TEMA 5LOS ÁCIDOS NUCLEICOS

1- LOS ÁCIDOS NUCLEICOS

Son compuestos que tienen carácter ácido, se encontraron por primera vez en el núcleo de las células eucariotas de ahí su nombre. Fueron descubiertos en 19869 por Miescher.

Contienen siempre en su composición C, H, O, N y P.

Los ac. Nucleicos son macromoléculas o polímeros de gran complejidad y elevado peso molecular, que actúan en el almacenamiento y en la transferencia de la información genética. Contienen las instrucciones necesarias para realizar los procesos vitales, siendo responsables de todas las funciones básicas de los seres vivos. Están formados por la unión de unas unidades o monómeros denominadas nucleótidos, por eso podemos definirlos como polinucleótidos.

Los nucleótidos, están formados por la unión de:

a) Una pentosa, que puede ser la β- D-Ribofuranosa (ribosa) en el ARN; o laβ- D-2-desoxirribosa en el ADN

b) Una base nitrogenada, que puede ser:

Todas tienen un acusado carácter aromático. Las pirimidínicas son planas y las purinas tienen un ligero doblez. Son relativamente insolubles en agua y se comportan como compuestos básicos débiles.

c) Ácido fosfórico:

A la unión de una pentosa con una base nitrogenada se le llama nucleósido. Esta unión se realiza mediante un enlace β-N-glucosídico. Se hace entre el:

1. El OH hemiacetálico del C-1´ de la pentosa y el H del N-9 con una base púrica, como la guanina y de la adenina.

2. El OH hemiacetálico del C-1´de la pentosa y el H N-1 de la base pirimidinica(Para evitar confusiones los carbonos de la base se numeran 1,2,3... y los de la pentosa 1',2',3'...).

Se nombran añadiendo al nombre de la base la terminación osina si la base es púrica (Ej. Adenosina) o la terminación idina si es pirimidínica (Ej. Citidina). Si el azúcar es desoxirribosa se añade desoxi.

BASE PENTOSAΒ-D-RIBOSA Β-D-DESOXIRRIBOSA

ADENINA Adenosina desoxiadenosinaGUANINA Guanosina desoxiguanosinaCITOSINA Citidina desoxicitidinaURACILO uridinaTIMINA desoxitimidina

Los nucleósidos libres se encuentran en cantidades mínimas en la mayoría de las células, como resultado de la hidrólisis química o enzimática de los nucleótidos.

El nucleótido se forma por un enlace tipo éster entre el nucleósido y el ácido fosfórico. Este enlace se produce entre el OH del carbono 5´de la pentosa y el ácido fosfórico.Los ribonut y desoxirribonut que forman los ácidos se puede decir que son ribonucleósidos-5-monofosfato (NMP) y desoxiribonucleósidos-5´-monofosfato (dNMP). También existen formas 5´difosfato (NDP y dNDP) y 5´-trifosfato (NTP y dNTP), lo que hace que existan tres series de nut por cada nucleósido y que se nombran con el nombre del nucleósidos correspondiente eliminando la terminación –a mas el prefijo mono, di o tri seguido de fosfato.Por ejemplo del nucleósidos adenosina se forman tres nucleótidos diferentes: Adenosin-monofosfato (AMP); Adenosín-difosfato (ADP); Adenosín-trifosfato (ATP), y cuyos restos fosfóricos se designan mediante los símbolos α, ß y γ.El ADN está formado solo por desoxirribonuleósidos-5'-monofosfato (dAMP, dGMP,dCMP y dTMP) y el ARN por ribonucleósidos-5'-monofosfato (AMP, GMP, CMP y UMP).

Sin embargo, existen diferentes NTP y NDP que cumplen otras funciones muy importantes:

a) El ATP y el ADP actúan transfiriendo la energía química almacenada en los enlaces fosfoanhídricos de los fosfatos β y γ. El ATP se genera a partir del ADP mediantereacción de fosforilación y el ADP se genera a partir del ATP por transferencia del fosfato γ. La energía de este enlace es alta (8 kcal/mol) de manera que el sistema ATP/ADP es una forma eficaz de “guardar” energía y de utilizarla en otras reacciones.GTP, UTP y CTP, canalizan también la energía química en diferentes rutas metabólicas.

b) Algunos NDP y NTP actúan como transportadores de moléculas en determinadas reacciones de síntesis. Esto ocurre con el UDP que transporta glucosa en la biosíntesis del glucógeno.Por otra parte, hay derivados de los nucleótidos que cumplen otras funciones muy importantes:

c) Algunos actúan como coenzimas: el NAD+y NADP+ (derivados de la vitamina B3) el FAD (derivado de la vitamina B2) y el Coenzima A.

d) El adenosín monofosfato cíclico, llamado abreviadamente AMPc, se origina en las células a partir del ATP, por la acción del enzima adenil ciclasa, que se localiza en la membrana celular y que se activa por acción de diferentes hormonas. El AMPc, se denomina segundo mensajero porque transmite y amplifica en el interior de la célula las señales químicas que llegan por la sangre mediante las hormonas que actúan como primeros mensajeros.

Para repasar con animaciones sobre su formación: http://recursos.cnice.mec.es/biosfera/alumno/2bachillerato/biomol/contenidos17.htmanimación para construir nucleótidos: http://www.juntadeandalucia.es/averroes/manuales/acidos_nucleicos/flash_an/nucleotidos.htm

2. ENLACE NUCLEOTÍDICO

Los nucleótidos se unen para formar cadenas de ácidos nucleicos, mediante un enlace fosfodiéster entre el fosfato situado en 5’ de un nucleótidos y el grupo –OH del C3’ del siguiente nucleótido. De esta manera se forman cadenas polinucleotídicas que tienen en un extremo un grupo –OH en el C3’ (extremo 3’) y un extremo con un grupo fosfato en el C5’ (extremo 5’)

Dos tipos de ácidos nucleicos: ADN y ARN

3. ADN ACIDO DESOXIRRIBONUCLEICOEl ADN es el ácido desoxirribonucleico. Es el tipo de molécula más compleja que se conoce. Su secuencia de nucleótidos contiene la información necesaria para poder controlar el metabolismo un ser vivo. El ADN es el lugar donde reside la información genética de un ser vivo.El estudio de su estructura se puede hacer a varios niveles, apareciendo estructuras, primaria, secundaria, terciaria y cuaternaria.

3.1 ESTRUCTURA PRIMARIAEl ADN está compuesto por una secuencia de nut formados por desoxirribosa (desoxirribonucleótidos-5´-monofosfato). Las bases nitrogenadas que aparecen formando los nut de ADN son adenina, guanina, citosina y timina. No contiene uracilo.Los nut se unen entre sí mediante un enlace fosfodiéster entre el radical fosfato del carbono 5´del primer nut y el OH del carbono 3´del siguiente nut.Como el primer nut tiene libre el carbono 5´y el siguiente nut tiene libre el carbono 3´, se dice que la secuencia de nut se ordena desde 5´a 3´

En una cadena de DNA podemos distinguir;- un esqueleto de polidesoxirribosa-fofato, el cual posee un extremo 5' y un extremo 3'.- las diferentes bases A, G, C y T, alineadas a lo largo del esqueleto unidas a las moléculas

de desoxiribosa.

Cada cadena de ADN se diferencia por la composición (número) y secuencia de bases por ello se representa las cadenas de ADN sólo por la secuencia de bases. Las innumerables combinaciones posibles de las cuatro bases nitrogenadas, permite explicar que este sea un “lenguaje” idóneo para almacenar y trasmitir la información genética.

3.2 ESTRUCTURA SECUNDARIAEntre los años 1949 y 1953 se establecen las bases necesarias para explicar la estructura secundaria del ADN.

I. Erwin Chargaff y col., tras analizar cuantitativamente las bases nitrogenadas de diferentes ADN procedentes de diferentes especies, llegaron a las siguientes conclusiones:- La composición en bases del ADN varía de una especie a otra.- Los ADNs de especies relacionadas poseen una composición en bases más similar que entre especies no relacionadas.- En todos los ADNs estudiados, el número de restos de adenina es igual al de restos de timina, y el número de restos de guanina es igual al de restos de citosina (Ley de equivalencia de bases de Chargaff).

II. Los brillantes resultados obtenidos por Pauling y Corey acerca de la estructura de las α-proteínas, aplicando la técnica de difracción por rayos X, animo a Rosalin Franklin y Maurice Wilkins a aplicar esta misma técnica en el estudio de cristales de ADN. Descubrieron que existían dos periocidades, una principal de 0,34 nm y otra secundaria de 3,4 nm.

Modelo de Doble Hélice

Los datos anteriores permitieron a J.D. Watson y F.H.C. Crick,en el año 1953 publicar en la revista científica Nature un artículo titulado "Molecular structure of nucleic acids. A structure for Deoxyribose Nucleic Acid", y en el que en apenas una hoja, proponen un modelo estructural del ADN, que en la actualidad no ha sido mejorado y que supuso el mayor hito de la bioquímica del siglo XX. Este modelo reúne las siguientes características:

- La molécula de ADN está constituida por dos cadenas polinucleotídicas enrolladas en forma de hélice dextrógira alrededor de un eje, formando una doble hélice de 2 nm de diámetro que posee un surco superficial y otro profundo

- Las cadenas son antiparalelas (una 5'-3' y la otra 3'-5'), y el tipo de enrollamiento se denomina plectonémico, pues para separar las cadenas es necesario desenrollarlas.

- Las bases nitrogenadas, relativamente hidrófobas, quedan apiladas hacia el interior de la doble hélice con sus anillos paralelos entre sí y perpendiculares al eje de la doble hélice. La distancia de centro a centro de las bases es de 0,34 nm lo que explicaría la periocidad principal observada en las imágenes de Franklin. Los dos esqueletos de dRiP quedarían hacia el exterior.

- La doble hélice se mantiene estabilizada gracias a que las cadenas están unidas por puentes de H que se establecen entre las bases nitrogenadas, y también por interacciones electrónicas e hidrofóbicas.

- La unión de las bases solo es posible entre Adenina con Timina (A-T) y Guanina con Citosina (G-C). La unión A-T ocurre a través de dos puentes de H y la unión G-C a través de tres. Estas dos únicas posibilidades de unión entre bases determina que las secuencias nucleotídicas de las dos cadenas que forman un ADN sean complementarias, lo cual explicaría los datos de Chargaff.

El modelo de Watson y Crick corresponde a la estructura secundaria del ADN en su forma B (ADN-B). En la actualidad se conocen otras conformaciones espaciales de ADN que se conocen como ADN-A y ADN-Z.

El modelo del ADN-A es una doble hélice dextrógira con un surco menor poco profundo y un poco más amplio que el surco mayor, que es más profundo. En comparación a la doble hélice del ADN-B, ésta es más abierta, tiene mayor diámetro y una disposición de las bases nitrogenadas más alejada del eje de la hélice y no perpendiculares al eje.

El modelo de ADN-Z es una doble hélice de cadenas enrolladas de forma levógira y que tiene irregularidades tipo zig-zag.

Actualmente se admite la existencia de ADN en estas tres posibles formas dispuestas a lo largo de las fibras de ADN de los cromosomas desempeñando funciones relacionadas con la expresión de los genes.

Tipos de ADN según la estructura secundaria :

ADN lineal bicatenario: El que forma los cromosomas de los eucariotas y que hemos visto anteriormente.

ADN circular bicatenario: Formado por dos cadenas circulares cerradas arrolladas en hélice A. En procariotas.

ADN lineal unicatenario. Formado por una única cadena polinucleotídica. En algunos bacteriófagos.

ADN circular unicatenario: Formado por una sola cadena polinucleotídica circular y cerrada. Como en el virus φ-X-174.

3.3 ESTRUCTURA TERCIARIA

Se refiere a como se almacena el ADN en un volumen reducido. Varía según se trate de organismos procariontes o eucariontes:

Procariontes: circular y bicatenaria, asociada a una pequeña cantidad de proteínas. Lo mismo ocurre en la mitocondrias y en los plastos. Extendido puede medir casi un milímetro, de forma que es necesario un alto grado de condensación con el fin de que entre en el interior de la célula. Esto se consigue gracias a torsiones en la molécula de ADN que conducen a la formación de una superhélice, en forma de ochos y bucles. Para conseguir esto las bacterias disponen de enzimas topoisomerasasa tales como las ADN-helicasa y ADN-girasa, que actúan enrollando y desenrollando el ADN.

Eucariontes: Las células eucariotas encierran en un núcleo de entre 5 y 10 μm, varias moléculas de ADN lineal y bicatenario, cuya longitud total puede alcanzar un metro. El

empaquetamiento ha de ser más complejo y compacto y para esto necesita la presencia de proteínas, como son las histonas y otras de naturaleza no histona (en los espermatozoides las proteínas son las protaminas). A esta unión de ADN y proteínas se conoce como cromatina, en la cual se distinguen diferentes niveles de organización.

NIVELES ESTRUCTURALES DE LA CROMATINAi. Fibra elemental de 10 nm

Constituye la unidad elementas de la cromatina. Su aspecto al microscopio es el de un “collar de cuentas”. Cada “cuenta” es un complejo nucleosomal formado por el enrollamiento de dos vueltas de ADN alrededor de un disco proteico formado por ocho histonas (H2A, H2B, H3 y H4) llamado octámero de histonas. Las histonas son proteínas de bajo peso molecular y con una elevada proporción en aminoácidos ácidos.Estos complejos están unidos entre sí por ADN espaciador formado por 54 pares de bases.El complejo nucleosomal y el ADN espaciador forman el nucleosomaAl ADN espaciador se une la histona H1, haciendo que la fibra de 10 nm se condensa aun más para formar la fibra de 30 nm. Se denomina cromatosoma al conjunto de nucleosoma, histona H1 y ADN espaciador.

ii. Fibra de 30 nmSe forma por enrollamiento de la fibra de 10nm sobre sí misma, hasta adoptar forma solenoide. Las histonas H1 participan es la estabilización de la estructuras. La fibra resultante tiene un diámetro de 30 nm.

iii. Bucles radialesLas fibras de 30 nm se repliegan formando bucles, los cuales, durante la mitosis, se condensan enormemente formando rosetas y estas a su vez forman rodillos los cuales forman el cromosoma metafásico.

En el núcleo interfásico encontramos dos tipos de cromatina Eucromatina (10%) Aspecto difuso, son zonas activas donde hay transcripción. Hetrerocromatina (90%) Aspecto homogéneo y denso son zonas inactivas.

o Constitutiva. Nunca se transcribe. Secuencias repetitivas de ADNo Facultativa. Compuesta por los genes que se inactivan durante la

diferenciación celular.

DESNATURALIZACION DEL ADN

Cuando la temperatura alcanza el punto de fusión del ADN (temperatura a la que el 50% de la doble hélice está separada), la agitación térmica es capaz de separar las dos hebras y producir una desnaturalización. Este es un proceso reversible, ya que al bajar la temperatura se puede producir una renaturalización. En este proceso se rompen los puentes de hidrogeno 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.

La renaturalización se puede conseguir con dos hebras de distinta procedencia obteniendo una molécula híbrida siempre que exista complementariedad.

Sobre las estructuras del ADN: http://recursos.cnice.mec.es/biosfera/alumno/2bachillerato/biomol/contenidos18.htmAnimaciones sobre el tema e introducción a la genética molecular que veremos en la 3ª evaluaciónhttp://www.andaluciainvestiga.com/espanol/cienciaAnimada/sites/dna/dna.swfSi queréis ampliar un poco sobre la estructura del ADN:http://pendientedemigracion.ucm.es/info/genetica/grupod/Estruadn/estruadn.htmOtra animación muy buena: http://www.johnkyrk.com/DNAanatomy.esp.htmPara repasar las distintas características del ADN: http://www.educa.madrid.org/web/cc.nsdelasabiduria.madrid/Ejercicios/2b/Biologia/ADN/adn3.htmPara practicar: http://recursos.cnice.mec.es/biosfera/alumno/2bachillerato/biomol/actividades/act7c.htm y en: http://www.educa.madrid.org/web/cc.nsdelasabiduria.madrid/Ejercicios/2b/Biologia/ADN/adn5.htmUn vídeo para ver la estructura del ARNt:http://www.youtube.com/watch?v=DSc4FvwKS2w

4. ARNBiopolímeros de ribonucleótidos-5'-monofosfato unidos por enlace fosfodiéster, entre el -OH situado en el C3' de la ribosa de un RMP y el -OH del fosfato situado en el C5' del siguiente. Al igual que en el ADN, en el ARN podemos distinguir;

un esqueleto de poliribosa-fofato el cual posee un extremo 5' y un extremo 3' cuyos -OH están libres

las diferentes bases A, G, C y U, alineadas a lo largo del esqueleto unidas a la moléculas de Ribosa.. A veces pueden aparecer otras bases, la mayoría de las veces derivados metilados.

El ARN es monocatenario y lineal, salvo en los reovirus donde es bicatenario. Por otro lado, solo poseen estructura primaria, aunque en algunas regiones de una misma cadena se forman estructuras en doble hélice (horquillas), por unión entre bases complementarias, que al estar unidas a zonas no complementarias da lugar a la formación de bucles.

La función del ARN es extraer la información del ADN y dirigir la síntesis de proteínas.

Hay tres clases de ARNs:

1- ARN mensajero (ARNm)Sus características son las siguientes:

- Cadenas d largo tamaño lineales con algunas horquillas- Se le llama mensajero porque transporta la información necesaria para la

síntesis proteica. Copiada del ADN (transcripción)- Su vida es corta

o En procariotas el extremo 5´posee un grupo trifosfato. Se le llama policistrónico porque lleva información para la síntesis de varias proteínas.

o En eucariontes se codifica en el núcleo, en el extremo 5´posee un grupo metil-guanosina unido al trifosfato (Cap), y el extremo 3´posee una cola poli- adeninas (poli A). Se le llama monocistrónico porque lleva información para una sola proteína.En los eucariotas se puede distinguir también:

- Exones, secuencias de bases que codifican proteínas

- Intrones, secuencias sin información.

Un RNAm de este tipo h de madurar (eliminación de intrones), antes de hacerse funcional. Antes de madurar, el ARNm recibe el nombre de ARN heterogeneonuclear (ARNhn)

2- ARN RIBOSÓMICO (ARNr)Los ARNr forman junto a un gran grupo de proteínas, los ribosomas. Los ARNr se clasifican atendiendo a su coeficiente de sedimentación por centrifugación y cuya unidad es el Svedberg (S). Los ribosomas de procariotas y eucariotas son diferentes en tamaño y

composición, pero todos poseen una estructura acanalada con hendiduras y sitios donde albergar al ARNm, ARNt y la proteína que se sintetiza.

Sus principales características son: - Cada ARNr presenta

cadena de diferente tamaño, con zonas de doble hélice

- Forma parte de las subunidades ribosómicas cuando se une con muchas proteínas básicas.

Los ARNr son muy largos y contienes numerosas zonas complementarias lo que hace que se replieguen y tengan conformaciones complejas.

3- ARN TRANSFERENTE (ARNt)

Son moléculas relativamente pequeñas que contienen entre 75 y 90 ribonucleótidos, de los cuales un 10% poseen bases nitrogenadas poco habituales tales como el pseudouracilo, la dimetilguanina, la inosina, etc.

Su función es transportar los aminoácidos durante la biosíntesis de las proteínas en los ribosomas. Los aminoácidos se unen a sus correspondientes ARNt a través del extremo 3'libre, cuya secuencia final es siempre -C-C-A-OH. Los ARNt poseen regiones complementarias con estructura de doble hélice, y regiones no complementarias que forman tres bucles o brazos, en uno de los cuales se sitúa el triplete de nucleótidos denominado anticodón, que es complementario con el triplete de nucleótidos o codón situado en el ARNm y que informa del aminoácido correspondiente. El ARNt posee una estructura terciaria en forma de boomerang,

por plegamiento de los bucles.

En su estructura se observan las siguientes partes:

a. En el extremo 5´hay un triplete de bases en el que siempre existe G

b. El extremo 3´está formado por tres bases (CCA) sin aparear y es el lugar por donde se une al aa.

c. Brazo A: existe un triplete de bases complementario al del ARNm y que recibe el nombre de anticodón , que es donde se une al ARNm

d. Brazo T: por donde se une al ribosoma.e. Brazo D: por donde se una a la enzima que cataliza el proceso.

4- Otros ARN

ARNnucleolar se tata de una larga cadena de ARN de 45 S que se encuentra en el nucléolo de las células eucariotas. Se forman por transcripción del ADN y es el precursor que se fragmenta para dar origen a los AARNr de 28 S, 5S, 8S y 18 S. Solo el ARNr 5 S no se origina a parir de ARN nucleolar.

Ribozimas: con función catalítica que se localizan en el núcleo y en el citoplasma

5-IMPORTANCIA BIOLOGICA

La importancia de los ácidos nucleicos está en su función biológica, porque son los portadores de la información genética, es decir, de las instrucciones para formar las proteínas que constituyen los seres vivos y son responsables de sus caracteres morfológicos y fisiológicos.

Hay dos tipos de ácidos nucleicos:

- El ADN se encarga de almacenar la información genética en todas las células y en los virus que tienen ADN y trasmitir la información genética de generación en generación, al ser capaz de replicarse.

- El ARN se encarga de la expresión de la información genética mediante la transcripción y la traducción. En los virus con ARN se encarga de también de almacenamiento y la trasmisión de la información.

DIFERENCIAS ENTRE DNA Y RNA

ADN RNAAlmacenamiento de la información disponible en cualquier momento. Se encarga de trasmitir la información de generación en generación

Considerado generalmente como el intermediario entre la información almacenada en la secuencia de nucleótidos del ADN y las proteínas

Mayor estabilidad , forma cadenas dobles (bicatenario) que adopta una morfología de hélice

Es muy fácilmente degradable por enzimas , lo que le confiere poca estabilidad. Se presenta en forma monocatenaria

Se localiza, en la células eucariota, en el núcleo y algo en las mitocondrias y cloroplastos

Se localiza en la célula eucariota, en el citoplasma ( RNA r,RNAt,y RNAm), aunque también en núcleo (RNA m y RNAr)

El azúcar que lo constituye es la desoxirribosa que carece de O en el C2,

el azúcar que lo constituye es la pentosa ribosa que posee OH en el C2

BN: PURINAS: ADENINA y Guanina PIRIMIDINAS: Timina , Citosina

BN: PURINAS: Adnina, Guanina PIRIMIDINAS: Uracilo, Citosina

Muy buena página sobre el tema nucleótidos no nucleicos: http://ies.rayuela.mostoles.educa.madrid.org/deptos/dbiogeo/recursos/Apuntes/ApuntesBioBach2/1-Bioquimica/AcidosNucleicos.htmpara

repasar: http://www.educa.madrid.org/web/cc.nsdelasabiduria.madrid/Ejercicios/2b/Biologia/ADN/adn6.htm

Muy buena página de todo el tema: http://web.educastur.princast.es/proyectos/biogeo_ov/2BCH/B4_INFORMACION/T402_ACIDNUCLE/INDICE.htm y para repasar todo el tema: http://www.um.es/molecula/anucl08.htm y con tipo test: http://www.testeando.es/test.asp?idA=39&idT=bhbuitsg y con preguntas resueltas: http://www.iesdionisioaguado.org/joomla/index.php?option=com_content&view=article&id=1143:preguntas-resueltas-los-acidos-nucleicos&Itemid=125También en: http://www.genomasur.com/lecturas/Guia02-2.htm