Ácidos Nucleicos y Nucleótidos: Concepto e Importancia Biológica

Los ácidos nucleicos son biomoléculas orgánicas muy complejas y grandes (macromoléculas), que contienen la información genética de las células, la expresan y la transmiten a la descendencia. Hay dos tipos de ácidos nucleicos: el ADN (ácido desoxirribonucleico) y el ARN (ácido ribonucleico).

Químicamente, son polímeros de nucleótidos.

Nucleótidos

Moléculas que los forman

Cada nucleótido está formado por la unión de tres moléculas:

• Pentosa: En forma cíclica (ribosa o desoxirribosa). Los átomos de carbono de la pentosa se numeran con primas (1´, 2´, etc.) para diferenciarlos de los átomos de las bases.
• Base Nitrogenada: Compuestos cíclicos con átomos de C y N. Hay dos tipos:
  • Púricas: Un ciclo hexagonal y otro pentagonal. Son: Adenina (A) y Guanina (G).
  • Pirimidínicas: Un ciclo hexagonal. Son: Citosina (C), Timina (T) (solo en el ADN), Uracilo (U) (solo en el ARN).
• Ácido Ortofosfórico (llamado generalmente ácido fosfórico), que puede estar ionizado como ion fosfato.

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Unión de las moléculas para formar el nucleótido

La formación del nucleótido implica dos tipos de enlaces:

• Enlace éster: Entre el fosfato y el -OH del C 5´ de la pentosa.
• Enlace N-glucosídico: Entre un N de la base y el -OH del C 1´ de la pentosa.

Por cada enlace se pierde una molécula de agua.

(Animación para ver la formación de un nucleótido.)

Formación de un nucleósido

Unión de la pentosa con la base nitrogenada.

Formación de un nucleótido

Unión al nucleósido del grupo fosfato.

Tipos de nucleótidos y sus funciones

La mayoría de los nucleótidos están unidos formando los polinucleótidos del ADN o del ARN. Sin embargo, algunos nucleótidos se presentan libres en la naturaleza y forman parte de otras moléculas que no son ácidos nucleicos, desempeñando funciones muy importantes en las células. Por tanto, podemos clasificar a los nucleótidos de la siguiente forma:

• Nucleótidos Nucleicos

  Forman parte de los ácidos nucleicos. Pueden ser desoxirribonucleótidos y ribonucleótidos. Función: Monómeros de ADN y ARN.

• Nucleótidos No Nucleicos

  No forman parte de los ácidos nucleicos, pero desempeñan importantes funciones celulares, tales como:

  • Acumuladores de energía: ATP (adenosín trifosfato) / ADP (adenosín difosfato).

    Los enlaces entre los fosfatos acumulan gran cantidad de energía. Cuando se rompen, liberan energía que la célula utiliza para sus necesidades. Para formarlos, es necesario suministrar energía. (El ATP se podría comparar con la batería del móvil cuando está cargada, mientras que el ADP sería la batería casi descargada).

  • Coenzimáticos: Participan como coenzimas en reacciones de óxido-reducción, transportando hidrógenos (FAD+/FADH₂), (NAD+/NADH + H+), (NADP+/NADPH + H+), o en otras reacciones, transportando grupos acilo (CoA-SH).
  • Señalizadores celulares: Como el AMP cíclico, que actúa como segundo mensajero entre las moléculas que llegan a la célula con un mensaje (pero no entran) y el interior celular.

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Polinucleótidos

Concepto: Unión de muchos nucleótidos mediante enlaces fosfodiéster. Hay dos tipos: ADN y ARN.

En una cadena de polinucleótidos se distinguen dos extremos: 5´ y 3´. El extremo 5´ es el que lleva el grupo fosfato libre, mientras que el 3´ es el que lleva el -OH de la pentosa libre.

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ADN (Ácido Desoxirribonucleico)

(En inglés, DNA).

Composición del ADN

Polinucleótido cuyos nucleótidos están formados por desoxirribosa, ácido fosfórico, y una base nitrogenada: A, T, C, G, nunca U.

Estructura del ADN

El ADN, al igual que las proteínas, presenta varios niveles de estructuración.

Estructura Primaria

Es la secuencia de nucleótidos que forman la cadena, es decir, el número y el orden en que se colocan las bases. Es propia de cada individuo. En ella va codificada la información para las características de cada individuo y el funcionamiento de sus células.

Estructura Secundaria: Doble Hélice de Watson y Crick

(Estudiada en el ADN del núcleo de células eucariotas).

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Datos en los que se basa el modelo

• Datos sobre la composición (Chargaff): Equivalencia de bases. Encontró que, en todos los ADN, se cumplía que A + G = T + C.
• Datos sobre la estructura: Obtenidos por difracción de rayos X (Rosalind Franklin y Maurice Wilkins). Las radiografías del ADN mostraban que había distancias cortas que se repetían y distancias más largas, también repetitivas.

Todos estos estudios permitieron a Watson y Crick desarrollar el modelo de la doble hélice del ADN en 1953. A pesar de la importancia de estos descubrimientos previos a su teoría, no reconocieron suficientemente la labor de sus colegas investigadores; las condiciones que como mujer tuvo que soportar en Cambridge y ciertas palabras despectivas de James Watson, hacen aparecer como un agravio la concesión del Premio Nobel de Fisiología o Medicina solo a Watson, Crick y Wilkins en 1962. Ella (Rosalind Franklin) había fallecido cuatro años antes víctima del cáncer, probablemente provocado por la elevada exposición a los rayos X a que se sometió en el transcurso de sus investigaciones.

Características de la doble hélice de ADN

• El ADN está formado por dos cadenas de polinucleótidos.
• Las cadenas son antiparalelas (el extremo 5´ coincide con el extremo 3´ y viceversa; en la práctica: están escritas al revés).
• Las cadenas son complementarias (frente a una T va una A, unidas por 2 puentes de hidrógeno, y frente a la G una C, unidas por 3 enlaces de hidrógeno).
• Las dos cadenas giran alrededor de un eje imaginario, formando una doble hélice. Forman a modo de una escalera de caracol, en la que el pasamanos estaría formado por la sucesión de pentosas y ácido fosfórico, y los peldaños serían las bases complementarias enfrentadas.
• El diámetro de la doble hélice es constante (2 nm, nanómetros); la distancia entre un par de bases y otro (o entre dos peldaños) es de 0,34 nm y de una vuelta a otra hay 3,4 nm.
• El giro es hacia la derecha (dextrógira).
• Es plectonémica (para que las dos cadenas se separen es necesario que se desenrollen antes).

La doble hélice propuesta por Watson y Crick no solo explicaba los datos conocidos hasta ese momento sobre el ADN, sino que permitía un mecanismo de copia (replicación) del ADN fácil, que ocurre siempre antes de que una célula se divida, para que las células hijas tengan el mismo ADN.

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(Estructura simplificada en modelo de escalera de mano.)

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Otras Estructuras (Terciaria, Cuaternaria…)

Hacen referencia al enrollamiento, en torno a proteínas, de las grandes moléculas de ADN, enrollamiento necesario para reducir espacio en la célula. (Hay que tener en cuenta que el ADN de los 46 cromosomas humanos de una sola célula, puestos uno a continuación de otro, mide unos 2 m de longitud y cabe en el núcleo celular, de apenas 5 µm de diámetro). Esto determina distintos niveles de empaquetamiento:

Primer Nivel: Fibra de Cromatina de 10 nm («Collar de Perlas»)

Se consigue al asociarse a histonas. Forman paquetes de 8 moléculas llamados octámeros envueltos por la fibra de ADN, formando una estructura llamada nucleosoma. Esto le confiere un aspecto de rosario o collar de perlas. Los nucleosomas quedan unidos por un fragmento de ADN llamado ADN espaciador. Así se encuentra formando la cromatina durante la interfase celular.

Este «collar de perlas» se pliega y enrolla sobre sí mismo formando estructuras y bucles que le permiten alcanzar un grado de empaquetamiento hasta 10.000 veces superior, dando lugar a los cromosomas, visibles durante la mitosis.

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Funciones del ADN

El ADN realiza las siguientes funciones:

1. Almacena la información genética de cada individuo. En la secuencia de bases, propia de cada individuo, se encuentra escrito el mensaje genético.
2. Expresa la información genética, ya que dirige el proceso de síntesis de proteínas que serán sintetizadas siguiendo las órdenes escritas en su secuencia de bases.
3. Transmite la información genética a las células hijas. Todas las células de un individuo tienen el mismo ADN. Antes de que una célula se divida, replica su ADN para formar dos copias idénticas, que van a parar a cada una de las células hijas. Esto es consecuencia de la estructura secundaria: la doble hélice se abre, a modo de una cremallera, y cada hebra sirve de molde para formar la complementaria, ya que siempre frente a la T va una A y frente a la G va una C.

(Dibujo esquemático de la replicación del ADN.)

Localización celular y tipos de ADN

Con la excepción de algunos virus que llevan su información en una molécula de ARN (Ej. el virus VIH-SIDA), los demás seres vivos llevan sus características escritas en la molécula de ADN.

• Células Procariotas (Bacterias): Tienen ADN bicatenario (dos cadenas de polinucleótidos) y circular, a modo de un anillo.

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• Células Eucariotas (con núcleo): Tienen ADN bicatenario y lineal en el interior del núcleo, formando los cromosomas; también hay ADN en los cloroplastos y en las mitocondrias.

Desnaturalización e Hibridación del ADN

Desnaturalización

Consiste en la ruptura de los puentes de hidrógeno entre las bases, separándose las dos cadenas del ADN. El proceso lo provoca:

• Un incremento de temperatura.
• La variación del pH.
• Cambios en las condiciones iónicas del medio.

Renaturalización e Hibridación

La desnaturalización del ADN es un proceso reversible (renaturalización); las dos hebras complementarias pueden volver a formar la doble hélice.

La renaturalización tiene como principal aplicación la hibridación, que consiste en poner en contacto dos ADN de distinta procedencia. La hibridación permite conocer el grado de relación genética o parentesco entre dos ADN. Cuanto mayor porcentaje de renaturalización se dé, más emparentados estarán los ADN. Esto se utiliza en:

• Medicina forense: para determinar si un sospechoso es culpable mediante su ADN.
• Pruebas de paternidad.
• Estudio de la evolución de las especies.
• Procesos de ingeniería genética.
• Diagnóstico de enfermedades genéticas. Para ello se utilizan sondas radiactivas, que son fragmentos de ADN monocatenarios, de secuencia conocida, que permiten la detección de fragmentos de ADN que son complementarios.

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ARN (Ácido Ribonucleico)

(En inglés, RNA).

Composición del ARN

Polinucleótido cuyos nucleótidos están formados por ribosa, ácido fosfórico y una base nitrogenada: A, U, C, G, nunca T.

Estructura del ARN

El ARN es casi siempre monocatenario (una sola cadena de polinucleótidos) y lineal, aunque en algunas ocasiones se pliegue sobre sí mismo.

Funciones del ARN

Es imprescindible en la expresión del mensaje genético (Síntesis de proteínas). El ARN actúa como el intermediario necesario para traducir la información genética contenida en el ADN en la síntesis de proteínas.

Tipos de ARN

Existen tres tipos básicos de ARN:

• ARN Mensajero (ARN-m)

  De estructura lineal, contiene la información, copiada de un gen de ADN, para sintetizar una proteína. Se forma en el núcleo celular, a partir de una secuencia de ADN. Sale del núcleo y se asocia a ribosomas, donde se construye la proteína. A cada tres nucleótidos (codón) corresponde un aminoácido distinto.

• ARN Ribosómico (ARN-r)

  Asociado a proteínas forma los ribosomas. Tiene estructura secundaria al autocomplementarse en algunas zonas.

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• ARN Transferente (ARN-t)

  Se ocupa de transportar los aminoácidos hasta los ribosomas donde se sintetizan las proteínas. Posee tres brazos que le dan apariencia de «hoja de trébol».

  En la parte inferior va el anticodón (tres bases complementarias al codón) y por uno de sus brazos se une a un aminoácido para transportarlo hasta el ribosoma, que es el orgánulo encargado de sintetizar la proteína.

Todos se forman a partir del ADN.

El Flujo de la Información Genética: Síntesis de Proteínas

La síntesis de proteínas, que es la traducción del mensaje genético, consiste en:

1. Transcripción

   Proceso por el que la información contenida en el ADN pasa a una molécula de ARN. Para ello, un gen de ADN (fragmento que lleva la información para la síntesis de una proteína) se abre, y una de las hebras sirve de molde para formar un ARN-m. En las células eucariotas el ARN-m abandona el núcleo y viaja al citoplasma, enganchándose a un ribosoma. En las procariotas se adhiere directamente al ribosoma.

2. Traducción

   Proceso en el que se van disponiendo los aminoácidos, transportados por el ARN-t en el orden que marca el ARN-m (en definitiva, el ADN, ya que el ARN-m es copia de un gen de ADN), hasta formar una proteína específica.

En Resumen

Los ácidos nucleicos, llamados así porque en un principio fueron localizados en el núcleo celular, son las moléculas de la herencia y, por lo tanto, van a participar en los mecanismos mediante los cuales la información genética se almacena, replica y transcribe.

El ADN es el portador de la información genética, por lo que debe pasar la información de la célula madre a las células hijas. Esta función por la que el ADN se duplica y forma dos moléculas idénticas, se denomina replicación.

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Además, el mensaje del ADN tiene que «traducirse» y realizarse en las células. Para ello es necesaria la actuación de otro ácido nucleico: el ARN. La función del ARN es colaborar en la realización de las «órdenes» del ADN. La secuencia de bases nitrogenadas del ADN contiene la información para la síntesis de proteínas específicas. Esto, a su vez, implica dos procesos:

1. Transcripción: Paso del mensaje del ADN al ARN. Síntesis de ARN.
2. Traducción: Síntesis de la proteína cuya secuencia de aminoácidos está codificada en el ADN y «copiada» en el ARN.

(Esquema simplificado de la síntesis de proteínas.)

(Resumen de los ácidos nucleicos.)