Bioquímica - Universidad Abierta y a Distancia de México

Ciencias de la Salud Biológicas y Ambientales | Ingeniería en Biotecnología

Bioquímica

Lípidos y ácidos nucleicos U3

Programa de la asignatura:

Universidad Abierta y a Distancia de México 1

U3 Bioquímica

Lípidos y ácidos nucleicos

Índice

Presentación de la unidad ......................................................................................................... 2

Propósitos .................................................................................................................................. 2

Competencia específica ............................................................................................................ 3

Ruta de aprendizaje .................................................................................................................. 4

3.1 Metabolismo de lípidos ........................................................................................................ 5

3.1.1 Importancia bioquímica de los lípidos .............................................................................. 5

3.1.2 Beta oxidación ................................................................................................................ 11

3.1.3 Anabolismo de lípidos .................................................................................................... 15

3.2 Ácidos nucleicos ................................................................................................................ 18

3.2.1 Estructura del DNA ......................................................................................................... 23

3.2.2 Organización del DNA .................................................................................................... 26

3.2.3 Clasificación y estructura del RNA ................................................................................. 28

3.2.4 Importancia bioquímica de los ácidos nucleicos ............................................................ 31

Actividades .............................................................................................................................. 34

Autorreflexiones....................................................................................................................... 34

Cierre de la unidad .................................................................................................................. 34

Para saber más ....................................................................................................................... 35

Fuentes de consulta ................................................................................................................ 36


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Presentación de la unidad

En las unidades anteriores estudiaste varios procesos del metabolismo celular así como a

los carbohidratos y proteínas, moléculas que juegan un papel esencial en el desarrollo

celular. Esta unidad estará centrada en biomoléculas que también tienen un papel muy

importante en los seres vivos: los lípidos y los ácidos nucleicos.

También estudiarás cuáles son las funciones bioquímicas de los lípidos y cómo es su

anabolismo y catabolismo ya que después de la glucosa, los lípidos son la principal

reserva energética del organismo, además de tener una función crucial como parte

estructural de la membrana celular.

Por otro lado, conocerás cuál es la estructura y función de las moléculas encargadas de

preservar la información genética de los organismos vivos: los ácidos nucleicos. Al

finalizar esta unidad y la asignatura tendrás un conocimiento amplio de cada una de las

funciones y rutas metabólicas en las que participan todas las biomoléculas.

Propósitos

Esta unidad tiene como propósitos:

Explicar la función bioquímica de los lípidos en las células.

Explicar los pasos que intervienen en el anabolismo y catabolismo de lípidos.

Diferenciar las moléculas de RNA y DNA por su estructura y función.

Analizar la estructura de los ácidos nucleicos.

Explicar el papel que juegan los ácidos nucleicos en la vida de la célula.


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Competencia específica

Indicar la función de los lípidos y ácidos nucleicos en los procesos celulares para distinguir sus procesos de síntesis y degradación mediante el estudio de las rutas metabólicas.


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3.1 Metabolismo de lípidos

La célula es la unidad fundamental de la vida. Una célula aislada es una entidad separada

de otras por una membrana (muchas células contienen, además, una pared celular

exterior a la membrana). Cada célula contiene una gran variedad de estructuras químicas

y componentes subcelulares.

Las actividades de las células pueden considerarse desde dos aspectos. Por un parte, las

células pueden ser como máquinas vivas que realizan transformaciones químicas.

Si realizarás la disección bioquímica de una célula encontrarías que el componente

principal es el agua; también encontrarías presentes grandes cantidades de

macromoléculas, cantidades menores de monómeros precursores de macromoléculas y

varios iones inorgánicos. Cerca del 95 % del peso seco de una célula es debido a las

macromoléculas y, dentro de estas, las proteínas son con mucho las más abundantes,

seguidas de los ácidos nucleicos y posteriormente los lípidos. Los lípidos tienen

propiedades hidrofóbicas e hidrofílicas y tienen funciones esenciales en la estructura de

las membranas y como depósitos de almacenamiento del exceso de carbono.

Las funciones que desempeñan los lípidos en los seres vivos se deben en gran parte a sus

estructuras hidrófobas. Como componentes destacados de las membranas celulares y

excelentes fuentes de energía.

A continuación estudiarás con mayor detalle la importancia bioquímica de estas

biomoléculas, así como su anabolismo y catabolismo.

3.1.1 Importancia bioquímica de los lípidos

Los lípidos pueden aglomerarse y formar diferentes asociaciones como se muestran en la

figura 1, necesarias para desarrollar algunas de sus funciones bioquímicas.

Recuerda que en Química estudiaste la estructura y nomenclatura de los

lípidos, información esencial para el entendimiento de su síntesis y

degradación, las cuales estudiaremos en esta asignatura y aplicarás en

Biología celular cuando analices las estructuras de la membrana.

Enlaces


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Los lípidos tipo triglicéridos se acumulan en las células con la función principal de reservar

de energía ya que cuenta con largas cadenas hidrocarbonadas altamente reducidas, de

manera que la oxidación proporciona energía de manera rápida, la cual se transforma o se

disipa en calor. En este proceso se produce ATP y se lleva a cabo la segunda función más

importante de los lípidos: la producción de calor (Mathews, 2002).

En los mamíferos, los triglicéridos se acumulan en células especiales denominadas

adipocitos (figura 2) que forman el tejido adiposo, el cual funciona como aislante para el

frío, y recubre y protege los órganos de algún daño mecánico o estructural.

Figura 1. Asociaciones de fosfolípidos. Los lípidos pueden formar bicapas, micelas y liposomas. Tomado de: https://sites.google.com/site/ampliabiogeo/_/rsrc/1274463151348/bioqui/las-biomoleculas/lipidos-4o3/250px-Phospholipids_aqueous_solution_structures.svg%5B1%5D.png

https://www.google.com.mx/url?sa=i&rct=j&q=&esrc=s&source=images&cd=&cad=rja&uact=8&ved=0CAcQjRw&url=https://sites.google.com/site/ampliabiogeo/bioqui/las-biomoleculas/lipidos-4o3&ei=p7SeVc-UJ8mDsAX5-bvQBQ&bvm=bv.96952980,d.cGU&psig=AFQjCNFoIVhd_MnQhEBAf0bF3sSHtP1qkg&ust=1436550686895106


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Los fosfoglicéridos, otro tipo de lípidos, son el principal componente de la membrana ya

que tienen una región altamente hidrofílica (el fosfato) y una zona altamente hidrofóbica

(la cadena hidrocarbonada). De esta manera, los fosfolípidos siempre se asociarán de la

siguiente manera: las zonas hidrofílicas con las hidrofílicas y las hidrofóbicas con las

hidrofóbicas formando una doble capa. Cuando únicamente se asocian fosfolípidos, se

habla de una micela (figura 3).

Figura 2. Adipocitos. Células que almacenan lípidos en los organismos superiores. Tomado de: http://www.esteticamedica.info/noticias/val/74-0/los-adipocitos-la-reserva-energetica-del-cuerpo.html.

http://www.esteticamedica.info/data/img_cont/img_imagenes/img_gr/1112.jpg


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Las micelas contienen una zona altamente hidrofóbica que no puede ser atravesada por

compuestos polares como los azúcares, es por ello que las membranas plasmáticas están

formadas además por proteínas que permiten transportar esas micromoléculas (como lo

revisarás en el siguiente apartado). De esta manera, las membranas se transforman en

estructuras semipermeables y selectivas de tal forma que solo se transporten aquellos

metabolitos que son necesarios para la vida celular. Además, las membranas tienen, en

su cara externa a la célula, un conjunto de oligosacáridos que le ayudarán en el

señalamiento intercelular (Lodish, 2007).

Los esfingolípidos también forman parte de la membrana plasmática y son los segundos

lípidos más importantes. Son más abundantes en las células del tejido nervioso de los

animales puesto que la esfingomielina junto con el ácido lignocérico y un aminoalcohol,

llamado colina, conforman las vainas de mielina (figura 4) que protegen y aíslan a las

células nerviosas, además de favorecer la sinapsis.

Figura 3. Representación de una membrana plasmática. En azul se muestra la zona hidrofóbica formada por fosfolípidos, de verde se muestra la zona hidrofílica compuesta por el glicerol y el grupo fostato y en café se muestran proteínas integrales. Tomado de Madigan, 2003.


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Otro tipo de lípidos, como las ceras, tienen como función principal formar cubiertas

protectoras en los animales, ya sea en el pelo como es el caso de la lanolina de la lana

de las ovejas o en las plumas de las aves. En los vegetales se pueden encontrar en las

hojas, tallos y frutos recubriéndolos y protegiéndolos de la pérdida de agua por efecto de

la evaporación. En los insectos los podemos encontrar en el exoesqueleto y también en

un gran ejemplo en las ceras producidas por las abejas compuesta, principalmente, por

ésteres del ácido palmítico.

En el caso de los terpenos, éstos son importantes porque forman los aceites esenciales

que aportan olor y sabor a algunos vegetales, por ejemplo geraniol, mentol, limoneno,

alcanfor y pineno. Otro terpeno es el fitol que forma parte de la molécula de clorofila

(figura 5). Estos compuestos también generan otros pigmentos fotosintéticos, ejemplo de

ello son los carotenoides, los cuales pueden estar presentes en bacterias y hongos como

metabolitos secundarios con importancia biotecnológica.

Figura 4. Vainas de mielina. Se muestra el axón de una neurona (luz verde) cubiertas por vainas de mielina (morado). Tomado de http://www.liquidarea.com/2011/05/sclerosi-multipla-attesi-i-risultati-delle-staminali-sugli-interruttori-di-mielina/.

http://www.google.com.mx/url?sa=i&rct=j&q=&esrc=s&source=images&cd=&cad=rja&uact=8&ved=0CAcQjRw&url=http://www.liquidarea.com/2011/05/sclerosi-multipla-attesi-i-risultati-delle-staminali-sugli-interruttori-di-mielina/&ei=pKSeVavEA8TIsAXegbbgBQ&bvm=bv.96952980,d.cGU&psig=AFQjCNHGo7e51AfjVa3T1oqQJ2uuX887JA&ust=1436546541715786


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También existen terpenos con importancia fisiológica puesto que son vitaminas (A, K y E)

liposolubles o coenzimas como la coenzima Q que actúa como transportador de

hidrógeno en las oxidaciones biológicas de las mitocondrias (Nelson y Cox, 2009).

La función de lípidos como los esteroides es la de regular y ser precursores de

hormonas. Las hormonas esteroides regularizan el metabolismo y las funciones

reproductivas. Algunos ejemplos de esteroides son los ácidos biliares, las hormonas

sexuales, la vitamina D, el colesterol y los corticosteroides; estos últimos ampliamente

utilizados para producción de medicamentos como la cortisona.

Un esteroide muy importante es el colesterol ya que es parte de las bicapas lipídicas de

las células eucariotas; además de ser el precursor de varios esteroides, como las

hormonas sexuales masculinas (andrógenos) y las femeninas (estrógenos). Es por ello

que se presentan algunos problemas con los ciclos menstruales cuando el consumo de

grasas es muy pobre o nulo, tal como sucede con las personas que no las incluyen en su

dieta o que sufren trastornos alimenticios como la anorexia y la bulimia.

Una de las funciones de los eicosanoides es ser biocatalizadores, pues facilitan las

reacciones químicas que se producen en los seres vivos; además participan en la

comunicación celular, en los procesos de inflamación y la respuesta inmune (figura 6)

de vertebrados e invertebrados ya que las prostaglandinas son un tipo de eicosanoide que

tiene funciones en dicha respuesta.

Figura 5. Clorofila. Se muestra la estructura de la molécula de clorofila formada por una cola de fitol. Tomado de http://notodoloquerelucees.blogspot.mx/2015/01/verde-que-te-quiero-verde-clorofila.html.


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3.1.2 Beta oxidación

El catabolismo de los lípidos es igual de importante que el de los carbohidratos ya que se

genera gran cantidad de energía en los organismos aerobios, al ser moléculas muy

reducidas; por ejemplo a partir de los triglicéridos almacenados en forma de grasa, se

generan alrededor de 9 Kcal/g (en contraste de las 4 Kcal/g de carbohidrato o proteína),

sin aumentar la osmolaridad del citosol, además de que estos compuestos tienen una

baja reactividad química.

La degradación de los lípidos se lleva a cabo en cuatro etapas:

A) En primer lugar es necesario hidrolizar los triglicéridos obteniendo glicerol y ácidos

grasos mediante la enzima lipasa.

B) En una segunda etapa es necesario la activación de los ácidos grasos utilizando

moléculas de HSCoA (donde se consumen 2 ATP).

C) Posteriormente se realiza el transporte de la molécula a través de la cartinin acetil

transferasa al interior de la matriz mitocondrial.

D) Finalmente, se lleva a cabo la β-oxidación obteniendo como molécula final Acetil-

CoA que entrará al ciclo de Krebs llevándose el proceso que hemos comentado

anteriormente. Por su parte, el glicerol obtenido de la hidrólisis del lípido es

Figura 6. Esquema general de la respuesta inmune. Procesos celulares donde participan los eicosanoides. Tomado de Science Photo Library.

http://www.google.com.mx/url?sa=i&rct=j&q=&esrc=s&source=images&cd=&cad=rja&uact=8&ved=0CAcQjRw&url=http://beyondmeds.com/2015/03/06/mental-health-immune-response-inflammation/&ei=tqeeVaO1EcLBsAXz1KfQBQ&psig=AFQjCNEvdS55rSK-8PrY0xzPT2PsPwGGOg&ust=1436547370743313


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fosforilado y oxidado a dihidroxiacetona fosfato e isomerizado a gliceraldehido 3-

fosfato que será introducido a la glicólisis (figura 7).

A continuación estudiaremos con mayor detalle el proceso de beta oxidación de ácido

grasos, el cual recibe su nombre debido a la oxidación del carbono β de los ácidos

grasos, rompiendo el enlace entre los átomos de carbono α y β. Durante este proceso se

degradan los ácidos grasos por la separación secuencial de fragmentos de dos carbonos

desde el extremo carboxilo.

Para la degradación de los ácidos grasos de cadena impar o los insaturados se requiere

de distintas modificaciones, conformando rutas ligeramente diferentes como la α-

oxidación, la ω-oxidación o la oxidación peroxisómica.

Durante la β-oxidación se oxidan los ácidos grasos liberando en cada ciclo 2 carbonos en

forma de acetil-CoA que se incorpora al ciclo de Krebs; así como una molécula de FADH2

y un NADH que se van a la cadena transportadora de electrones. El ciclo está formado

por cuatro reacciones que se repiten según el número de carbonos del ácido graso de

que se trate.

Figura 7. Β-Oxidación. Se muestra un esquema general del catabolismo de los ácidos grasos. Tomado de https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/3/36/Beta-oxidacion.svg/640px-Beta-oxidacion.svg.png.

https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/3/36/Beta-oxidacion.svg


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Identificar cada una de las reacciones de la β-oxidación:

1. El ácido graso unido a la acetil Co-A es oxidado a través de la acil-CoA

deshidrogenasa formado un trans-Δ2-Enolil-CoA con la consecuente

reducción de una molécula de FAD.

2. La molécula formada es hidratada a través de la enzima enolil-CoA

hidratasa para formar el L-β-Hidroxi-acil-CoA.

3. Se produce una nueva oxidación del compuesto para formar el β-ketoacil-

CoA por la acción de la β-hidroxiacil-CoA deshidrogenasa, la molécula que

se reduce en este caso es el NAD+.

Beta oxidación


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El proceso completo de beta oxidación requiere llevar a cabo varias vueltas de las

reacciones que se mencionaron, pero la última vuelta se lleva a cabo cuando solo

quedan cuatro átomos de carbono en la cadena puesto que se producen dos acetil Co-

A. Por lo tanto, un ácido graso sufrirá tantas vueltas como la mitad menos uno del

número de átomos de carbono tenga.

4. Finalmente, ocurre una ruptura por medio de la acil-CoA acetiltransferasa

(tiolasa) liberándose una molécula de Acetil Co-A y un ácido graso con dos

carbonos menos.

Beta oxidación (Continuación)

Figura 8. Ejemplo de β-Oxidación. Se muestra la oxidación de un ácido graso de 14 átomos de carbono para la formación de 7 moléculas de Acetil-CoA. Modificado de http://images.devilfinder.com/go.php?q=Beta+Oxidation+of+Very+.


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La oxidación aerobia de un ácido graso genera un gran número de moléculas de ATP: la

oxidación de cada FADH2 por la cadena transportadora de electrones y la fosforilaciòn

oxidativa proporciona aproximadamente 1.5 moléculas de ATP; la oxidación de cada

NADH proporciona aproximadamente 2.5 moléculas de ATP (McKee y McKee, 2003). Si

tomamos como ejemplo al palmitol y calculamos el rendimiento de su oxidación, vemos

que se generan 7 FADH2, 7 NADH y 8 acetil-CoA para formar CO2 y H2O:

7 FADH2 x 1.5 ATP/FADH2 = 10.5 ATP

7 NADH x 2.5 ATP/NADH = 17.5 ATP

8 acetil-CoA x 10 ATP/acetil-CoA = 80.0 ATP

----------------

108 ATP

3.1.3 Anabolismo de lípidos

La síntesis de lípidos ocurre a partir de moléculas más sencillas de Aceti–CoA que serán

reducidas hasta formar el ácido graso, como puedes observar en la figura 9, siendo una

reacción inversa a la que ocurre en la ß-oxidación. En las células eucariotas,

la ß-oxidación ocurre en la mitocondria, en cambio la síntesis es un proceso

citoplasmático, principalmente de las células del hígado.

Figura 9. Comparación entre ß-oxidación y biosíntesis de ácidos grasos. Del lado izquierdo se muestra el catabolismo de lípidos y del lado derecho el anabolismo. Tomado de http://laguna.fmedic.unam.mx/~evazquez/0403/sintesis%20acidos%20grasos.html


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Los ácidos grasos se sintetizan en el organismo cuando su alimentación contiene pocas

grasas y/o muchos hidratos de carbono o proteínas. Para la síntesis de ácidos grasos se

requiere una cantidad alta de NADP reducido.

A continuación se lleva a cabo el proceso de biosíntesis de los ácidos grasos, en una ruta

inversa a la β-oxidación y se construye por la adición secuencial de grupos de dos

carbonos que suministran la acetil-CoA.

Antes de sintetizar el ácido graso, se llevan a cabo las siguientes reacciones

preparatorias:

1. La glucosa se convierte en piruvato en el citoplasma y se transporta a

las mitocondrias.

2. El piruvato se convierte en acetil-CoA y se condensa con el oxalacetato

para formar citrato.

3. Cuando la concentración de citrato es suficientemente elevada, este

se transporta al citoplasma.

4. Se fragmenta el citrato para formar acetil-CoA y oxalacetato.

Fase preparatoria


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La biosíntesis de ácidos grasos como el palmitato requiere acetil-CoA y el aporte de

energía química en dos formas: el potencial de transferencia de grupo del ATP y el poder

reductor del NADPH. Se requiere el ATP para unir CO2 al acetil-CoA produciendo malonil-

CoA; el NADPH se requiere para reducir los dobles enlaces.

Identificar las reacciones que participan en el mecanismo de biosíntesis de lípidos: 1. Se condensan los grupos acetilo y malonilo activados para formar acetoacetil-ACP con ayuda de la enzima β-cetoacil-ACP sintasa.

2. El acetoacetil-ACP se reduce en el grupo carbonilo del C-3 formando D-β-hidroxibutiril-ACP con la enzima β-cetoacil-ACP reductasa siendo el NADPH el donador electrónico.

3. Se elimina una molécula de agua a partir del C-2 y C-3 del D-β-hidroxibutiril-ACP, formándose un doble enlace en el producto trans-Δ2-butenoil-ACP con ayuda de la enzima β-hidroxiacil-ACP deshidratasa.

4. Se reduce el doble enlace del trans-Δ2-butenoil-ACP formando butiril-ACP por acción de la enzima enoil ACP reductasa y con el NADPH como donador de electrones.

Síntesis de lípidos


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De esta manera, cuando la célula tiene suficiente energía, utiliza el ATP y el NADH + H

para sintetizar moléculas que le permitan reservar energía como la glucosa (en forma de

glucógeno en las células animales y almidón en las células vegetales) o los triglicéridos.

3.2 Ácidos nucleicos

Todas las biomoléculas, en su conjunto, son de gran importancia; unas tienen mayor

abundancia en el organismo que otras y desempeñan funciones vitales para el buen

funcionamiento celular. Todas las biomoléculas forman parte de un sistema que tiene

como resultado la conformación de seres extraordinarios. Las proteínas, los

carbohidratos, los lípidos y los ácidos nucleicos son los responsables de generar vida. Los

ácidos nucleicos son polímeros formados por nucleótidos y en las células se encuentran

dos tipos: el RNA y DNA. Después de las proteínas, el ácido ribonucleico (RNA) es el tipo

de macromoléculas más abundante en una célula en crecimiento. Esto se debe a que en

cada célula hay miles de ribosomas (“máquinas” que fabrican nuevas proteínas) y los

ribosomas se componen de RNA y proteínas. Además están presentes cantidades

menores de RNA en la forma de RNA mensajero y de transferencia que también

participan en la síntesis de proteínas. En contraste, el DNA representa un componente

cuantitativamente minoritario en la célula en especial bacteriana.

Las últimas biomoléculas que estudiarás son los ácidos nucleicos. Aunque su estructura

puede ser la más simple, son de vital importancia en todos los seres vivos porque en ellos

reside la información para la síntesis de todas las funciones del organismo.

Los monómeros que constituyen a los ácidos nucleicos se denominan nucleótidos (figura

10) y están conformados por tres componentes esenciales: una base nitrogenada, un

azúcar pentósido (azúcar con cinco carbonos) y un grupo fosfato. Hay dos tipos de bases

nitrogenadas: las purinas, un doble anillo de nueve lados y las pirimidinas, un anillo de

seis lados. En los ácidos nucleicos se encuentran generalmente dos tipos de purinas y

tres tipos de pirimidinas; las dos purinas son adenina y guanina, abreviadas como A y G,

respectivamente. Las tres pirimidinas son la citosina, la timina y el uracilo que se abrevian

Los ácidos nucleicos son el material genético que cumple con cuatro funciones

principales en las células: replicación, almacenaje de la información, expresión

de esta información y variación por mutación.

Ácidos nucleicos


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como C, T, U, respectivamente. Tanto el DNA como el RNA contienen A, C y G;

únicamente el DNA contiene la base T, mientras que solo el RNA contiene la base U

(figura 11).

Figura 10. Estructura general de un nucleótido. Está conformado por una base nitrogenada, un azúcar y un grupo fosfato. Tomado de Curtis y Nelson, 2009.

Figura 11. Estructura de los desoxi y ribonucleótidos. En la parte superior se muestran los desoxinucleótidos y en la parte inferior los ribonucleótidos. Tomado de Nelson y Cox, 2009.


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El tipo de azúcar presente es la principal diferencia entre los dos tipos de ácidos

nucleicos: si está formado por desoxirribosa, como azúcar, entonces estamos hablando

del ácido desoxirribonucleico o DNA (por sus siglas en inglés desoxiribonucleic acid) y

si el azúcar es una ribosa entonces tenemos al ácido ribonucleico o RNA (por sus siglas

en inglés ribonucleic acid), los cuales también cumplen con funciones distintas que

analizaremos a continuación.

Una molécula compuesta por una base (purina o pirimidina) y por un azúcar (ribosa o

desoxirribosa) forma una unidad química denominada nucleósido. Si se añade un grupo

fosfato al nucleósido, la nueva molécula recibe el nombre de nucleótido. Los nucleósidos

y los nucleótidos reciben el nombre de la base nitrogenada específica que forma parte de

la molécula.

La unión entre los tres componentes de un nucleótido es muy específica. El átomo C-1 del

azúcar se une químicamente a la base nitrogenada, si la base es una purina, el átomo N-9

se une covalentemente al azúcar. Si la base es una pirimidina, la unión se efectúa por el

átomo N-1. Los nucleótidos pueden presentar el grupo fosfato unido al átomo C-2, C-3 o

C-5 del azúcar; sin embargo, la C-5 es la más frecuente en los sistemas biológicos (Klug,

et al., 2006).

Los nucleótidos también pueden describirse con el nombre de nucleósidos monofosfato

(NMP), podemos encontrar dideoxiadenosin 5’-monofofato (dAMP), dideoxiadenosin 5’-

difosfato (dADP) y dideoxiadenosin 5’-trifosfato (dATP) (figura 12).

Figura 12. Clasificación de los nucleótidos según el número de fosfatos presentes. Se muestran de azul el nucleótido formado por un fosfato, de verde el formado por dos fosfatos y de rojo el formado por tres fosfatos. Tomado de http://www.bionova.org.es/biocast/tema09.htm.


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En la síntesis de los nucleótidos se forma, en primer lugar, el nucleósido con la unión de

la base y la desoxirribosa para posteriormente formarse el nucleótido con la adición del

grupo fosfato. En la figura 13 se observa un ejemplo de síntesis de desoxiadenosina

(nucleósido formado por desoxirribosa y adenina) seguida de la adición del grupo fosfato

para formar el nucleótido desoxiadenosin 5’-monofosfato.

La unión entre dos mononucleótidos consiste en un grupo fosfato unido a dos azúcares

por medio de un enlace fosfodiéster ya que el ácido fosfórico se une a dos alcoholes

(grupos hidroxilo de los dos azúcares) por una unión éster en ambos lados, entre el OH

del carbono 3’ del nucleótido presente en la cadena con el fosfato del carbono 5’ del

nucleótido que se incorpora; de esta manera podemos observar cómo el crecimiento de

todas las moléculas de ácidos nucleicos siempre ocurre en dirección 5’-3’. La unión de

dos nucleótidos forma un dinucleótido, la de tres nucleótidos un trinucleótido y así

sucesivamente. Cadenas cortas de menos de 20 nucleótidos unidos reciben el nombre de

oligonucleótidos y cadenas más largas se denominan polinucleótidos (figura 14).

Figura 13. Síntesis de un desoxinucleótido. Primero se une el azúcar y la base por un enlace glucosídico y posteriormente se une el grupo fosfato por un enlace éster. Modificado de http://www.vi.cl/foro/topic/7227-biomoleculas-metabolismo-cuestiones-resueltas/page_st_100.


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Figura 14. Formación del enlace fosfodiéster. El nuevo nucleótido se incorpora en el extremo 3’ por lo que el crecimiento se dará en dirección 5’3’. Modificado de http://cienciastella.com/ADN.html y http://www.iesaltoalmanzora.es/centro/departamentos/biologia/2bto_bio/unid6.htm.


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3.2.1 Estructura del DNA

El DNA es un polímero de doble cadena compuesto por desoxinucléotidos enrollados

alrededor de un eje central formando una doble hélice; las dos cadenas son

antiparalelas, es decir tienen una orientación en direcciones opuestas. Las bases

nitrogenadas de las cadenas opuestas están apareadas como resultado de la formación

de puentes de hidrógeno; en el DNA únicamente se permiten los emparejamientos A═T y

G≡C unidos por un doble o triple enlace respectivamente. Cada vuelta completa de la

hélice tiene una longitud de 34 Å. De este modo, cada vuelta de la cadena contiene 10

bases, en la molécula puede observarse un surco mayor y un surco menor que se

alteran a lo largo del eje, presentando un diámetro la doble hélice de 20 Å (figura 15 y 16).

Figura 15. Estructura del DNA o ácido desoxirribonucléico. Se muestran los nucleótidos unidos por puentes de hidrógeno, donde cada cadena tiene la dirección opuesta. Tomado de: http://fundaweb.galeon.com/


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El DNA es una molécula muy flexible y puede encontrarse en tres conformaciones

dependiendo de las condiciones de aislamiento: el DNA-A presente cuando el DNA está

en una solución poco acuosa; el DNA-B, el más estable, descubierto por Watson y Crick

en 1953 y el DNA-Z donde se observan giros levógiros (a la izquierda) en vez de

dextrógiro (a la derecha) como en las otras formas, además presenta 12 pares de bases

por vuelta adquiriendo una conformación en zigzag. Comparado con el DNA-B, el DNA-A

es ligeramente más compacto al tener nueve pares de bases en cada vuelta completa de

la hélice. En esta molécula, a pesar de ser dextrógira, la orientación de sus bases es

diferente ya que están inclinadas y desplazadas lateralmente en relación al eje de la

hélice; el resultado de estas diferencias, si se compara con el DNA-B, es una modificación

en la apariencia del surco mayor y del menor (Figura 17).

Figura 16. Estructura tridimensional del DNA. En los extremos se muestran las claves de cada uno de los átomos y moléculas que se componen y en el centro se representa la doble hélice. Modificado de http://www.fromquarkstoquasars.com/cells-and-dna-a-basic-breakdown/.


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En los últimos años se han descubierto otras tres formas de hélice de DNA dextrógiro en

condiciones de laboratorio que se han designado como DNA-C, -D y –E. El DNA-C se

encuentra en condiciones de mayor deshidratación que en las que se obtiene el DNA-A y –

B. Tiene solamente 9.3 pares de bases en cada vuelta y por lo tanto es menos compacto;

el diámetro de la hélice es igual que el del DNA-A con la diferencia que no tiene los pares

de bases dispuestos horizontalmente sino inclinados en relación al eje de la hélice. Las

otras dos formas, el DNA-D y DNA-E, se producen en hélices cuya composición de bases

carece de guanina y tienen menos número de bases por vuelta, 8 y 7 respectivamente (Klug

y et. al., 2006).

Figura 17. Principales conformaciones del DNA. Se muestran las tres principales topologías del DNA: la B, A y Z. Tomado de http://what-when-how.com/wp-content/uploads/2011/05/tmp1E3128_thumb_thumb.jpg


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3.2.2 Organización del DNA

Los organismos procariontes (aquellos que no tienen núcleo como las bacterias) tienen el

DNA en forma circular, mientras que en los organismos eucariontes (células presentes

en algas, hongos, protozoos, vegetales y animales) se encuentra en forma lineal.

El DNA de las células eucarióticas se organiza en cromosomas donde este y diversas

proteínas forman complejos. Los cromosomas están formados por fibras de cromatina

estrechamente espiralizadas. Las proteínas asociadas se clasifican en histonas cargadas

positivamente y en no histonas con una carga positiva menor, ambas proteínas

contienen grandes cantidades de lisina y arginina (aminoácidos) cargados positivamente,

lo que les posibilita unirse electrostáticamente a los grupos fosfato de los nucleótidos que

tienen carga negativa.

En la cromatina el DNA y las proteínas experimentan un gran enrollamiento y plegamiento

al condensarse dentro del núcleo celular. Las fibras de cromatina están compuestas por

partículas esféricas dispuestas linealmente denominadas nucleosomas que parecen

cuentas de un collar ya que están dispuestas en el eje de la cromatina de manera regular.

Una fibra de cromatina de 11 nm se empaqueta todavía más en una estructura gruesa de

20 nm que inicialmente recibió el nombre de solenoide. Está formada por nucleosomas

estrechamente enrolladas, generando el segundo nivel de empaquetamiento.

Esta estructura formada mide aproximadamente 30 nm. Crea una serie de dominios en

forma de lazo que condensan, todavía más, la fibra de cromatina cuyo diámetro es ahora

de 300 nm generando el tercer nivel de empaquetamiento. Posteriormente, las fibras se

enrollan en los brazos del cromosoma constituyendo una cromátida que a su vez forma

parte del cromosoma metafásico. Estos empaquetamientos permiten condensar todo el

material genético en un espacio muy reducido que estará contenido en el núcleo (Figura

18).

Los cromosomas bacterianos tienen una forma relativamente simple ya que solo

presentan una molécula de DNA de doble cadena compactada en una estructura que se

denomina nucleoide (Figura 19). El DNA está asociado a varios tipos de proteínas de

unión al DNA, como las HU y U que como las histonas contienen un alto porcentaje de

aminoácidos cargados positivamente que pueden unirse iónicamente a las cargas

negativas de los grupos fosfato del DNA (Klug y et. al., 2006).


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Figura 18. Organización del DNA eucariótico. Modelo general de asociación entre histonas y DNA en el nucleosoma que esquematiza la manera en que la fibra de cromatina podría enrollarse en estructuras más condensadas produciendo al final un cromosoma mitótico. Tomado de Klug y et. al., 2006.


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3.2.3 Clasificación y estructura del RNA

El RNA es una molécula con estructura similar a la del DNA pero con varias excepciones

importantes. Aunque el RNA también tiene por piezas nucleótidos unidos en cadenas de

polinucleótidos, el azúcar ribosa reemplaza a la desoxirribosa y la base nitrogenada

uracilo reemplaza a la timina. Otra diferencia importante es que la mayor parte del RNA es

de cadena sencilla.

Existen muchos tipos diferentes de RNA. En la tabla 1 se muestra una clasificación de

acuerdo a su función celular.

Figura 19. Cromosoma bacteriano. Se muestra la estructura del DNA cromosomal de una bacteria. Tomado de http://4.bp.blogspot.com/-myWkM7HLrpc/UEStvIxKnHI/AAAAAAAAALk/4Ohzi5wD8lA/s1600/E+coli.jpg

http://www.google.com.mx/url?sa=i&rct=j&q=&esrc=s&source=images&cd=&cad=rja&uact=8&ved=0CAcQjRw&url=http://picnogonida.blogspot.com/2012/09/sintesis-de-adn-bacteriano.html&ei=YbeeVfXDJMGwsQXLxrvoBQ&psig=AFQjCNHdaaymuc08FQTPnnOWdC5wwCpNEg&ust=1436551370491276


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Tipos de ARN clasificados según su función celular

Debido a su importancia y abundancia en la célula, únicamente estudiarás las estructuras

de los RNA involucrados en la síntesis de proteínas, sin embargo revisarás la importancia

biológica de cada uno de ellos más adelante.

El RNAm o RNA mensajero tiene una estructura lineal y su función es la de llevar el

mensaje para la síntesis de proteínas. En las células eucariotas lo encontramos protegido

en el extremo 5’ por un conjunto de proteínas denominado CAP y el extremo 3’ por una

cola de poli A (varios adenosín 5’-monofosfatos unidos), de esta manera se inhibe la

degradación del mismo por enzimas especializadas denominadas ribonucleasas. (Figura

20).

Función celular Tipo de RNA

Síntesis de proteínas

Mensajero

de transferencia

Ribosómico

Reguladores

De interferencia

Micro ARN

Interferente pequeño

Asociados a Piwi

Antisentido

Largo no codificante

Riboswitch

Con actividad catalítica

Ribozima

Espliceosoma

Pequeño nuclear

Figura 20. RNA mensajero. Estructura del ARNm presente en una célula eucariota. Tomado de: http://www.inmegen.gon.mx/es/divulgacion/glosario-de-terminos


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El RNAt o RNA de transferencia adopta un plegamiento característico gracias a los

enlaces que se forman entre las bases presentes en la cadena (figura 21). Se destacan

dos puntos clave en su función, el primero es el extremo 3’ donde se une el aminoácido

que se incorporará a la cadena peptídica durante la síntesis de la proteína, el segundo es

el anticodón que será el encargado de leer el mensaje del ARNm.

El RNAr o RNA ribosomal constituye alrededor del 80 % del ARN total de una célula.

Varios tipos de RNA, junto con diferentes proteínas, forman los ribosomas celulares, lugar

donde ocurre la síntesis de proteínas. En el caso de las células procariotas podemos

encontrar el RNAr 5S, 16S y 23S mientras que en los eucariotas están los RNAr 5S, 5,8S,

18S y 28S (figura 22). La S significa coeficiente de Svedberg y se refiere al

Figura 21. Estructura del ARN de transferencia. Se observa como el plegamiento es debido a las uniones de las bases nitrogenadas G-C y A-U. Tomado de: http://sintesis-jmr.blogspot.mx/2010/11/arn-mensajero-arn-de-transferencia-html


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comportamiento de sedimentación que depende de la densidad, la masa y la forma de la

molécula.

3.2.4 Función bioquímica de los ácidos nucleicos

Dentro de los ácidos nucleicos se encuentra la molécula de ATP, la cual es un

ribonucleótido capaz de almacenar energía en los enlaces fosfodiéster presentes, de

manera que cuando se hidroliza un fosfato se producen 7,7 cal/ml o lo que es lo mismo,

31 KJ/mol. En la figura 23 se muestra la hidrólisis y síntesis de esta molécula durante los

procesos bioquímicos.

Al igual que el ATP, el GTP también es una molécula que almacena energía, otra de sus

funciones es ser la encargada de proveer la energía suficiente para que se produzcan los

enlaces peptídicos durante la síntesis de las proteínas.

Figura 22. RNA ribosomal. Se muestran las diferencias entre las subunidades mayores y menores del RNAr de eucariotas y procariotas. Tomado de http://genomasur.com/lecturas/11-21-G.gif


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También tenemos al AMPc y el GMPc derivados del ATP y GTP respectivamente, donde

el átomo de fosfato forma un anillo al estar unido al carbono 5’ y 3’ (figura 23). Estas

moléculas están implicadas en la regulación celular siendo uno de los principales

segundos mensajeros celulares. Todas las células se comunican unas con otras y

detectan el medio ambiente donde habitan para responder a los cambios que se

producen, para ello, en las membranas celulares existen proteínas cuya función es la

recepción de estos mensajes para comunicarlos a la célula y así actuar en consecuencia.

En la mayoría de los casos, esta señal se transmite utilizando segundos mensajeros que

llevan la señal de la membrana hasta el núcleo u organelo que deben responder a ella.

Desde hace años se ha demostrado que existen varios tipos de RNA con actividad

catalítica como las ribozimas. Otro ejemplo es el rRNA presente en el ribosoma y que se

encarga de formar el enlace peptídico durante la síntesis de proteínas. Los primeros en

sugerir esta actividad fueron Crick y Orgen en 1967, pero no fue hasta 1980 cuando Cech

Altman lo demostró de manera independiente.

El resto de las funciones bioquímicas de los ácidos nucleicos están implicados en la

expresión de proteínas, el almacenamiento y la transmisión del material genético a

la descendencia.

La secuencia de aminoácidos de las proteínas está codificada por la secuencia de bases

nitrogenadas del DNA. Para ello se llevan a cabo dos procesos que constituyen el Dogma

Central de la Biología Molecular (figura 24): en primer lugar se da el proceso de

transcripción donde la secuencia de DNA se transforma en RNAm y posteriormente

ocurre la traducción donde la secuencia, específicamente del RNAm, es leído por el

RNAt para formar la proteína correspondiente en los ribosomas.

Figura 23. Estructura del AMPc y GMPc. Se muestra la estructura de dos moléculas de energía empleadas durante la señalización celular. Tomado de Nelson y Cox, 2009.


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Por otro lado, es importante que se produzcan las proteínas necesarias en cada situación

ya que un exceso de las mismas equivaldría a un gasto de energía innecesario y una falta

de alguna proteína podría conllevar la muerte de los organismos. Es por ello que la

regulación de los genes, que deben expresarse en cada momento, es de vital

importancia. Es ahí donde están involucrados los RNA reguladores como el ARN de

interferencia, el antisentido, los MicroARN o los Riboswith, entre otros.

Actividades

La elaboración de las actividades estará guiada por tu Docente en línea,

mismo que te indicará, a través del Organizador Didáctico de Aprendizaje

(ODA), la dinámica que tú y tus compañeros llevarán a cabo, así como los

envíos que tendrán que realizar.

Los procesos de transcripción, traducción y replicación los estudiarás con

mayor detalle en la asignatura Biología molecular, por ello es importante que

distingas la estructura y características diferenciales del DNA y RNA.

Enlaces

Figura 24. Dogma central de la biología molecular. La duplicación del material genético se denomina replicación, el paso del DNA al RNA se llama transcripción y de RNA a proteínas traducción. Tomado de https://imperiodelaciencia.files.wordpress.com/2011/10/lo-que-creen-que-es-el-dogma.jpg


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Autorreflexiones

Para la parte de autorreflexiones debes de consultar el foro Preguntas de

Autorreflexión para realizar la actividad correspondiente y enviarlo a la

herramienta de Autorreflexiones. Cabe recordar que esta actividad tiene una

ponderación del 10 % de tu evaluación.

Para el envío de tu autorreflexión utiliza la siguiente nomenclatura:

BBIQ_U3_ATR _XXYZ, donde BBIQ corresponde a las siglas de la asignatura,

U1 es la unidad de conocimiento, XX son las primeras letras de tu nombre, y la

primera letra de tu apellido paterno y Z la primera letra de tu apellido materno.

Cierre de la unidad

La biotecnología es el uso de organismos vivos para fines industriales o comerciales. En

este sentido, la biotecnología abarca desde el uso de levaduras en la elaboración de

bebidas fermentadas hasta el uso de sanguijuelas para curar heridas, técnicas utilizadas

por el ser humano desde los albores de la civilización. No obstante, la palabra

biotecnología implica que los organismos utilizados para realizar el proceso han sido

modificados genéticamente mediante técnicas de ingeniería genética.

Al finalizar esta unidad y concluir la asignatura, tienes un panorama general de todas

aquellas macromoléculas que en su conjunto brindan información detallada para la

manipulación tanto genética como microbiana de los seres vivos.

La bioquímica es una de las ciencias más importantes en las cuales se apoya la

ingeniería de biotecnológica para realizar investigaciones y determinaciones que

conlleven una mejora continua de innovaciones tecnológicas. Conocer las rutas

anabólicas y catabólicas permite sentar las bases para continuar con el estudio de las

células, la fisiología de los animales y las plantas, así como su aplicación en los procesos

biotecnológicos.

Otra de las grandes aplicaciones que estudiarás posteriormente es la biología molecular,

asignatura en la continuarás con el análisis de los ácidos nucleicos y sus aplicaciones,

asimismo utilizarás estos conceptos en la modificación del genoma de los organismos

para mejorar procesos o productos.

En este momento puedes identificar procesos que llevarán a una mejora continua de

innovaciones tecnológicas pero no es la única herramienta para tal fin, el conjunto de varias


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ciencias te guiarán hacia una respuesta a los constantes cambios que obligan a afrontar

nuevos retos y seguir construyendo una nueva visión biotecnológica.

Para saber más

BIOsíntesis de ácidos grasos https://www.youtube.com/watch?v=wxGgLKn53hI

β-OXIDACIÓN

https://www.youtube.com/watch?v=mKp_GmmtLy0

Oxidación de los ácidos grasos

http://www.uv.es/marcof/Tema20.pdf

Estructura del DNA

https://www.youtube.com/watch?v=7Q2D4lzVNqA

Estructura terciaria y cuaternaria del DNA

https://www.youtube.com/watch?v=GJViy9Iw5go


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Fuentes de consulta

1. Curtis, H. Barnes, N.S. (2009) Biología. Editorial Médica Panamericana.

2. Lodish. H. Berk, A. Matsudaria, P. Kaiser, C. Scott, M. Zipursky, L. Darnell,

J. (2007). Biología celular y molecular. 5ª edición. México. Editorial Médica

Panamericana.

3. Madigan, M.T., Martinko, J.M., Parker, J., Brock Biology of

Microorganisms, 10ª Ed. Prentice Hall, Upper Saddle River, NJ, EEUU,

2003

4. Mathews, C.K; Van Holde, K. E; Ahern, K.G. (2002). Bioquímica. 3a

edición. México. Pearson Addison Wesley.

5. McKee T y McKee J. (2003). Bioquímica: La base molecular de la vida.

España. Tercera edición. Ed McGraw Hill – Interamericana.

6. Nelson, D.L., Cox, M.M. (2009). Lehninger: Principios de Bioquímica.

España. Editorial Omega.

Estructura Primaria y Secundaria del ADN

https://www.youtube.com/watch?v=UdDsb-lmaJI

Tipos de ARN

http://es.scribd.com/doc/23794366/Tips-de-arn

Descubrimiento del Ribozyme

http://www.news-medical.net/health/Ribozyme-Discovery-(Spanish).aspx

ADN y ARN

https://www.youtube.com/watch?v=BjEFRONjWIo

Bioquímica - Universidad Abierta y a Distancia de México

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