ÁCIDOS NUCLÉICOS Ácidos nucleicos

Composición química. Nucleósidos, nucleótidos.

Tipos de nucleótidos y funciones que desempeñan.

Polinucleótidos cadenas de ácidos nucleicos. Enlace fosfodiéster.

Ácido desoxirribonucleico ADN; estructura primaria; estructura secundaria o modelo de la doble hélice;

estructura terciaria.

Empaquetamiento del ADN en el núcleo interfásico estructura de la cromatina: nucleosoma y collar de

perlas, fibra cromatínica de 30 nm 300Å,

El ácido nucleico ARN. Tipos de ARN: ARNm y su proceso de maduración; ARNt; ARNr; ARNn

Funciones biológicas de los ácidos nucleicos.

Composición química. Nucleósidos, nucleótidos CHONPS

Son macromoléculas orgánicas, de elevado peso molecular, formadas por otras subunidades

estructurales o monómeros, denominados nucleótidos.

Nu1 + Nu2 + Nu3 + Nu3 + Nu1 + Nu2... = Nu1- Nu2- Nu3 -Nu3-Nu1-Nu2…

(ácido nucléico)

El descubrimiento de los ácidos nucleicos se debe a

Meischer (1869), el cual trabajando con leucocitos y

espermatozoides de salmón, obtuvo una sustancia rica

en C, H, O, N y un porcentaje elevado de P. Se le

llamó nucleina, por encontrarse en el núcleo.

Años más tarde, se fragmentó esta nucleina, y se

separó un componente proteico y un grupo prostético,

este último, por ser ácido, se le llamó ácido nucleico. En 1953, James Watson y Francis Crick, descubrieron la

estructura tridimensional del ADN.

FUNCIÓN: Los ácidos nucleicos son el ADN y el ARN y tienen como misión almacenar la

información genética y mantenerla de generación en generación. Contienen las instrucciones

necesarias para realizar los procesos vitales mediante la síntesis de proteínas.

NUCLEOTIDOS Y NUCLEOSIDOS-

Cada nucleótido se compone de tres componentes:

a) Una pentosa: ribosa o desoxirribosa

b) Ácido ortofosfórico

c) Una base nitrogenada, que puede ser:

- Púrica:la Guanina (G) y la Adenina (A)

- Pirimidínica: la Timina (T), Citosina (C) y Uracilo (U)

La unión de una pentosa con una base nitrogenada se le llama nucleósido.

Esta unión se hace mediante un enlace N-glucosídico entre el C1´ de la

pentosa y un N de la base. Si la pentosa es una ribosa, tenemos un

ribonucleósido. Sus bases pueden ser la adenina, guanina, citosina y

Uracilo.

Si la pentosa es una desoxirribosa, tenemos un desoxirribonucleósido.

Estos tienen como bases: la adenina, citosina, guanina y timina.

base

NUCLEÓSIDO

Los nucleósidos del ARN se nombran con el sufijo

OSINA añadido a la base púrica e IDINA si es

pirimidínica. En el los del ADN se añade el prefijo

desoxi. Ejemplo: adenosina, desoxiadenosina, citidina, uridina, guanosina…. Si al nucleósido le unimos el ácido fofórico H3PO4

se forma el NUCLEÓTIDO . Esta unión se da por

el C5´de la pentosa mediante enlace fosfoéster.

Se nombran añadiendo fosfato al nucleósido.

NUCLEÓTIDOS DEL ADN

Cada ácido nucléico se compone de 4

Nu distintos. Nómbralos.

En el ADN aparecen 4 bases :

En el ARN también aparecen 4 pero

en lugar de timina tiene Uracilo

base púrica (A y G) base pirimídica (C,T y U)

POLINUCLEÓTIDOS CADENAS DE ÁCIDOS NUCLEICOS. ENLACE FOSFODIÉSTER

Los nucleótidos se enlazan para formar polímeros: los ácidos nucleicos o polinucleótidos.

La unión es una esterificación que se realiza entre el grupo fosfato situado en posición 5´ de

un nucleótido y el OH que se encuentra en el carbono 3´de otro nucleótido.

Adenosin 5´fosfato + Guanosin 5´fosfato = DINUCLEÓTIDO + H2O

La secuencia de estas bases nitrogenadas es la que proporciona

especificidad a una cadena polinucleótida determinada.

En todos los polinucleótidos existe un extremo (denominado 3´)

en el que la pentosa tiene OH libre) y un extremo 5´con un

fosfato libre. Al extremo 3´se le van añadiendo los siguientes

nucleótidos hasta formar un polinucleótido. Cientos o miles de Nu se unen para formar un ácido nucléico. La cadena de la izquierda,

de forma simplificada sería: 5´ T-C-A-G 3´

En el ADN existen 4 nucleótidos distintos y en el ARN otros cuatro. Además de estos 8 Un hay

nucleótidos que no forman ácidos nucléicos como hemos visto en los coencimas NAD, FAD, ATP etc.

Localización. En células eucariotas, se encuentran en el núcleo asociados a histonas. También

se encuentran en procariotas y en mitocondrias y cloroplastos, en pequeña cantidad.

5´

En la cadena de ácido

nucleíco, el ácido

fosfórico es el que une

dos nucleótidos por sus

pentosas mediante

enlaces éster, llamados

NUCLEOTÍDICOS o

fosfodiester (son 2).

Como el enlace siempre es

entre pentosas y fosfatos,

las bases nitrogenadas no

participan en los enlaces.

Se forman larguísimas

cadenas de pentosa-fosfato-pentosa-fosfato…,

en las que las bases quedan

colgando lateralmente de

las pentosas.

3´

El ADN - ÁCIDO DESOXIRRIBONUCLEICO- estructura primaria; estructura secundaria

o modelo de la doble hélice; estructura terciaria.

NIVELES ESTRUCTURALES DEL ADN:

ESTRUCTURA PRIMARIA

Se trata de la secuencia de desoxirribonucleótidos de una de las cadenas. La información

genética está contenida en el orden exacto de los nucleótidos, definido por las bases (imagen

de la página anterior 5´ T-C-A-G …… 3´).

ESTRUCTURA SECUNDARIA DEL ADN

1-El ADN es una cadena doble. Está constituido por dos cadenas de desoxirribonucleótidos

unidas por sus bases. Siempre así:

2- Las cadenas están

unidas entre sí por puentes

de hidrógeno que se

forman entre las bases

nitrogenadas. La adenina

enlaza con la timina,

mediante dos puentes de

hidrógeno, mientras que la

citosina

enlaza con

la guanina,

mediante

tres puentes. Son

complementarias.

3- Las cadenas son

antiparalelas (orientación contraria) porque el extremo 3´de una se enfrenta al extremo

5´de la otra.

4-Las dos cadenas están enrolladas en espiral

formando una doble hélice. Las bases

nitrogenadas quedan en el interior de ella y los

esqueletos pentosa-fosfato-pentosa-fosfato-…,

en el exterior

5- El enrollamiento de la doble hélice es en el

sentido de las agujas del reloj (dextrógira)

6-La anchura de la hélice es de 20 A y cada pareja de bases está separada de la siguiente

por una distancia de 3,4 A.

Esta estructura permite explicar el almacenamiento de la información genética y el

mecanismo de duplicación del ADN.

La estructura secundaria, por tanto, corresponde a la disposición en el espacio de dos

hebras o cadenas de polinucleótidos que forman una doble hélice, con las bases

nitrogenadas enfrentadas y unidas mediante enlaces de hidrógeno.

El modelo de la DOBLE HÉLICE DEL ADN fué postulado por WATSON Y CRICK (1953),

basándose en los siguientes estudios anteriores:

1- Estudios sobre difracción de rayos X que habían realizado Rosalind Franklin y Wilkins-

Estos estudios permitieron conocer la medida de la estructura de 20 A del diámetro de la

fibra. También que cada pareja de Nu está separada de la siguiente por una distancia de 3,4

A y que cada vuelta de la doble hélice está formada por 10 pares de Nu, o sea, una

longitud de 34 A por vuelta de hélice.

2- Estudios de Chargaff, de la equivalencia de bases, que dice

que la suma de adeninas más guaninas es igual a la suma de timinas

más citosinas.

De aquí surgió la idea de que esta molécula contenía dos cadenas

complementarias de nucleótidos que se enrollaban en espiral.

ESTRUCTURA TERCIARIA DEL ADN

La estructura 3ª se da mediante plegamientos de la doble hélice

y empaquetamientos para poder almacenarse grandes cantidades

de ADN en un volumen reducido, que permita a la vez ser accesible.

El plegamiento es mayor en el caso de células eucariotas que en

procariotas, por la cantidad de ADN que hay que empaquetar en el

núcleo. Por ello encontramos dos tipos de ESTRUCTURA TERCIARIA:

1- Estructura 3ª en PROCARIOTAS y en ADN de mitocondrias y cloroplastos

En ellas, la fibra de ADN de 20 A

se retuerce sobre sí misma

formando una super-hélice

circular. Se llama ADN

superenrollado (mira el dibujo

siguiente).

Se ha visto que se asocia a una

pequeña cantidad de proteínas.

Lo mismo ocurre en la mitocondrias y en los plastos.

2- EUCARIOTAS- Como hemos dicho, el ADN se empaqueta con proteínas –histonas- para

formar la cromatina. A partir de ahora, a los niveles de condensación les llamaremos niveles

de empaquetamiento (no se habla de estructura cuaternaria). Sí “estirásemos” el ADN de cada célula alcanzaríamos una longitud de 2 metros y si pusiésemos todo el ADN de un ser humano,de todas las células del ser humano en línea recta llegaría a Plutón o haríamos 70 viajes de ida/vuelta al sol.

Para introducir esta larga hebra en un núcleo celular de una micra y para formar el

cromosoma, el ADN se asocia con proteínas y se empaqueta, dándose una elevada

condensación gracias a su unión con las

proteínas del núcleo (histonas). Los

niveles de empaquetamiento son:

1.Hebra simple de ADN.

2. Hebra de cromatina (ADN con histonas,

"collar de perlas").

3. Cromatina durante interfase (con

centrómero)

4.Cromatina condensada durante

la profase (Dos copias de ADN están

presentes).

5. Cromosoma durante la metafase. Si en el 1 el ADN mide 2 metros, en el 5 se ha reducido a décimas de micra

EMPAQUETAMIENTO DEL ADN EN EL NÚCLEO INTERFÁSICO- ESTRUCTURA DE LA

CROMATINA: NUCLEOSOMA Y COLLAR DE PERLAS, FIBRA CROMATÍNICA DE 300Å,

La doble espiral de 20 A (estruc. secundaria), se va

empaquetando con las histonas formando el nucleosoma,

unidad fundamental de la cromatina de las células eucariotas.

El nucleosoma está formado por el octámero de histonas con

el ADN enrollado sobre ellas, en dos vueltas.

Los nucleosomas están unidos por segmentos de ADN (el

ADN espaciador), formando el primer nivel de

empaquetamiento de “collar de perlas” de 100 A (10nm).

Se llama eucromatina.

Esta fibra de 100 A se va empaquetando más hasta formar el

solenoide o fibra cromatínica de 300A (30nm): Este

segundo nivel de empaquetamiento se da porque los

nucleosomas se compactan, enrollándose de manera helicoidal

y formando los solenoides. Se llama heterocromatina.

Este nivel de

empaquetamiento es el que

presenta el ADN en estado

de cromatina (la del núcleo

en interfase). En este

estado, la célula está activa

y los genes se transcriben

porque el ADN está

accesible. Corresponde al número 3 de la imagen superior.

Collar de perlas SOLENOIDE y su

sección transversal

EMPAQUETAMIENTO DEL ADN EN EL NÚCLEO MITÓTICO: EL CROMOSOMA

Cuando la célula entra en mitosis o meiosis, esta fibra del núcleo

interfásico de 300 A experimenta mayores niveles de condensación y la

cromatina se empaqueta aún más, mediante enrollamientos de

enrollamientos, formando grandes bucles o lazos. Estos forman

rosetones de bucles hasta formar la cromátida de cada cromosoma.

Sería el tercer nivel de empaquetamiento cuyo grado de compactación es

unas 10000 veces mayor que el ADN desnudo. En este estado, el ADN

no es accesible a las enzimas para que pueda realicar sus funciones.

a. ADN, b. collar de perlas, c. solenoide, e.bucle, f. cromatina

(rosetones de bucles y espirales de rosetones). En la foto aparece la

disposición en collar de perlas de la fibra de cromatina, forma en

que se observa la cromatina mediante microscopía electrónica cuando

la célula está en interfase.

2 nm=20A

10nm

100A

=300A

Desnaturalización del ADN- Cuando la temperatura

alcanza el punto de fusión del ADN, la agitación

térmica es capaz de separar las dos hebras y producir

una desnaturalización. Este es un proceso reversible, ya

que al enfriar lentamente puede renaturalizarse.

En este proceso se rompen los puentes de hidrógeno

que unen las cadenas y se produce la separación de las

mismas pero no se rompen los enlaces fosfodiester

covalentes que forman la secuencia de la cadena.

La desnaturalización del ADN puede ocurrir, también,

por variaciones en el pH.

FUNCIONES BIOLÓGICAS DE LOS ÁCIDOS NUCLEICOS

Función del ADN

1 –Almacenamiento de la información genética-

El ADN contiene la información genética necesaria

para la síntesis de todas las proteínas de un

organismo. Los genes, son fragmentos de ADN

que dirigen la síntesis de una proteína.

2- Duplicación del ADN- La doble hélice es capaz

de formar dos copias idénticas de sí misma que se

repartirán en las células hijas. De esta manera, la

información genética se transmite de generación

en generación.

3. Transcripción o síntesis de ARN, que colabora

con el ADN en su función.

Función de los ARN

Participan en la síntesis de proteínas.

ARNm- Transmite el mensaje genético codificado

por el ADN pues es una copia de una parte del ADN

que será utilizada por los ribosomas como guía para

unir los aminoácidos en el orden adecuado y poder

así constituir una proteína.

ARNr:- Forma parte de los ribosomas y participa en

la síntesis de proteínas.

ARNt:- Se encarga de transportar los aminoácidos hasta los ribosomas en la síntesis de

proteínas. Cada molécula de ARNt transporta un aminoácido específico.

ARNn- Es precursor de los ARNr y el ARNpn realiza la maduración del ARNm

Distinguiremos bien los tres procesos:

REPLICACIÓN

TRANSCRIPCIÓN

TRADUCCIÓN

Entre todos los ac. Nucléicos realizan la expresión del mensaje genético, que se realiza en dos fases:

- Transcripción del ADN para formar todos los ARN - Traducción, en los ribosomas, del mensaje contenido en el ARNm a proteinas.

ARN- EL ÁCIDO RIBONUCLEÍCO –

Consiste en una molécula lineal de

nucleótidos, es decir, monocatenaria, que

se forma por la polimerización de

ribonucleótidos. Recodamos que se forman por la unión de: a) un grupo fosfato. b) aldopentosa –ribosa-, y c) una base nitogenada unida al carbono 1’ de la ribosa, que puede ser citosina, guanina, adenina y uracilo.

Algunos virus, presentan una excepción

pues tienen ARN formando cadenas

dobles, como es el caso de los reovirus.

La estructura primaria del ARN viene

dada por la secuencia de las bases

nitrogenadas de sus nucleótidos.

Tipos de ARN

El ARN mensajero (ARNm), el ARN ribosomal (ARNr), el ARN de transferencia (ARNt), el

ARN nucleolar y el ARNpn pequeño nucleolar. Todos se forman en el núcleo, a partir del ADN.

1- ARN MENSAJERO ARNm- Sus características son:

- Cadenas de largo tamaño. Son los ARN más largos y pueden

tener entre 1000 y 10000 nucleótidos. Sólo tiene estructura

primaria.

-Se forma en el núcleo y transporta el mensaje o

información necesaria para la síntesis proteica, por lo que se

encuentra en el núcleo y en el citoplasma.

-Cada ARNm tiene información para sintetizar una proteina

determinada.

- Su vida media es corta. Se forman y se destruyen

continuamente.

- Para proteger la información, los extremos presentan: a) En procariotas, el extremo 5´posee un grupo trifosfato.

b) En eucariontes en el extremo 5´posee un grupo metil-

guanosina unido al trifosfato, y en el extremo 3´posee una

cola de poli-A (150-200 nucleótidos de adenina)

- Cuando se forma en el núcleo, a partir de

ADN, copia la información genética de éste.

Sin embargo, necesita un proceso de

maduración, que tiene lugar en el nucléolo, y

que consiste en cortar partes que se han

transcrito del ADN pero que no tienen

información para la síntesis de proteínas.

FUNCIÓN- Esta información la saca al citoplasma, hasta los ribosomas, para que se cumpla el mensaje

contenido en el ADN. Esto se realiza mediante la síntesis de proteínas en los ribosomas, ayudado por

el ARN transferente.

El ARNm dicta con exactitud la secuencia de aminoácidos en una cadena polipeptídica en particular.

Las instrucciones residen en tripletes de bases a las que llamamos codones.

2- ARN RIBOSOMAL (ARNr)- forma los ribosomas.

Este tipo de ARN, una vez formado, pasa al nucleolo donde se une a proteínas. De

esta manera se forman las dos subunidades de los ribosomas. Aproximadamente dos

terceras partes de los ribosomas corresponde a sus ARNr.

- Es el soporte donde se produce la síntesis de proteinas.

3- ARN DE TRANSFERENCIA (ARNt) Sus principales características son.

- Son moléculas de pequeño tamaño (unos 75 nucleótidos) que se

encuentran en el citoplasma, aunque se forman en el núcleo.

-Está formado por una sola cadena, aunque en algunas zonas está

replegado, concretamente en cuatro segmentos y establece puentes

entre bases nitrogenadas, posee por tanto, algunas zonas con

estructura secundaria. Esto hace que en las zonas donde no hay

bases complementarias adquieran un aspecto de bucles, como una

hoja de trebol.

- Los plegamientos se llegan a hacer tan complejos que adquieren una

estructura terciaria, llamada hoja de trébol plegada.

- En su estructura presenta un triplete de bases complementario de

un codón determinado, lo que permitirá al ARNt reconocerlo con

exactitud y dejar el aminoácido en el sitio correcto. A este triplete

lo llamamos anticodón.

El anticodón GAA es complementario del codón CUU, que a su vez se formó de un codógeno del ADN,

el GAA. Estos codógenos del ADN se hacen presentes en el citoplasma sin que el ADN salga del

núcleo-

Función: El ARNt se encarga de transportar los aminoácidos libres del citoplasma al lugar de síntesis

proteica (ribosomas), siguiendo el dictado del ADN.

El aminoácido siempre se une en el extremo 3´terminal

4- ARN NUCLEOLAR – Es precursor de los ribosomas

(de los ARNr). Se encuentra en el nucleolo y posee una

masa molecular de 45 S. La función del nucléolo es

formar los ribosomas, es decir, los ARNr.

A partir de este ARN se forma el ARNr de 28 S y el

ARNr 5,8 S (de la subunidad mayor), y el ARNr 18 S

(de la subunidad menor).

5-ARN pequeño nucleolar-(ARNpn)- Se encuentra en

eucariotas y se sintetiza en el nucleolo. Son moléculas

de pequeño tamaño y poseen mucho uracilo en su

composición. Se asocian a proteinas del núcleo y

forman ribonucleoproteinas pequeño nucleares (RNPpn) Función: corte y empalme de ARN en el

proceso de maduración de los ARNm, pues hay que eliminar intrones.

ribosoma procarionte

60S

40S

80S en total

Son nucleótidos de gran importancia

biológica, que no forman parte de los

ácidos nucléicos sino que se encuentran

libres en la célula, realizando

diferentes funciones. Tenemos:

1- Adenosín trifosfato (ATP)- es el

principal vehículo de energía celular.

Almacena y transporta energía según

las necesidades celulares.

Actúa como coenzima de enzimas que

participan en la respiración.

Los enlaces entre los grupos

fosfato son ricos en energía y

pueden liberarla al

hidrolizarse .

La reacción es reversible, de

manera que cuando se produce

energía en la célula, ésta

puede acumularse formando

estos enlaces en el ATP.

Lo mismo ocurre con el ADP AMP + Pi + Energía

2- Coenzima A(Co-A) resulta de la unión de un nucleótido con otra

molécula en este lugar. Actúa como transportador de moléculas en el

metabolismo.

3- Nicotín adenín dinucleótido (NAD) resulta de la unión de dos

nucleótidos, cuyas bases son adenina y nicotinamida. Actua como

coenzima en reacciones de oxidación-reducción, transportando H.

Parte no protéica de enzimas óxido-reductasas o desidrogenasas.

4- El NADP es igual pero con un fosfato más

5- Flavín adenín dinucleótido (FAD) Actua también como coenzima

en reacciones de oxidación-reducción. Además de adenina tiene

riboflavina.

NAD NADH2

FAD FADH2

NADP NADPH2

Adenosin 5´difosfato Adenosin 5´trifosfato ATP ADP + Pi + E

NUCLEÓTIDOS ESPECIALES