de la secuencia del anticodon, por
ejemplo la secuencia GGU del anticodon del ARNt corresponde al aminoácido prolina
y sólo a él puede unirse.
GGU-CUU-GAA-AAU
Secuencia en el ARNm: CCA-GAA-CUU-UUA
En resumen, la función de LOS ARNt es unirse a los aminoácidos de forma
específicas u colocarlos sobre la cadena de ARNm en su lugar concreto. Una vez allí
su unión con la enzima aminoacilsintetasa permite la unión de los aminoácidos hasta
formar la cadena polipeptídica.
4.3.- ARN RIBOSÓMICO (ARNr)
Es el tipo de ARN más abundante en las células, constituye aproximadamente
entre el 70%-80% del total. Posee las cuatro bases principales: A, U, C y G, pero
frecuentemente aparecen también otras "raras". Se encuentra en los ribosomas
donde tienen una función estructural pues se unen a ciertas proteínas dando lugar a
la estructura de los ribosomas.
El ARNr tiene ciertos segmentos con estructura de doble hélice, pero en otras
zonas no llega a formar estructura secundaria.
Las formas de ARNr que aparecen se diferencian y clasifican por su velocidad
de sedimentación que depende del peso, forma y densidad de la molécula. Los ARNr
de las células procariotas y de las eucariotas son distintos.
Ampliación: ARN HETEROGENEO NUCLEOLAR (ARN hn)
Se localiza en el núcleo de las células. Es la molécula precursora del ARNm. Por transcripción
directa del ADN se forma un ARN hn que tras un proceso de maduración se transforma en ARNm. este
proceso de maduración consiste en la supresión de secuencias no codificantes. (Es decir, que no se
traducen en proteínas).
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5.- FUNCIONES BIOLÓGICAS DE LOS ÁCIDOS NUCLEICOS
El ADN desempeña dos funciones de gran importancia para los seres vivos:
El ADN es la molécula que contiene la información genética que en definitiva
es responsable de la ordenación de los aminoácidos de las proteínas. La
información contenida en el ADN tiene que descodificarse para poder ser
utilizada por la célula, y este proceso se lleva en dos etapas sucesivas:
Trascripción, mediante este proceso el ADN se transcribe a otra
molécula, que es el ARN mensajero que es una copia de un fragmento
del ADN.
Traducción, mediante la cual la información genética contenida en el
ARN m se lee en los ribosomas y se convierte en una secuencia de
aminoácidos, gracias al ARN transferente que coloca a cada aa en su
lugar correspondiente.
Replicación. El ADN es una molécula capaz de generar copias idénticas de sí
misma con la misma secuencia de bases que la molécula original. Gracias a
esta propiedad, cada célula puede originar células hijas que contienen la
misma información genética que la original. Y la información genética puede
transmitirse generación tras generación.
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