UNIDAD 5: LOS ÁCIDOS NUCLEICOS

Marta Gómez Vera.

Profesora de Biología y Geología

Índice

1. Componentes de los ácidos nucleicos

1. Composición química

2. Nucleósidos

3. Nucleótidos

4. Cadenas de ácidos nucleicos

2. Ácido desoxirribonucleico (ADN)

1. Niveles estructurales

2. Niveles de empaquetamiento

1. Estructura primaria

2. Estructura secundaria: Modelo de la doble hélice de Watson y Crick

3. Estructura terciaria

3. Tipos de ADN

3. Ácido ribonucleico 1. ARN mensajero

2. ARN transferente

3. ARN ribosómico

4. ARN nucleolar

5. ARN pequeño nuclear

6. ARN de interferencia

1.Componentes de los ácidos nucleicos 1.1. Composición química • Ácido nucleico: Son polímeros de alto peso molecular formados por la

unión de nucleótidos.

• Un nucleótido esta formado por la asociación de:

– ácido fosfórico

– un tipo de pentosa (ribosa o desoxiribosa)

– un tipo de base nitrogenada (púricas o pirimidínicas)

ADN

Ribosa

ARN

Desoxirribosa

• 1.2. Nucleósido: Formados por la unión de una pentosa con una base nitrogenada, mediante un enlace N - glucosídico

• 1.3. Nucleótido: Formados por la unión de un nucleósido con un ácido fosfórico mediante un enlace entre el grupo –OH del C5 de la pentosa y el ácido fosfórico. Este enlace se llama enlace ester fosfórico. Los nucleótidos tendrán un fuerte carácter ácido debido al grupo fosfato que se ioniza.

• Existen otros importantes nucleótidos y derivados de éstos que no forman parte de los ácidos nucleicos pero tienen un importante papel metabólico como son el ATP (adenosín trifosfato) que es la moneda de cambio energético; el AMPc (adenosín monofosfato cíclico) que es un segundo mensajero; o el NAD (nicotinamín adenín dinucleótido) que es un importante coenzima de reacciones de oxidación-reducción en la respiración celular.

1.4. Cadenas de ácidos nucleicos

2. Ácido desoxirribonucleico (ADN)

• Polímero de desoxirribonucleótidos de A,T, G,C

• Constituido por dos cadenas de nucleótidos enrolladas formando una doble hélice.

• Función: Almacenar información genética y transmitirla a la descendencia

• Masa molecular muy elevada. Ej: ADN humano: 3,6·1012 u, 5,6 ·109

• Células eucariotas: – ADN nuclear: Cromatina (ADN+histonas+ proteínas no histónicas)

– ADN mitocondrias y cloroplastos: similar al de células procariotas.

• Células procariotas: – Nucleiode: ADN+ARN+proteinas básicas +proteínas no histonicas

2.1. Niveles estructurales • En el ADN se distinguen 3 niveles estructurales:

– Estructura primaria. Secuencia de nucleótidos.

– Estructura secundaria. Doble hélice.

– Estructura terciaria. Torsión de la hélice sobre sí misma.

2.1.1 ESTRUCTURA PRIMARIA – Es la secuencia de nucleótidos de una sola cadena.

– Consta de un esqueleto de fosfopolidesoxirribosas y una secuencia de bases nitrogenadas (A, G, T y C). La diferencia entre diferentes ADN radica en el orden de bases nitrogenadas unidas a las pentosas.

– La secuencia en que aparecen las bases en las moléculas de ADN determina las características biológicas de la célula o el organismo que la contiene.

– La información genética se estructura combinando dichas bases.

– El porcentaje de las diferentes bases es el mismo en todos los individuos de una misma especie.

2.1.2. Estructura secundaria • Es la disposición espacial de las cadenas de polinucleótidos en doble

hélice, con las bases nitrogenadas enfrentadas y unidas mediante puentes de hidrógeno.

• Se dedujo a partir de dos importantes descubrimientos previos:

– E. Chargaff(1950) observó mediante análisis químicos que aparecía el mismo número de bases púricas que pirimidínicas, y además tantas moléculas de adenina como timina y de guanina como citosina. Estableció que entre A y T deberían existir dos puentes de hidrógeno y entre G y C tres (ley de equivalencia o complementariedad de bases).

– Rosalind Franklin y M. Wilkins (1950-53) descubrieron mediante técnicas de difracción de rayos X que el ADN tiene una estructura fibrilar helicoidal de 20 angstroms.

Modelo de la doble hélice de ADN • Watson y Crick, a partir de los datos anteriores, establecieron el modelo

de la doble hélice del ADN (1953)

– Doble hélice de 20 A de diámetro, formada por dos cadenas de polinucleotidos enrolladas alrededor de un eje imaginario.

– Los grupos hidrófobos de las bases se disponen hacia el interior de la macromolécula, mientras que los hidrófilos (pentosas y grupos fosfato) quedan en el exterior, lo que confiere su carácter ácido (polianiones).

– Entre las bases se establecen interacciones hidrofóbicas y puentes de hidrógeno, entre A-T (dos puentes de H) y C-G (Tres puentes de H).

– Son cadenas antiparalelas: porque el extremo 3’ de una cadena se enfrenta con el extremo 5’ de otra cadena, y viceversa.

– Complementarias, ya que siempre irán unidos los pares adenina-timina y guanina-citosina. Por tanto, conociendo la secuencia de una cadena podemos conocer inmediatamente la secuencia de la otra.

– Plectonémicas y dextrógiras. Para separarlas, una debe girar sobre la otra, pues las cadenas no pueden separarse si antes no desenrollamos la doble hélice.

• Si la temperatura de una dispersión de fibras de ADN supera los 100ºC se desnaturaliza (cadenas separadas). Si desciende por debajo de 65ºC se renaturalizan o hibridan (cadenas unidas). Esta técnica se utiliza para conocer el parentesco evolutivo de dos especies diferentes, pues cuanto mayor es el parentesco entre dos especies, tanto mayor es el grado de complementariedad o hibridación de su ADN.

Modelo de la doble hélice de ADN

2.1.3. Estructura terciaria del ADN • El ADN bacteriano o el ADN mitocondrial, que es circular, pueden

presentar una disposición espacial terciaria de ADN superenrollado, que aparece debido a las tensiones que surgen al aumentar o disminuir el número de vueltas de la hélice doble. Estos superenrrollamiento se generan porque una de las cadenas da más vueltas hacia la derecha que la otra y la tensión aumenta. Para su replicación del ADN se desespiraliza, deshaciéndose las vueltas y disminuyendo la tensión. La formación y disminución del superenrollamiento se debe a enzimas topoisomerasas.

2.2. Niveles de empaquetamiento • Primer nivel de empaquetamiento: Fibra de cromatina de 100 Å, “Collar de

perlas”

– Fibra de ADN de 20 Å (doble hélice) asociada a histonas (proteínas básicas)

– Aparece en el núcleo en interfase de todas las células eucariotas excepto en espermatozoides (ADN + protaminas).

– Constituida por una sucesión de partículas enlazadas por una doble hélice de ADN.

– Cada partícula, denominada nucleosoma, está constituida por octámeros de histonas (2 H2A, 2 H2B, 2 H3 y 2 H4) más 146 pares de bases de ADN (2 vueltas de la cadena de ADN).

– El ADN que hay entre dos octameros se denomina ADN espaciador y está constituido por 56 pares de bases.

– Cada nucleosoma puede asociarse a una nueva molécula de histona, la H1. Si la fibra de cromatina contien la histona H1 se dice que está condensada, y si no la lleva es cromatina laxa

Primer nivel de empaquetamiento: Fibra de cromatina de 100 Å, “Collar de perlas”

• Segundo nivel de empaquetamiento o fibra de cromatina de 300Å o “Solenoide” – Formada por el enrollamiento sobre sí misma de la fibra de cromatina de

100 Å condensada

– Cada vuelta: seis nucleosomas y seis histonas H1 que forman el eje central.

– En el núcleo la mayor parte de la cromatina se encuentra como fibra de 100 y 300 Å.

• Tercer nivel de empaquetamiento. • El tercer nivel son los “dominios estructurales en forma de bucles” de

20.000-70.000 pares de bases, estabilizados por proteínas no histónicas que forman un eje central o andamio.

• Niveles superiores – No se conocen con exactitud.

– En el cromosoma se ha observado un eje de proteínas SMC que contienen histonas y topoisomerasas, que matienen su estructura

– El máximo grado de condensacion se observa en cromosomas en metafase.

2.3. Tipos de ADN • Atendiendo a su estructura:

– Monocatenario (en virus): éste puede ser lineal o circular.

– Bicatenario: circular (bacterias, mitocondrias, virus) y lineal (eucariotas, virus). Puede estar asociado a proteínas o superenrollado como vimos antes.

• Según el tipo de moléculas asociadas:

– ADN asociado a histonas: Núcleo de células eucariotas (menos espermatozoides)

– ADN asociado a protaminas: Núcleo de espermatozoides. Les proporciona mayor grado de empaquetamiento, favoreciendo el movimiento. Son proteínas específicas (diferentes en cada especie)

– ADN proccariota: asociado a proteinas similares a histonas, ARN y proteinas no histonicas.

• Según su longitud: es variable según la especie (hombre: 2,36 m). Existe ADN supernumerario cuya función es desconocida es decir, se posee más del necesario para construir la estructura y fisiología del organismo.

Expresión de la información genética

3. Ácido ribonucleico (ARN) • Constituido por nuleótidos de

adenina, guanina, citosina y uracilo unidos a la pentosa ribosa. Generalmente carece de timina. La unión de los nucleótidos es en sentido 5´>3´mediante enlaces nucleotídicos (fosfodiéster)

• Excepto en reovirus, el ARN es monocatenario. En determinadas regiones, por la complementariedad de bases, puede adoptar estructura secundaria y al asociarse a proteínas una estructura terciaria. En células eucariotas hay de 5-10 veces más ARN que ADN.

• Varios tipos de ARN, con la misma composición química pero con diferente estructura y función.

3.1. ARN mensajero • Monocatenario, lineal y con una masa molecular entre 200.000 y 1.000.000 u

• Se sintetiza en el núcleo durante el proceso de transcripción a partir de una cadena de ADN que sirve de patrón o molde

• Desempeña su función en el citosol, al unirse a los ribosomas durante el proceso de biosíntesis proteica, pues es la molécula que lleva la información contenida en el ADN hasta los ribosomas, de ahí el nombre de “mensajero”.

• ARN Eucariota:

– Zonas con una sola cadena y zonas de doble hélice.

– Está asociado a proteínas formando partículas riboproteínicas (pre – ARN mensajero).

– Posee segmentos con información llamados EXONES y segmentos sin información llamados INTRONES, que tras un proceso de “maduración” son suprimidos, no apareciendo en el ARNm

– Posee en el extremo 5´ una “caperuza” de metil-guanosin-trifosfato .

– En el extremo 3´ hay una “cola” de 200 nucleótidos de adenina o cola de poli-A.

– Monocistrónico: Información para la síntesis de una proteína

• ARN Procariota: Diferente estructura, sin intrones y policistrónico.

3.2. ARN Transferencia • También denominado ARN soluble, se localiza el citosol, constituyendo un

10-15% del ARN total de la célula.

• De p.m. 70.000, posee entre 70-90 nucleótidos.

• Se trata de ARN monocatenario, con forma de “hoja de trébol” aunque la complementariedad de las bases hace que algunas zonas presenten una estructura secundaria en doble hélice. Otras zonas de la molécula forman asas o bucles. Tridimensionalmente los brazos se disponen plegados conformando una estructura en “L”.

• Se conocen hasta 50 tipos de ARNt cuya función es transportar aminoácidos específicos durante la síntesis proteica donde, según la secuencia específica en un ARNm, transcrito del ADN, se sintetizarán las proteínas correspondientes. (Ver animación)

• Otros nucleótidos que pueden aparecer

además de A, G, U, C son la inosina, la

metilguanosina, etc.

3.3. ARN ribosómico

• Se encuentra en los ribosomas.

• Constituye el 70-80% del ARN celular y el 60% en peso de dichos orgánulos.

• Presenta segmentos lineales y otros en doble hélice debido a secuencias de ribonucleótidos complementarios (estructura secundaria).

• Al asociarse a proteínas ribosómicas adopta una estructura terciaria relacionada con la síntesis proteica, pues proporciona la forma adecuada para alojar al ARNm y a los aminoácidos.

• Las células procariotas presentan ribosomas con coeficiente de sedimentación 70 S y las eucariotas 80 S (1 Svedberg = 10-13 segundos y es una manera de expresar la masa molecular de dichos orgánulos)

3.4. ARN nucleolar • Se encuentra en el nucléolo de las células eucariotas, formándose a partir

de diferentes segmentos de ADN, uno de los cuales se denomina región organizadora nucleolar. Su coeficiente de sedimentación es 45 S. Está asociado a proteínas procedentes del citoplasma, y posteriormente originará tres ARNr que formarán los ribosomas: ARNr 28 S, ARNr 18 S y ARNr 5,8 S. A esto se añade posteriormente un ARN 5 S procedente del nucleoplasma y formado a partir de otro segmento de ADN diferente al anterior.

• A partir de los mencionados segmentos de ARN se originarán las subunidades ribosómicas. La subunidad mayor 60 S formada por ARNr 28 S, ARNr 5,8 S y ARNr 5 S junto con la subunidad menor 40 S formada por ARNr 18 S, salen del núcleo al citoplasma uniéndose allí y constituyendo un ribosoma 80 S.

3.5. ARN pequeño nuclear • Núcleo de células eucariotas

• Actividad catalítica

• Se une a proteínas del núcleo formando ribonucleoproteínas nucleares (RNPpn) que elliminan los intrones en el proceso de maduracion del ARN

3.6. ARN de interferencia • Bicatenario, con 20 – 25 nucleótidos

• Función reguladora, de autocontrol celular.

• Utilizado por determinadas enzimas para reconocer ARN mensajeros concretos, para degradarlos e impedir que originen proteínas.

• Utilizados para tratamiento de infecciones víricas, cáncer y enfermedades hereditarias