ÁCIDOS NUCLEICOS

DEFINICIÓN

Son biomoléculas complejas con carácter ácido formadas por monómeros que fueron

descubiertas por Miescher en 1869 tras extraer ADN de núcleos celulares, de ahí el nombre

de ácidos nucleicos.

COMPOSICIÓN

Los monómeros reciben el nombre de Nucleótidos y están constituidos por tres tipos de

moléculas:

Una Pentosa, con forma -furanosa: Ribosa o Desoxirribosa.

Ácido Fosfórico: H3PO4.

Una Base Nitrogenada derivada de la Purina o de la Pirimidina.

1. Bases Nitrogenadas + Azúcar con Enlace Glucosídico = Nucleósido

2. Nucleósido + Ácido Fosfórico con Enlace Éster = Nucleótido

3. Nucleótido + Nucleótido con Enlace Fosfodiester = Ácido Nucleico

DIFERENCIAS ENTRE EL ADN Y EL ARN

ADN ARN

POR SU

COMPOSICIÓN

QUÍMICA

Pentosa: DESOXIRRIBOSA

Base Nitrogenada: Nunca

URACILO

Pentosa: RIBOSA

Base Nitrogenada: Si lleva

URACILO

POR SU

LOCALIZACIÓN

En el Núcleo (no lo abandona),

Mitocondrias y Cloroplastos

En el Núcleo (sale de él al

citoplasma), Mitocondrias,

Cloroplasto y Citoplasma

POR SU FUNCIÓN

Es el portador de los factores

hereditarios

Dicta las órdenes para la

realización de las funciones

celulares

Recibe las órdenes del ADN

Ejecuta las órdenes del ADN

POR LA

ESTRUCTURA

Formado, normalmente, por una

doble cadena

Por una cadena sencilla

(normalmente) y de menor longitud

TIPOS

Hay dos, el ADN o Desoxirribonucleico y el ARN o Ribonucleico:

Son aquellos que realizan funciones por sí mismos. Entre ellos, destacan los siguientes tipos:

ADN

1. MONOCATENARIO

LINEAL: Muy raro, en virus como Tpar, T- y Fago

CIRCULAR: Muy raros. En virus como M13 y X174

2. BICATENARIO

LINEAL: De Eucariotas

CIRCULAR: Procariotas (4.000 Kpb), Mitocondrias (16-110 Kpb) y Cloroplastos (85-2.000 Kpb)

ARN

1. MONOCATENARIO: El normal

2. BICATENARIO: Muy raro

TAMAÑO EN HUMANOS

ADN

3·106 KB (1 metro)

ARN

- ARNm,

1.000 a 10.000 nucleótidos (depende del tamaño de la proteína)

- ARNt

65 a 110 nucleótidos

- ARNr

120 a 5.400 nucleótidos

- ARNn

100 a 300 nucleótidos

NUCLEÓTIDOS NO NUCLEICOS

NUCLEÓTIDOS IMPLICADOS EN PROCESOS DE TRANSFERENCIA DE ENERGÍA

Son moléculas que captan o desprenden energía al transformarse unas en otras. Así, el ATP

desprende energía cuando se hidroliza, transformándose en ADP y fosfato inorgánico (Pi).

Por el contrario, el ADP almacena energía cuando reacciona con el fosfato inorgánico y se

transforma en ATP y agua. De esta forma, se transporta energía (unas 7,3 kilocalorías por

mol de ADP/ATP) de aquellas reacciones en las que se desprende energía (exergónicas) a

aquellas en las que se necesita (endergónicas).

Entre los nucleótidos transportadores de energía destacan: el AMP (adenosina-5’-

monofosfato), el ADP (adenosina-5’-difosfato), el ATP (adenosina-5’-trifosfato), el GDP

(guanosina-5’-difosfato) y el GTP (guanosina-5’-trifosfato).

NUCLEÓTIDOS IMPLICADOS EN PROCESOS REDOX

Se encargan de captar electrones de moléculas a las que oxidan y de cederlos a otras

moléculas a las que a su vez reducen. Así, el NAD+ puede captar 2 e- transformándose en

su forma reducida, el NADH, y éste puede ceder dos electrones a otras sustancias,

reduciéndolas y volviendo a transformarse en su forma oxidada, el NAD+. De esta forma se

transportan electrones desde aquellas reacciones en las que se desprenden a aquellas en las

que se necesitan.

Entre los nucleótidos transportadores de electrones destacan los siguientes:

o NAD+/NADH (Nicotinamida-adenina-dinucleótido) oxidado y reducido,

respectivamente.

o NADP+/NADPH (Nicotinamida-adenina-dinucleótido-fosfato) oxidado y reducido.

o FAD/FADH2 (Flavina-adenina-dinucleótido), oxidado y reducido, respectivamente.

o FMN (Flavina-mononucleótido).

NUCLEÓTIDOS REGULADORES DE PROCESOS METABÓLICOS

Uno de los nucleótidos implicados en la regulación de diversos

procesos metabólicos es el AMP cíclico (adenosina-3’,5’-

monofosfato, ácido adenílico cíclico ó AMPc), en el que dos grupos –

OH del fosfato de una molécula de AMP se esterifican con los OH

situados en las posiciones 3’ y 5’ de su ribosa, formando un ciclo.

Este derivado del AMP está muy extendido en las células animales e

interviene como “segundo mensajero” en numerosas reacciones

químicas inducidas por hormonas, en distintos tipos de células.

ATP

NAD+ Y NADP+

X es un hidrógeno en el NAD+ y un

grupo fosfato en el NADP+

A mediados del siglo XX, uno de los misterios que quedaba por

descubrir dentro de la endocrinología era reconocer el factor o

factores que impulsaban a las hormonas a actuar de una manera

determinada. En aquella época, la idea más extendida en dicho campo

era que las hormonas actuaban de forma sistemática sobre

mecanismos enzimáticos, que eran los responsables de que se

produjeran casi todas las reacciones químicas que ocurren en el

cuerpo humano. Sin embargo, el científico estadounidense Earl W.

Sutherland (Nobel en 1971) descubrió que el AMPc actuaba como

enlace entre las hormonas y los fenómenos que éstas controlaban en el organismo.

A raíz de un estudio realizado en 1957 sobre la función de la adrenalina como mensajero del

aporte urgente de energía en las situaciones de peligro repentino, Sutherland descubrió que la

adrenalina se servía de otra sustancia para realizar su función: el AMP cíclico (AMPc).

La adrenalina y el glucagón originan hiperglucemia, en gran parte debido al aumento de la

glucenogenolisis en el hígado y la cesión de glucosa. Estas hormonas activan la fosforilasa del

hígado, responsable del desdoblamiento del glucógeno. Posteriormente se comprobó que en las

células hepáticas se producía un factor que estimulaba al sistema responsable de la

fosforilación por la fosforilasa, convirtiendo la enzima inactiva en activa. Este factor fue

reconocido como el ácido adenil cíclico, y la reacción fundamental está regulada por la

adenilato ciclasa, que convierte el ATP en AMP cíclico y pirofosfato. La otra enzima principal

en la regulación de los niveles de AMP cíclico es una fosfodiesterasa específica, que lo

inactiva degradándolo a ácido adenílico. Se comprobó que la adenilato ciclasa estaba presente

en todas las células animales examinadas, excepto en los eritrocitos no nucleados,

generalmente asociada con las membranas celulares o con los sistemas de membrana

intracelulares. En posteriores investigaciones se pudo comprobar que este segundo mensajero

estaba implicado en la función de numerosas hormonas.

Los hallazgos de Sutherland permitieron conocer la fisiología general de las hormonas y

sirvieron para desarrollar una estrategia terapéutica sobre las enfermedades que pueden ser

tratadas con ellas.

Así por ejemplo, en las células hepáticas, la adrenalina

es una hormona que provoca una cascada de reacciones

amplificadoras. La unión de unas pocas moléculas de

adrenalina a sus receptores específicos en la

superficie externa de la membrana plasmática inicia

una serie de reacciones enzimáticas que provocan la

degradación del glucógeno hepático y la liberación de

gran cantidad de glucosa en la sangre.

El AMPc está relacionado también con:

El control de la expresión genética (induce qué

genes deben transcribirse en cada momento).

La división celular.

La respuesta inmunitaria.

La transmisión nerviosa.

ÁCIDOS NUCLEICOS, ESTRUCTURA

El ADN presenta diferentes rasgos de complejidad estructural y se pueden distinguir tres

niveles estructurales:

1. ESTRUCTURA PRIMARIA, o secuencia de nucleótidos.

2. ESTRUCTURA SECUNDARIA o doble hélice.

3. ESTRUCTURA TERCIARIA o ADN superenrollado, que surge de la torsión de la doble

hélice sobre sí misma. Dicha estructura terciaria puede condensarse más hasta llegar a una

superespiralización cuando se inicia la mitosis, momento en el que la fibra de cromatina se

compacta para formar los cromosomas.

La difracción de rayos X de ADN extraído del núcleo de células del timo de ternera, como la impresión

fotográfica de la figura, ha dado lugar a un dibujo de puntos en el que se pueden medir las desviaciones

experimentales por los mencionados rayos. De esta forma se pueden deducir las distancias entre los

átomos de una molécula y, por tanto, su estructura espacial. Estos estudios fueron realizados por

Rosalind Franklin y Maurice Wilkins entre 1950 y 1953. En 1953, los físicos James Watson y Francis

Crick establecieron el modelo de la doble hélice del ADN basándose en las aportaciones realizadas por

otros científicos años antes:

- La densidad y la viscosidad de las dispersiones acuosas del ADN eran superiores a las esperadas.

- Todos los ADN tienen tantas moléculas de

adenina (A) como de timina (T) y tantas de

citosina (C) como de guanina (G).

- El ácido ácido tiene una estructura fibrilar

de 20 A de diámetro, descubierto

mediante la difracción de rayos X.

Difracción de rayos X

ÁCIDOS NUCLEICOS, ESTR. SECUNDARIA

Las características de esta doble hélice son las siguientes:

- El ADN es una doble hélice de 20 Å de diámetro, formada por dos cadenas de

polinucleótidos enrolladas alrededor de un eje imaginario. Los grupos hidrófobos se

disponen hacia el interior de la molécula y las pentosas y los grupos fosfato quedan en el

exterior. La ionización de los fosfatos proporciona el carácter ácido de esta

macromolécula.

- Las dos cadenas son antiparalelas, es decir, están orientadas en sentidos contrarios.

- Las dos cadenas son complementarias. Si en una hay T (timina), en la otra, al mismo nivel

hay A (adenina); y si hay C (citosina), en la otra hay G (guanina). Existe diferente secuencia

pero ambas son complementarias.

- El enrollamiento de la doble hélice es dextrógiro y plectonímico, es decir, que para que se

separen las dos cadenas una debe girar con respecto a la otra.

- La doble hélice es muy estable en estado natural, pero se desnaturaliza (se separan las dos

hebras) a partir de los 100 ºC. No obstante, se renaturaliza si baja la temperatura hasta

los 65 ºC. Gracias a este fenómeno, se pueden hibridar cadenas de ADN.

PROPIEDADES DE LA ESTRUCTURA SECUNDARIA

DEL ADN: DESNATURALIZACIÓN

Si una disolución de ADN se calienta suficientemente (hasta alcanzar una temperatura de

unos 100 ºC), ambas hebras se separan, ya que se rompen los puentes de hidrógeno que unen

las bases complementarias, y el ADN se desnaturaliza. La temperatura de desnaturalización

depende de la proporción de bases. Así, a mayor proporción de pares C-G, mayor temperatura

de desnaturalización, ya que la citosina y la guanina se unen mediante tres puentes de

Hidrógeno, mientras que adenina y timina sólo lo hacen mediante dos. Por lo tanto, a mayor

proporción de pares C-G, más puentes de hidrógeno unirán ambas hebras.

La desnaturalización también se produce variando el pH o a concentraciones salinas elevadas.

Si se restablecen las condiciones originales, incluso bajando la temperatura hasta 65 ºC, el

ADN se puede renaturalizar y ambas hebras se unen de nuevo. Este proceso de

renaturalización se utiliza para llevar a cabo procesos de hibridación entre hebras de

distintos ADN para analizar, por ejemplo, el grado de parentesco entre hebras distintas.

TIPOS DE DOBLE HÉLICE DEL ADN Existen tres tipos de doble hélice a nivel de ADN:

La forma B: doble hélice dextrógira, con bases horizontales y perpendiculares al eje

longitudinal de la molécula, de forma que dicho eje atraviesa los planos determinados por cada

pareja de bases, a nivel de sus centros. Esta forma, considerada como la normal, es típica de

dúplex ADN-ADN.

La forma A: doble hélice dextrógira, con bases en planos inclinados con respecto al eje

longitudinal. Dicho eje atraviesa los planos por puntos desplazados del centro. Aunque no

existe en condiciones fisiológicas, dicha forma es típica de dúplex ADN-ARN o ARN-ARN.

La forma Z: doble hélice levógira, con configuración en zig-zag y enrollamiento irregular. Es

típica de dúplex ADN-ADN donde abundan los pares C-G. Esta forma está presente en

segmentos de ADN que constituyen señales para las proteínas reguladoras de la expresión del

mensaje genético.

TIPO DE ADN A B Z

GIRO DE HÉLICE Dextrógiro Dextrógiro Levógiro

nm POR VUELTA 2.8 3.4 4.5

PLANO ENTRE BASES inclinado perpendicular zig-zag

Nº DE NUCLEÓTIDOS POR VUELTA 11 10 12

ESTRTRUCTURA TRIDIMENSIONAL

DE LA MOLÉCULA DE ADN

ESTR. TERCIARIA ADN – COLLAR DE PERLAS

Las moléculas de ADN circular, como por ejemplo, los ADN bacteriano o el mitocondrial,

presentan una estructura terciaria, en la que la fibra de 20 Å se encuentra retorcida sobre sí

misma formando una superhélice o ADN superenrrollado. El ADN de las células eucariotas es

capaz de enrollarse tanto gracias a la participación de unas proteínas llamadas histonas (en los

espermatozoides son las protaminas).

PRIMER NIVEL DE EMPAQUETAMIENTO

FIBRA DE CROMATINA DE 100 Å o COLLAR DE PERLAS

La doble hélice se asocia a histonas (en masa, hay la misma

cantidad de ADN que de histonas). El ADN se enrolla alrededor

de ocho histonas, formando un nucleosoma, partículas de 100 Å. La

sucesión de nucleosomas da lugar al collar de perlas; y entre cada

nucleosoma hay un ADN denominado ADN espaciador. Cuando se

asocia a una histona H1 se condensa y si no es así, está laxa.

El collar de perlas se encuentra en el núcleo durante la interfase

del ciclo celular de todas las células eucariotas, menos en los

espermatozoides.

ESTR. TERCIARIA ADN –

EMPAQUETAMIENTOS SUPERIORES

SEGUNDO NIVEL DE EMPAQUETAMIENTO

FIBRA DE CROMATINA DE 300 Å o SOLENOIDE

Se forma por enrollamiento sobre sí misma de la fibra de cromatina

de 100 Å condensada. En cada vuelta encontramos 6 nucleosomas y 6

histonas H1. Reduce la doble hélice entre 35 o 40 veces.

TERCER NIVEL DE EMPAQUETAMIENTO

DOMINIOS EN FORMA DE BUCLES

Se forma cuando la fibra de 300 Å realiza una serie de bucles llamados dominios

estructurales en forma de bucle de entre 20.000 y 70.000 pares de bases de longitud.

NIVELES SUPERIORES DE EMPAQUETAMIENTO

Los niveles superiores de empaquetamiento no se conocen con exactitud pero se sabe que la

fibra se condensa 7.000 veces la doble hélice en los cromosomas humanos, pero puede llegar a

10.000 en otras especies.

TIPOS DE ARN

ARNt transferente, transportador de aminoácidos determinados hasta los ribosomas, donde,

según la secuencia especificada en un ARNm, se sintetizan las proteínas.

ARNt-1ª

ARNt-3ª

ARNm mensajero, que copia la información contenida

en el ADN y la lleva hasta los ribosomas, para que

sintetizan las proteinas.

ARNn nucleolar, componente fundamental del

nucleolo.

ARNr ribosómico, constituyente de los

ribosomas.

ARNpn pequeño nuclear, formador de las

ribonucleoproteínas nucleares, que eliminan

intrones en el proceso de maduración del

ARNm.

ARNi, de interferencia, utilizado por

determinadas enzimas para reconocer

ARNm concretos.