Ácidos Nucleicos: Definición y Función

Los ácidos nucleicos son biomoléculas (construidas por C, H, O, N y P) y macromoléculas. Son polímeros constituidos por cadenas de monómeros llamados nucleótidos, unidos entre sí mediante enlaces fosfodiéster. Son responsables del almacenamiento, interpretación y transmisión de la información genética. Se encuentran normalmente asociados a proteínas, formando nucleoproteínas (como la cromatina).

1. Nucleótidos

Los nucleótidos están formados por tres componentes principales:

• Pentosas: Son azúcares de cinco carbonos. Pueden ser β-D-ribofuranosa (presente en el ARN) o β-D-desoxirribofuranosa (presente en el ADN). La única diferencia entre ambas es que en el C2 de la desoxirribosa hay un hidrógeno (-H) en lugar del grupo alcohol (-OH).
• Bases Nitrogenadas: Son moléculas cíclicas. Se clasifican según el número de anillos:
  • Bases Púricas (dos anillos): Adenina (A) y Guanina (G).
  • Bases Pirimidínicas (un solo anillo): Timina (T), Citosina (C) y Uracilo (U).
• Grupo Fosfato: Derivado del ácido fosfórico ($ ext{H}_3 ext{PO}_4$).

Un nucleótido está formado por la unión de un grupo fosfato al carbono 5′ de una pentosa. A su vez, la pentosa lleva unida al carbono 1′ una base nitrogenada.

Formación de Enlaces

• Nucleósido: La pentosa y la base nitrogenada se unen mediante un enlace covalente de tipo N-glucosídico. Este enlace se establece entre el -OH hemiacetálico del C1 de la pentosa y el nitrógeno N1 (-NH-) en las bases pirimidínicas o el N9 (-NH-) si es una base púrica. En la unión se desprende una molécula de $ ext{H}_2 ext{O}$.
• Polimerización (Enlace Fosfodiéster): Los nucleótidos se unen entre sí mediante el enlace fosfodiéster 3’→5′. Se une el -OH del Carbono 3′ de una pentosa al -OH del Fosfato que a su vez se ha unido al Carbono 5′ de otra pentosa. En este proceso se desprenden dos moléculas de agua. Los nucleótidos son las piezas que forman el ácido nucleico.

Nucleótidos Importantes y Coenzimas

a) ATP (Adenosín Trifosfato)

Es el portador primario de energía de la célula. Esta molécula tiene un papel clave en el metabolismo energético. La mayoría de las reacciones metabólicas que requieren energía están acopladas a la hidrólisis de ATP. Se compone de un ribonucleótido de adenina con tres grupos fosfato.

b) AMP cíclico

Es una de las moléculas encargadas de transmitir una señal química que llega a la superficie celular al interior de la célula (segundo mensajero).

c) NAD$^+$ y NADP$^+$ (Nicotinamida Adenina Dinucleótido y Nicotinamida Adenina Dinucleótido Fosfato)

Son coenzimas que intervienen en las reacciones de óxido-reducción, siendo moléculas que transportan electrones y protones. Intervienen en procesos como la respiración y la fotosíntesis.

d) FAD (Flavín Adenín Dinucleótido)

También es un transportador de electrones y protones. Interviene en la respiración celular.

e) Coenzima A (CoA)

Es una molécula que transporta grupos acetilos, interviniendo en la respiración celular.

Ácido Ribonucleico (ARN)

El ARN es una macromolécula formada por la polimerización, mediante enlaces covalentes, de ribonucleótidos (con β-D-ribofuranosa como pentosa y A, G, C y U como bases nitrogenadas). Está presente tanto en células procariotas como eucariotas. Sus funciones están relacionadas con la interpretación del mensaje genético y dirige la síntesis proteica.

Características del ARN

Es una molécula lineal y de hebra sencilla (monocatenaria). La cadena simple de ARN puede plegarse y presentar regiones con bases apareadas (como por ejemplo en los ARNt).

Tipos de ARN

1. ARN mensajero (ARNm): Consiste en una molécula lineal de nucleótidos cuya secuencia de bases es complementaria a una porción de la secuencia de bases del ADN. Es una molécula intermediaria para el traslado de la información genética entre el ADN y la proteína. El ARNm copia (transcribe) un trozo de ADN que codifica la información genética sobre la secuencia de aminoácidos necesaria para sintetizar una proteína y la lleva hasta el ribosoma. Actúa como molde para situar y ordenar los aminoácidos de la cadena proteica. Las instrucciones residen en tripletes de bases a las que llamamos codones. Cada combinación de tres bases (triplete o codón) codifica para un aminoácido (aa) específico.
2. ARN de transferencia (ARNt): Son cadenas que se pliegan adquiriendo la conocida forma de hoja de trébol. El ARNt se encarga de captar y transportar los aminoácidos libres del citoplasma al lugar de la síntesis proteica, los ribosomas. Allí los coloca en el lugar adecuado, indicado por la secuencia de nucleótidos del ARNm. En su estructura presenta un triplete de bases complementario de un codón determinado del ARNm, al que llamamos anticodón, lo que le permitirá reconocerlo con exactitud y dejar el aminoácido en el sitio correcto.
3. ARN ribosómico (ARNr): Se asocia a proteínas para constituir los ribosomas. Es muy abundante y representa el 80% del ARN en el ribosoma. Actúan como ribozimas (moléculas de ARN con capacidad catalítica), creando los enlaces peptídicos entre los aminoácidos en formación durante la síntesis de las proteínas.

Ácido Desoxirribonucleico (ADN)

El ADN es una macromolécula formada por la polimerización de desoxirribonucleótidos (con β-D-desoxirribofuranosa como pentosa y A, G, C y T como bases nitrogenadas). Es el portador de la información genética.

Concepto de Gen

Un gen es un fragmento de ADN que lleva la información necesaria para sintetizar una cadena polipeptídica (una proteína concreta).

Localización y Funciones

El ADN es capaz de realizar los procesos de transcripción, traducción y replicación (proceso que permite al ADN duplicarse). Se encuentra en el núcleo de las células eucariotas asociado a proteínas (histonas y otras) formando la cromatina, sustancia que constituye los cromosomas y a partir de la cual se transcribe la información genética. También hay ADN en ciertos orgánulos celulares (plastos y mitocondrias).

Evidencias y Composición del ADN

Evidencias Biológicas

• La cantidad de ADN de una especie es constante, sin importar la edad, el sexo, los factores nutricionales o ambientales.
• La cantidad de ADN tiene, mayoritariamente, una relación directa con la complejidad del organismo.
• Los gametos de los individuos con reproducción sexual poseen solo la mitad del ADN que posee cualquiera de sus células somáticas.

Reglas de Chargaff (Composición de Bases)

La concentración de bases varía de una especie a otra. Tejidos diferentes de la misma especie tienen la misma composición en bases. La composición en bases del ADN de una misma especie no varía con la edad del organismo ni con su estado nutricional ni con las variaciones ambientales. Las reglas fundamentales son:

• La concentración de Adenina (A) es igual a la de Timina (T).
• La concentración de Citosina (C) es igual a la de Guanina (G).

Modelo de la Doble Hélice de Watson y Crick

1. El ADN está constituido por dos cadenas o hebras de polinucleótidos enrolladas helicoidalmente sobre un mismo eje formando una doble hélice, como si fuera una escalera de caracol. Cada diez pares de nucleótidos da un giro completo. Excepto en algunos virus, el ADN siempre forma una cadena doble.
2. Ambas cadenas son antiparalelas: una va en sentido 3’→5′ y la otra en sentido inverso, 5’→3′.
3. Los grupos fosfato están hacia el exterior.
4. Las bases nitrogenadas están hacia el interior de la hélice con sus planos paralelos entre sí. Las bases de cada una de las hélices están apareadas con las de la otra cadena asociándose mediante puentes de hidrógeno.
5. El apareamiento se realiza únicamente entre la Adenina y la Timina formando dos puentes de hidrógeno, y la Guanina y la Citosina a través de tres puentes de hidrógeno. Por lo tanto, ambas cadenas son complementarias.

Ambas cadenas o hebras se pueden separar parcialmente y servir de molde para la síntesis de una nueva cadena complementaria (síntesis semiconservativa).

Estructura del ADN

• Estructura Primaria: Es la secuencia ordenada de desoxirribonucleótidos (con las bases nitrogenadas A, G, C, T) formando una cadena lineal.
• Estructura Secundaria: Tiene forma de una doble hélice, donde hay dos cadenas antiparalelas (una va en la dirección 5’→3′ y la otra 3’→5′) y complementarias, enrolladas alrededor de un eje imaginario. Las bases de cada hélice se unen dos a dos (de forma complementaria) mediante puentes de hidrógeno.
• Estructura Terciaria: Es el ADN asociado con histonas (un tipo de proteína básica), para aumentar el empaquetamiento. Forma la cromatina (lo que está dentro del cromosoma en las células eucariotas).

Duplicación del ADN (Replicación)

El ADN es capaz de duplicarse gracias a la complementariedad de las bases. Por el proceso de replicación, cuando una célula se divide, cada una de las células hijas recibe una copia exacta e íntegra de la información hereditaria de la célula madre. Es un proceso semiconservativo; cada una de las moléculas hijas contiene una hebra de la molécula original y otra “neoformada”.

Características del Proceso

Es un proceso bidireccional (en cada cadena la replicación se realiza en una dirección, en una 5’→3′ y en otra 3’→5′). En una cadena la replicación es continua (hebra conductora) y en la otra es discontinua (hebra retardada).

Requerimientos Moleculares y Enzimáticos

Para la replicación se necesitan:

• Bases Nitrogenadas (desoxirribonucleótidos trifosfato).
• Cebador (Primer): ARN de unos 20 nucleótidos, porque la ADN-polimerasa solo es capaz de unir nucleótidos a un trozo de ácido nucleico ya sintetizado.
• ADN-Polimerasa: Es la enzima que cataliza la replicación. Solo añade nucleótidos en el extremo 3′ de la cadena original, es decir, crea nuevo ADN en la dirección 5’→3′.
• Otras Enzimas:
  • Helicasas: Desespiralizan las dos cadenas.
  • Girasas y Topoisomerasas: Eliminan las tensiones.
  • Primasas: Para formar el cebador.
  • Ligasas: Une los fragmentos formados en la hebra de replicación discontinua.
• Tipos de ADN-Polimerasa: I (retira el cebador); II (repara errores en la cadena de ADN sintetizada); III (sintetiza las cadenas de polinucleótidos de ADN).

Proceso de Síntesis

En cada cromosoma, las dos cadenas del ADN se encuentran enrolladas una a la otra. Existen múltiples sitios de origen de la replicación en cada cromosoma. Se rompen los puentes de H entre las dos cadenas provocando la aparición de una “burbuja de replicación”. Se eliminan las tensiones generadas por la separación de las cadenas y se evita que vuelvan a enrollarse.

Los cebadores de ARN sirven para que las ADN-polimerasas comiencen a copiar el ADN. Una de las características de las ADN-polimerasas es que solo pueden actuar en dirección 5’→3′ de la nueva cadena.

A medida que se separan las cadenas progenitoras en la horquilla de replicación, la síntesis se realiza de dos maneras:

• Hebras Conductora (Crecimiento Continuo): La cadena hija se forma en dirección 5’→3′ de forma continua mediante el agregado de nucleótidos en el extremo 3′ (de la original) a medida que avanza la horquilla de replicación.
• Hebras Retardada (Crecimiento Discontinuo): La cadena hija es sintetizada de manera discontinua, en pequeños tramos llamados fragmentos de Okazaki. A partir del cebador, la ADN-polimerasa III sintetiza unos 1000 nucleótidos de ADN, alejándose de la horquilla de replicación.

Después, la ADN polimerasa I retira los fragmentos de ARN que han hecho de cebador y rellena los huecos con nucleótidos de ADN. La ligasa se encargará de unir los fragmentos.

En las células eucariotas, en este proceso de terminación tiene que intervenir una nueva enzima, la telomerasa, que añade a los extremos del cromosoma secuencias de ADN repetitivo no codificante (denominadas telómeros).

Transcripción del ADN y Síntesis de Proteínas

El proceso de expresión génica implica la transcripción y la traducción, procesos mediados por el ARN.

Mecanismo General

En la célula eucariota, el fragmento de ADN que contiene la información correspondiente a la síntesis de una proteína es replicado en una hebra (cadena) de ARNm (transcripción). Esta hebra viaja hasta el ribosoma donde la proteína será sintetizada.

Moléculas de ARNt captan en el citoplasma los aminoácidos que se necesitan y los transportan también hasta el ribosoma. Allí el ARNm actúa como molde. En cada codón del ARNm se colocará una molécula de ARNt con su aminoácido correspondiente. El ARNt reconoce esta posición y se une a ella gracias a su anticodón. De esta forma, la secuencia de nucleótidos que codifica la información es traducida a la secuencia de aminoácidos que formará la proteína.

El Código Genético

El código genético se lee como un código no solapado y sin puntuación. Solo hay dos tipos de tripletes que no codifican aminoácidos: los indicativos de iniciación (AUG) y los de terminación (UAG, UAA, UGA).

Características del Código Genético

• Universalidad: Es válido para todos los organismos.
• Degenerado: Un aminoácido dado puede venir determinado por más de un codón.
• No ambiguo: Ningún triplete codifica dos aminoácidos diferentes.