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LICEO COEDUCACIONAL LA IGUALDAD Departamento de Ciencias Biología común Prof. Víctor Zárate T. Guía Teórica: Ácidos Nucleicos Los ácidos nucleícos son biomoléculas poliméricas formadas por Carbono, Hidrógeno, Nitrógeno, Oxigeno y Fósforo, organizadas en unidades monoméricas llamadas nucleótidos. Los exponentes más conocidos de esta familia de biomoléculas consisten en el DNA (ácido desoxirribonicleico) y el RNA (ácido ribonucleico). El rol que poseen los ácidos nucleícos en la célula está íntimamente relacionado con la información genética. La dinámica de funcionamiento del DNA y del RNA se analizará en mayor profundidad en guías del módulo electivo. Por ahora, comenzaremos este punto describiendo como se organizan las unidades fundamentales de los ácidos nucleícos: los nucleótidos. ▪ Los Nucleótidos Los nucleótidos son los componentes monoméricos de los ácidos nucleícos. Están compuestos de tres componentes estructuralmente diferentes: - Un grupo fosfato (véase en la guía 1) - Una pentosa (ribosa o desoxirribosa) - Una base nitrogenada (Adenina, Timina, Guanina, Uracilo o Citosina). El grupo fosfato se encuentra en todos los nucleótidos, ya sea como monofosfato (un grupo P), difosfato (dos grupos P) o trifosfato (tres grupos P). Cabe señalar que los componentes del DNA y RNA solo son nucleótidos monofosfatados. Los nucleótidos difosfatados y trifosfatados (como el ADP y el ATP) poseen otras funciones en la célula, que serán comentadas en guías posteriores.
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Prof. Víctor Zárate T.
Guía Teórica: Ácidos Nucleicos
Los ácidos nucleícos son biomoléculas
poliméricas formadas por Carbono, Hidrógeno,
Nitrógeno, Oxigeno y Fósforo, organizadas en
unidades monoméricas llamadas nucleótidos.
Los exponentes más conocidos de esta familia de
biomoléculas consisten en el DNA (ácido
desoxirribonicleico) y el RNA (ácido
ribonucleico).
El rol que poseen los ácidos nucleícos en la célula
está íntimamente relacionado con la información
genética. La dinámica de funcionamiento del DNA
y del RNA se analizará en mayor profundidad en
guías del módulo electivo.
Por ahora, comenzaremos este punto describiendo como se organizan las unidades
fundamentales de los ácidos nucleícos: los nucleótidos.
▪ Los Nucleótidos Los nucleótidos son los componentes monoméricos de los ácidos nucleícos. Están
compuestos de tres componentes estructuralmente diferentes:
- Un grupo fosfato (véase en la guía 1)
- Una pentosa (ribosa o desoxirribosa)
- Una base nitrogenada (Adenina, Timina, Guanina, Uracilo o Citosina).
El grupo fosfato se encuentra en todos los nucleótidos, ya sea como monofosfato (un grupo
P), difosfato (dos grupos P) o trifosfato (tres grupos P). Cabe señalar que los componentes
del DNA y RNA solo son nucleótidos monofosfatados. Los nucleótidos difosfatados y
trifosfatados (como el ADP y el ATP) poseen otras funciones en la célula, que serán
comentadas en guías posteriores.
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Fig. 1. Estructura básica de un nucleótido. En el rectángulo superior derecho se expresa el lugar que
ocupa la base nitrogenada (purina [Adenina o Guanina] o pirimidina [Citosina, Timina o Uracilo]),
bajo él se destaca la pentosa (en este caso una ribosa) y a su izquierda el grupo fosfato unido al C5.
Las bases nitrogenadas son moléculas pequeñas provenientes de dos familias: las
purinas (cuyos constituyentes son la Adenina y Guanina) que se caracterizan por la
presencia de un anillo doble, y las pirimidinas (cuyos constituyentes son la Citosina,
Uracilo y Timina) que se caracterizan por la presencia de un anillo único.
Fig. 2. Estructura química de las purinas y pirimidinas
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Las pentosas que forman nucleótidos (que fueron mencionadas en el punto referente a
carbohidratos) corresponden a la ribosa y la desoxirribosa. La única diferencia entre ambas,
es que la desoxirribosa no posee un oxígeno en el carbono 2, que si posee la ribosa.
Fig.3. (izq) Desoxirribosa. (der) Ribosa. Destáquese la presencia de oxígeno en la ribosa y su ausencia en la
desoxirribosa (marcado con un cuadrado rojo).
Acido Desoxirribonucleico, DNA o ADN El ácido desoxirribonucleico (ADN, DNA) es una biomolécula formada por los
nucleótidos dAMP (Adenina), dTMP (Timina), dCMP (Citosina) y dGMP (Guanina),
ordenados en forma de hélice dextrógira (sentido de giro a la derecha) de una larga
longitud. La “d” antes de cada sigla de nucleótido representa la presencia de la pentosa
desoxirribosa, característica especial y única del DNA.
Posee dos tipos de enlaces que mantienen la hélice estable. En
sentido horizontal (base nitrogenada con base nitrogenada)
participan los enlaces de hidrógeno. En sentido vertical (grupo
fosfato con grupo fosfato) participan los enlaces 5’-3’-
fosfodiester.
Fig. 4. El DNA, el sentido dextrógiro de su enrollamiento. En
amarillo se representan las bases nitrogenadas y en azul los grupos
fosfato junto con las desoxirribosas.
Los nucleótidos que componen el DNA se ordenan de tal
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manera que siempre la Adenina forma enlaces de hidrógeno con la Timina y la Guanina
con la Citosina.
Las letras que componen las palabras dentro de este “mensaje genético” son los nucleótidos
antes mencionados, que en un orden específico forman diferentes palabras conocidas como
genes.
El DNA presente en cloroplastos y mitocondrias, así como en bacterias es mucho más corto
que el de las células eucariontes, estando organizado en un solo cromosoma.
Historia del ADN
La primera vez que se aisló una sustancia desconocida obtenida desde los núcleos de
células inmunitarias provenientes de apósitos sucios con pus fue en los experimentos de
Miescher en 1869, la cual fue llamada nucleína.
Posteriormente fue Levene quien caracterizó la estructura del nucleótido (pentosa + fosfato
+ base nitrogenada). En 1930 Levene y Kossel probaron que la nucleína era un ácido
desoxirribonucleico formado por cuatro bases nitrogenadas diferentes, unidas por su grupo
fosfato.
Chargaff propuso la ley de equimolecularidad, que establece que el número de bases
pirimídicas presentes en el DNA es igual al número de bases púricas, en base a la ley de
complementariedad de bases (A=T y C=G).
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El experimento de Griffith
Pese al enorme avance de Levene y Kossel, aun no se conocía la función del DNA. En
1928, Frederick Griffith trabajaba estudiando cepas S (lisas) y R (rugosas) de la bacteria
Streptococcus pneumoniae. La diferencia entre S y R era la virulencia (capacidad de
producir enfermedad, siendo la cepa S mortal).
Se inyectaron cepas S y R en ratones. Los que recibieron S fallecieron y los R
sobrevivieron. Sin embargo, si se calentaba la cepa S y se inyectaba no pasaba nada
(porque las bacterias morían), pero si se inyectaba la cepa S muerta mezclada con R viva,
los ratones morían y se podían aislar luego cepas S vivas dentro del ratón.
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¿Las bacterias S sobrevivían al calor? ¿Las bacterias S pudieron revivir luego
de ingresar al huésped?
NO. Lo que planteó Griffith revolucionó la genética de la época, proponiendo la existencia
del factor
transformante
¿Pudieron las cepas R transformarse en virulentas utilizando alguna sustancia
que
liberaban las bacterias S al momento de morir?
No fue hasta dentro de 15 años aproximadamente que se logró comprobar mediante
técnicas moleculares que dicha sustancia transformante no era un lípido, polisacárido ni
proteína. Hoy en día se sabe que dicho factor transformante correspondía a los plásmidos
de virulencia. Aquel momento fue el nacimiento de la genética molecular.
El experimento de Hershey y Chase
El papel del DNA como molécula portadora
de información genética fue instaurado
universalmente por el experimento de
Hershey y Chase. Ellos utilizaron un
bacteriófago T2 (virus afín a bacterias)
marcado con el isótopo P-32 y otro grupo
marcado con S-35. El P solo se encuentra en
los nucleótidos y el S en algunos
aminoácidos, como la cisteína. El ciclo del
fago T2 consiste en posarse sobre la bacteria
blanco e inyectarle su DNA, para luego
sintetizarse dentro de la bacteria. Aplicaron
los virus a un cultivo de E coli. Al análisis
fluorescente notaron que el P- 32 se
encontraba dentro de las bacterias, mientras
que el S-35 se encontraba en la cápside de
los fagos. De esa manera, se concluyó que la
información genética era el DNA y no las
proteínas.
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El modelo de Watson y Crick
Tomando toda la información obtenida, más la valiosa información de los experimentos
con difracción de rayos X de Rosaline Franklin, Watson y Crick propusieron el modelo de
la estructura del DNA utilizado hasta el día de hoy, conocido como el modelo de la doble
hélice.
Este modelo proponía que las cuatro bases nitrogenadas, coexistían en dos cadenas
antiparalelas unidas por los enlaces de hidrógeno, siguiendo un sentido dextrógiro de
enrollamiento. Los principales pilares serían los enlaces 3’-5’ fosfodiester y los enlaces de
hidrógeno.
Las ventajas biológicas de este modelo son el equilibrio químico-físico de las bases
nitrogenadas, la posibilidad de optimización de la replicación y mantención de la molécula
y una eficiente forma de preservar las secuencias génicas.
En 1962 recibieron el Premio Nobel en Fisiología o Medicina, en base a su artículo
publicado en
Nature (1953): “Molécular Structure of Nucleic Acids: A structure for Deoxyribose Nucleic
Acid”.
El DNA es un largo pergamino que
contiene todas las instrucciones para
confeccionar proteínas en los ribosomas,
y así poder desarrollar un individuo
completo y toda su dinámica bioquímica,
biológica, ontogénica y fenotípica. Si lo
pudiésemos estirar y medir, su longitud
sería de dos metros aproximadamente por
cada célula eucariota animal.
La información que contiene el DNA está
escrita, como en cualquier idioma, por
letras. Estas letras son los nucleótidos,
que se agrupan en tres para formar los
tripletes (palabras), y varios tripletes
diferentes forman los genes: secuencias
capaces de codificar proteínas. El largo
del DNA se mide en Pb (pares de bases),
y debido a su gran longitud, no es
infrecuente encontrar la medida KpB
(miles de pares de bases).
De toda esa información, solo un 1.5%
aproximadamente codifica proteínas. Un
gran porcentaje codifica RNAs
reguladores y casi un 99% son secuencias no-codificantes. La especie humana solo posee
21.000 genes, por lo tanto una pregunta interesante a hacerse es ¿La complejidad de un
organismo radica en la cantidad de secuencias no codificantes o es efecto de la evolución
basada en intercambio génico que solo un 2% de todo el DNA codifique nuestro fenotipo?
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¿Es acaso responsabilidad de todo el porcentaje no codificante la manera en que el 1.5%
codificante constituye nuestro fenotipo?
El DNA presente en cloroplastos y mitocondrias, así como en bacterias, es mucho más
corto que el de las células eucariotas, estando organizado en un solo cromosoma circular
(pueden existir varias copias de dicho cromosoma). En los núcleos eucariotas existen varias
moléculas de DNA lineal, mucho más largo y complejo, de las cuales al condensarse
aparecen los diferentes cromosomas.
Acido Ribonucleico, RNA o ARN
El ácido ribonucleico (ARN, RNA) es una biomolécula formada por los nucleótidos
AMP (Adenina), UMP (Uracilo), CMP (Citosina) y GMP (Guanina), ordenados en
diferentes estructuras, todas lineales de larga o corta longitud. Son cadenas similares al
DNA (poseen enlaces 5’-3’ fosfodiester y pueden formar enlaces de hidrógeno) pero no son
dobles cadenas en hélice, sino que son monocatenarios (una sola cadena). Los nucleótidos
constituyentes del RNA poseen todos las mismas bases nitrogenadas del DNA con
excepción del Uracilo, y a diferencia del DNA poseen ribosa en su estructura.
Fig. 5 (Izquierda) Diagrama de la estructura de un mRNA (RNA mensajero). (Derecha)
Diagrama molecular del esquema adyacente.
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Se mencionó que el DNA en las células tiene un rol central en el almacenamiento de
información genética, fundamental para el correcto funcionamiento de la célula. En base a
eso la naturaleza creó un ácido nucleico que pudiese copiar la información genética (o parte
de ella), salir del núcleo y de esa manera expresarse. Si algo le pasase a esa molécula,
simplemente se sintetizaría otra, dado que solo es una copia de la original. Si algo le pasase
al DNA (daño irreparable) la célula debe morir.
Así podemos distinguir, de manera general tres tipos de RNAs, que serán profundizados en
el módulo electivo de biología:
RNA mensajero
RNA ribosomal
RNA de transferencia
En resumen, el RNA es una copia de una de las cadenas del DNA, generada por un
proceso llamado transcripción.
Bibliografía
Simmonds Manuel, Bioquímica de los Ácidos Nucleicos, Universidad de Chile,
2012.
