TEMA6-ACIDNUCLEICOS

TEMA 6: ÁCIDOS NUCLEICOS

1. Composición de los ácidos nucleicos2. Ácido desoxirribonucleico (ADN)

2.1 Estructura del ADN. Estructura primaria. Estructura secundaria. Estructura terciaria

2.2 El ADN en las células procariotas y eucariotas2.3 Desnaturalización del ADN

3. Ácido ribonucleico (ARN)3.1 Tipos de ARN

. ARN mensajero

. ARN ribosómico

. ARN transferente

. ARN nucleolar4. Nucleótidos no nucleicos.

1. COMPOSICIÓN DE LOS ÁCIDOS NUCLEICOS

Los ácidos nucleicos (ADN y ARN) son macromoléculas formadas por la unión de muchos monómeros denominados nucleótidos.

Los nucleótidos son moléculas compuestas por la unión de 3 unidades: una molécula de ácido fosfórico, un monosacárido (una pentosa) y una base nitrogenada.

O װ

- Una molécula de ácido fosfórico (H3PO4): HO - P - OH OH

- Un azúcar de 5 átomos de C, que puede ser ribosa o desoxirribosa, cicladas en forma de β-D-ribofuranosa y β-D-2-desoxirribofuranosa.

- Una base nitrogenada (estructura cíclica que contiene C y N). Existen dos tipos de bases nitrogenadas:

Púricas. Derivan de la purina (dos anillos). Son dos: adenina (A) y guanina (G).

Pirimidínicas. Derivan de la pirimidina (un anillo). Son citosina (C), timina (T) y uracilo (U).

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La unión entre la pentosa y una base nitrogenada da lugar a un nucleósido. El enlace que une ambas moléculas se llama N-glucosídico y se produce entre el C-1' de la pentosa y un N de la base (el N-1 si es pirimidínica o el N-9 si es púrica) con la pérdida de una molécula de agua.

Los nucleósidos se nombran añadiendo al nombre de la base la terminación -osina si es una base púrica (ej. adenosina), o la terminación -idina si se trata de una base pirimidínica (ej. citidina). Si la pentosa es la desoxirribosa, se coloca delante el prefijo desoxi- (ej. desoxiadenosina).

Si a un nucleósido se le une una molécula de ácido fosfórico, se forma un nucleótido. La unión se realiza mediante un enlace tipo éster entre el -OH del C-5' de la pentosa y el ácido fosfórico, perdiéndose una molécula de agua. Los nucleótidos se nombran como el nucleósido del que proceden eliminando la "a" final y añadiendo a continuación el lugar de unión a la pentosa (5') y el número de fosfatos unidos. Por ejemplo, desoxiadenosin-5'-monofosfato (dAMP).______________________________________________________________________________________________________________________Biología. Ácidos nucleicos

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Reacciones de formación de nucleósidos y nucleótidos. En estas moléculas los carbonos de las pentosas se numeran como 1’, 2’, 3’, 4’ y 5’, para diferenciarlos de los carbonos de las bases.

Los grupos -OH unidos a los átomos de P aparecen como -O -. Esto es debido a que a pH fisiológico esos grupos se encuentran ionizados (en forma de ión fosfato PO3-

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La unión de 2 nucleótidos forma un dinucleótido. Dicha unión se realiza mediante enlace fosfodiéster entre el grupo fosfato situado en posición 5' de un nucleótido y el grupo hidroxilo que se encuentra en el C-3' de otro nucleótido. Se libera una molécula de agua.

El dinucleótido se puede unir a más nucleótidos y formar trinucleótidos, tetranucleótidos, etc. La unión de cientos o miles de nucleótidos constituye un polinucleótido, también llamado ácido nucleico.

En todos los polinucleótidos existe un extremo (llamado extremo 5'), donde se localiza un grupo fosfato libre unido al C-5' de una pentosa, y otro extremo (denominado extremo 3') con una pentosa con el grupo -OH del C-3' libre. Es decir, ambos extremos son distintos.


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2. ÁCIDO DESOXIRRIBONUCLEICO (ADN)

El ADN es un polímero de desoxirribonucleótidos (contienen desoxirribosa). En cuanto a las bases nitrogenadas pueden aparecer adenina, guanina, citosina y timina, pero nunca uracilo.

2.1 ESTRUCTURA DEL ADN.

En el medio acuoso celular, el ADN adopta (igual que las proteínas) una estructura tridimensional en la que se pueden describir varios niveles de complejidad creciente, son las estructuras primaria, secundaria y terciaria.

- Estructura primaria.

Es la secuencia de nucleótidos unidos por enlaces fosfodiéster. Una cadena de ADN presenta dos extremos libres: el 5', unido al grupo fosfato, y el 3', unido al hidroxilo.


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Como todos los nucleótidos contienen fosfato y desoxirribosa, la diferencia entre las moléculas de ADN de los distintos organismos radica únicamente en el orden de las bases nitrogenadas que cuelgan de las pentosas.

Cuando se representa una cadena de ADN normalmente sólo se indica la secuencia de desoxirribonucleótidos de manera abreviada. Así un polinucleótido como el representado en la figura se abreviaría como 5' AGTC 3'.

- Estructura secundaria: el modelo de Watson y Crick.

La estructura espacial del ADN fue establecida en 1953 por Watson y Crick, basándose en dos descubrimientos previos:

. En 1950, Chargaff, tras estudiar gran cantidad de muestras de ADN, pertenecientes a diversas especies de organismos, observó que el número de adeninas siempre es igual al de timinas, y el de guaninas, al de citosinas.

%A = %T %C = %G

. Por otra parte, en esta misma época, Franklin y Wilkins aplicaron el método de difracción de rayos X al ADN y dedujeron que esta molécula posee una estructura helicoidal y que en ella existen detalles estructurales repetidos cada 0,34 nm y cada 3,4 nm.

A partir de estos datos, Watson y Crick propusieron un modelo de doble hélice del ADN que aún sigue vigente. Este modelo presenta las siguientes características:

El ADN está constituido por dos cadenas de polinucleótidos unidas entre sí.

Las dos cadenas son antiparalelas, es decir, que el extremo 3' de una de ellas se enfrenta con el extremo 5' de la otra.

La unión entre las cadenas se realiza por medio de puentes de H entre las bases nitrogenadas, concretamente, la adenina forma 2 de estos puentes con la timina y la guanina 3 con la citosina. Se dice que las dos cadenas son complementarias.


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Las dos cadenas están enrolladas en espiral formando una doble hélice alrededor de un eje imaginario.

Las bases nitrogenadas quedan en el interior de la doble hélice, mientras que los esqueletos pentosa-fosfato se sitúan en la parte externa. Los planos de las bases nitrogenadas enfrentadas son paralelos entre sí y perpendiculares al eje de la hélice.

El enrollamiento de las dos cadenas es dextrógiro (hacia la derecha) y plectonémico (las cadenas no se pueden separar sin desenrollarlas).

El diámetro de la doble hélice es de 2 nm, la longitud de cada vuelta es de 3,4 nm y cada 0,34 nm se encuentra un par de bases complementarias. Por lo tanto existen 10 pares de nucleótidos por cada vuelta.

La configuración espacial descrita por Watson y Crick se denomina forma B y durante mucho tiempo fue considerada como la única. En la actualidad se conocen otros dos tipos de estructura en doble hélice:

o La forma A, que también es dextrógira pero con los


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pares de base inclinados respecto al eje de la hélice. Esta forma se obtiene por desecación de la forma B y nunca se encuentra en condiciones fisiológicas, sólo se ha observado en el laboratorio. Es más ancha y más corta que la B.

o La forma Z es más larga y estrecha que la B, aquí la doble hélice es levógira y presenta irregularidades en forma de de zig-zag.

Aunque in vivo predomina el B-ADN, se ha podido observar la presencia de algunas regiones Z en el genoma de células eucariotas. Su función, aún por confirmar, parece estar relacionada con los mecanismos de regulación de la expresión de los genes.

- Estructura terciaria.

El ADN no se encuentra en las células en la forma extendida correspondiente a su estructura secundaria, sino plegado sobre si mismo, es decir, superenrollado, dando lugar a un tercer nivel estructural.

El superenrollamiento (enrollar algo que ya está enrollado) del ADN es necesario, entre otras razones, porque las largas cadenas de ADN deben alojarse en el interior de la célula (procariotas) o del núcleo (eucariotas), de dimensiones muy inferiores a la longitud del ADN. Por ejemplo:

2.2 EL ADN EN LAS CÉLULAS PROCARIOTAS Y EUCARIOTAS.

. Recuerda que los organismos procariotas son células (bacterias) de tamaño pequeño (0,2 a 5 μm de diámetro), con membrana plasmática y generalmente con una pared celular rígida, pero carecen de membrana nuclear, de orgánulos y de cualquier otro tipo de compartimentación interna.

En procariotas existe una molécula de ADN circular, es decir, con sus extremos cerrados, que recibe el nombre de cromosoma bacteriano, localizado en el citoplasma, en la llamada zona nuclear o nucleoide, sin membrana que la delimite. Es frecuente encontrar, además, otras moléculas circulares más pequeñas llamadas plásmidos.

. Las células eucariotas son más variadas y complejas. Son de mayor tamaño (10- 50 μm), poseen membrana plasmática, pueden tener pared celular (plantas), tienen citoesqueleto interno, y muestran una gran compartimentación citoplasmática, con diferentes tipos de orgánulos (mitocondrias, cloroplastos, lisosomas, ...) y otras estructuras membranosas (retículo endoplasmático, complejo de Golgi, ...).

El núcleo tiene como característica esencial la presencia de una doble membrana nuclear. En el interior del núcleo, el ADN se presenta como largas moléculas lineales de doble hebra, estrechamente asociadas a proteínas básicas (histonas). Cada molécula de ADN, con sus proteínas asociadas, forma una fibra visible al microscopio electrónico. El conjunto de todas estas fibras constituye la cromatina (interfase). Cuando la célula se va a dividir, cada fibra de cromatina se compacta y forma los cromosomas.

Aunque la mayor parte del ADN (más del 90%) de las células eucariotas está en el núcleo, en las mitocondrias y cloroplastos también hay ADN, que codifica algunas de las proteínas de estos orgánulos. Este ADN está organizado en cromosomas circulares, al igual que el de procariotas, aunque de menor longitud.

. En los virus, el ADN puede adoptar múltiples formas. Los virus contienen una sola molécula de ADN que puede ser monocatenaria o bicatenaria, según esté compuesta de una sola hebra de ADN o de dos. Además ambos tipos pueden presentarse de forma lineal o circular.


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2.3 DESNATURALIZACIÓN DEL ADN.

Cuando el ADN se somete a temperaturas elevadas o a cambios de pH, las dos cadenas de polinucleótidos se separan al romperse los puentes de hidrógeno entre las bases nitrogenadas. Este proceso, denominado desnaturalización, es reversible siempre que el tratamiento aplicado no haya sido muy drástico. El proceso por el que se recupera la doble hélice, se denomina renaturalización.

3. ACIDO RIBONUCLEICO (ARN)

El ARN está formado por la unión de ribonucleótidos (contienen ribosa) de adenina, guanina, citosina y uracilo (no hay timina), mediante enlaces fosfodiéster en sentido 5'→ 3'.

En algunos tipos de ARN, como el ARN transferente, además de las 4 bases (A,C,G,U) pueden aparecer otras derivadas de éstas (dihidrouracilo, metilguanina, etc), aunque son siempre minoritarias (un 10%).

La cadena de ARN es más corta que las de ADN y puede localizarse tanto en el núcleo como en el citoplasma celular.

Excepto en los reovirus, el ARN está constituido por una única cadena, aunque en el ARN transferente hay tramos bicatenarios por apareamiento de bases.

La función del ARN es extraer la información del ADN y dirigir la síntesis de proteínas a partir de esta información.

3.1 TIPOS DE ARN.

- ARN mensajero (ARNm).

Constituye entre el 3 y el 5% del total de ARN celular. Es una larga cadena de ribonucleótidos con una estructura lineal.

Su función es copiar la información genética del ADN (transcripción) y transportarla desde el núcleo hasta los ribosomas, para que se sinteticen las proteínas.

El ARNm tiene una vida muy corta, de algunos minutos, ya que rápidamente es destruido por la acción de unas enzimas llamadas ribonucleasas, pues de lo contrario el proceso de síntesis proteica continuaría indefinidamente.

- ARN ribosómico (ARNr).

Es el tipo más abundante, ya que constituye entre el 80 y el 85% del ARN celular total.Las moléculas de ARNr son largas y monocatenarias, aunque en algunas regiones puede

presentar una estructura de doble cadena por apareamiento entre bases nitrogenadas complementarias.

Varias moléculas de este ARN, asociadas a un conjunto de proteínas básicas, forman las dos subunidades de los ribosomas (orgánulos en los que se sintetizan las proteínas).

- ARN transferente (ARNt).

El ARNt constituye, aproximadamente, un 10% del ARN celular total.El ARNt está formado por pocos nucleótidos (entre 70 y 90). Su función es transportar los aminoácidos presentes en el citoplasma celular hasta los

ribosomas, para que allí se unan y formen las proteínas. Hay un ARN t específico para cada aminoácido. Las diferencias entre los distintos ARNt se deben fundamentalmente, a una secuencia de 3 bases nitrogenadas denominada anticodón.

Las moléculas de ARNt tienen una estructura secundaria muy característica, en la que existen tramos de doble hélice (denominados brazos). En los extremos de tres de los brazos hay


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zonas sin emparejar que forman los denominados bucles.

En el extremo 5' siempre hay guanina y un ácido fosfórico libre.El extremo 3'está formado por la secuencia de bases CCA. Al nucleótido terminal de adenina

se une el aminoácido que va a ser transportado.

La estructura extendida del ARNt tiene forma de hoja de trébol, aunque en la realidad los brazos se disponen plegados, formando una L invertida, que recibe el nombre de "estructura en boomerang".

- ARN nucleolar (ARNn).

Se encuentra asociado a diferentes proteinas formando el nucleolo de las células eucariotas. Tiene un elevado Pm y su función es romperse para dar lugar a los diferentes tipos de ARNr.

4. NUCLEÓTIDOS NO NUCLEICOS

Además de los nucleótidos que constituyen los ácidos nucleicos existen otros que se encuentran libres en las células, se denominan nucleótidos no nucleicos, y llevan a cabo funciones básicas para los seres vivos. Podemos destacar: los nucleótidos de adenina y los nucleótidos que actúan como coenzimas.

4.1 NUCLEÓTIDOS DE ADENINA.

. ADP y ATP.

El ADP (adenosín difosfato) y el ATP (adenosín trifosfato) son las moléculas transportadoras de energía más importantes.

En las células hay muchas reacciones que producen enegía (exotérmicas). Si esta energía se desprendiera libremente apenas tendría utilidad para el organismo. Resulta más eficaz disponer


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de un sistema capaz de acumular la energía liberada, de manera que pueda ser utilizada posteriormente.

Cuando se libera energía en una reacción, se utiliza para formar ATP a partir de ADP y ácido fosfórico. El enlace así constituido es altamente energético, es decir, que para su formación se requiere una cantidad considerable de energía (7 kcal/mol). Lógicamente la rotura de este enlace liberará la misma cantidad de energía. Por eso en aquellas reacciones que de la hidrólisis del ATP en ADP y ácido fosfórico.

Es habitual representar los enlaces ricos en energía, que existen entre los grupos fosfatos con el símbolo ( ~ ), en lugar de la notación usual ( − ) de los enlaces.

Además del ATP y el ADP, también intervienen en algunas reacciones metabólicas los nucleótidos de guanina GTP y GDP.

. AMP cíclico (AMPc).

El adenosín monofosfato cíclico es un nucleótido de adenina, ribosa y un fosfato que se une a los carbonos 3' y 5' de la ribosa, formando una estructura cíclica.

El AMPc se forma en las células a partir del ATP intracelular, mediante una reacción catalizada por la adenilato ciclasa que se localiza en la membrana celular. Esta enzima se activa cuando determinadas hormonas se unen a la membrana plasmática a receptores específicos.

adenilato ciclasa ATP -------------------------> AMPc + P-P

El AMPc activa enzimas que actúan en numerosas reacciones metabólicas. Por esto, se le denomina "segundo mensajero", ya que transmite en el interior de la célula las señales que le llegan a través de la sangre mediante las hormonas, que son los "primeros mensajeros".

7.2 NUCLEÓTIDOS CON FUNCIÓN COENZIMÁTICA.

Los coenzimas son moléculas orgánicas no proteicas que intervienen en las reacciones catalizadas enzimáticamente actuando, generalmente, como transportadores de electrones. Muchos de ellos son nucleótidos.

. Piridín-nucleótidos.

Son dinucleótidos formados por la unión mediante enlace fosfodiéster del nucleótido de


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nicotinamida y el de adenina.

La nicotinamida, también llamada vitamina B3 o niacina, es una base nitrogenada derivada de la piridina.

Existen dos nucleótidos de piridina:

- NAD: nicotinamín adenín dinucleótido.- NADP: nicotinamín adenín dinucleóti-do fosfato. Su fórmula es igual a la del NAD, pero lleva un grupo fosfato en el nucleótido de adenina.

Son coenzimas de las deshidrogenasas, enzimas que catalizan las reacciones de oxidación-reducción. En estas deshidrogena-ciones toman H+ y electrones de algunas moléculas, quedando en estado reducido, como NADH o NADPH.

. Flavín-nucleótidos.

Están formados por una base nitrogenada, la flavina, y como pentosa, un derivado de la ribosa, el ribitol. Al unirse ambos para formar el nucleósido, constituyen un compuesto denominado riboflavina o vitamina B2.

Los nucleótidos de flavina son dos:- FMN: flavín-mononucleótido. La riboflavina está unida a un grupo fosfato.- FAD: flavín-adenín-dinucleótido, formado por una molécula de FMN unida mediante enlace fosfodiéster a otro de AMP (adenosín mono-fosfato).

Ambos son también coenzimas de deshidrogenasas. Se pueden encontrar tanto en forma oxidada (FMN y FAD) como en forma reducida (FMNH2 y FADH2). Para pasar de una forma a otra captan o ceden hidrógenos, oxidando o reduciendo el sustrato.


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. Coenzima A.

El coenzima A está formado por ADP, ácido pantoténico o vitamina B5, y una cadena corta de etilamina unida a un grupo tiol (-SH). Se designa abreviadamente con el término CoA, o bien con el de CoA-SH. Gracias a este grupo(-SH) puede unirse a los grupos acilo (R-CO-), radicales de ácidos orgánicos, y transportarlos por la célula.

ACTIVIDADES

1.- ¿Cuáles son las macromoléculas biológicas y sus monómeros respectivos? Nombra los enlaces que se establecen entre los monómeros para originar los polímeros correspondientes.

2.- Formula el adenosín-5'-difosfato (ADP).

3.- ¿Cómo nombrarías el siguiente compuesto?

4.- Escribe un nucleótido que forme parte exclusivamente del ADN y otro del ARN. ¿Qué diferencia hay entre ellos?

5.- Dibuja el trinucleótido dAMP-dTMP-dCMP y señala todos los enlaces de tipo éster que hay. Para facilitar el dibujo simboliza las bases nitrogenadas con las letras A, T y C.Dibuja de la misma forma la hebra complementaria. Recuerda que son antiparalelas. Señala en el dibujo si hay dos o tres enlaces entre las bases nitrogenadas y de qué tipo son.

6.- ¿Cuál es la secuencia de ADN complementaria de 5'-TACCTCACT- 3'?

7.- Si una molécula de ADN posee un 30% de guanina, averigua en que proporción se encuentran las restantes bases.

8.- En algunos organismos el ADN es monocatenario, en otros puede ser bicatenario circular. ¿De qué organismos se trata?

9.- ¿Qué agente físico puede producir la separación de las dos hebras de la doble hélice de ADN? ¿Cómo se denomina este fenómeno? ¿Qué tipos de enlaces se ven afectados en dicho proceso? ¿Es reversible dicho fenómeno?

10.- ¿Qué diferencias hay entre el ADN y el ARN? En cuanto a estructura, función y localización celular.


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11.- Si se compara la síntesis de proteínas con la construcción de un edificio, ¿qué tipo de ARN representaría el papel de arquitecto? ¿Y el de albañil que coloca los ladrillos para levantar una pared? ¿Qué molécula correspondería a los ladrillos?. Razona tus respuestas.12.- La secuencia de bases de una molécula de ARNm es: AAUUUGCCA...

a) Escribe la doble cadena de nucleótidos del ADN de la que se copió.b) Indica cuál de las dos sirvió de molde.c) Esribe los anticodones correspondientes.

13.- En forma lineal, la longitud total del ADN de una célula humana somática sería de unos 2 metros. Responde las siguientes cuestiones:

a) ¿Cuánto mide el ADN de un gameto?b) ¿Cuál es el tamaño del genoma humano? Exprésalo en pb, kb y Mb.

El tamaño del genoma se expresa en pb= pares de bases. Para moléculas largas se emplean otras unidades: kilobases (kb o kpb = 103 pb) o megabases (Mb o Mpb= 106 pb).

14.- Tras el análisis cuantitativo y cualitativo del genoma de tres tipos de virus, se ha obtenido el resultado que se adjunta en la tabla:

VIRUS A (%) T (%) G (%) C (%) U (%)

A 20 20 30 30 0

B 20 0 30 25 25

C 20 28 29 23 0

A la vista de estos resultados, indica como son sus genomas: ADN, ARN, de cadena doble, ...

15.- La temperatura a la cual se separan la dos hebras de ADN varía según elADN. ¿Se necesitará alcanzar la misma temperatura para desnaturalizar un ADN en el que predomina la base nitrogenada guanina que otro ADN donde hay abundancia de adenina? Razona tu respuesta.

16.- ¿Sabrías explicar por qué suele denominarse al ATP "moneda energética"?

17.- ¿Qué semejanzas y diferencias existen entre el ADP y el NADP?

18.- Escribe la fórmula de la molécula de ATP (utiliza la abreviatura A para simbolizar la base nitrogenada). La energía liberada por la hidrólisis de ciertos enlaces de esta molécula está acoplada con reacciones energéticamente desfavorables. Indica qué enlaces son éstos.


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