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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
SEVERO OCHOA UN PREMIO NOBEL ESPAÑOL POR SUS INVESTIGACIONES SOBRE
LOS ÁCIDOS NUCLEICOS
Ochoa, Severo (1905-1993), médico bioquímico y premio Nobel nacido en
España. Sus hallazgos fueron decisivos para descifrar el código genético, ya
que fue la primera persona que sintetizó un ácido nucleico, en 1955, año en
que aisló la polinucleotidofosforilasa, enzima capaz de realizar la síntesis de
ácidos ribonucleicos. Por este descubrimiento le fue concedido el Premio
Nobel de Fisiología y Medicina en 1959, compartido con el bioquímico
estadounidense Arthur Kornberg; Ochoa fue galardonado por sus
investigaciones sobre el ácido ribonucleico (ARN), Kornberg por las
realizadas sobre el ácido desoxirribonucleico (ADN). Durante la década de 1970 su
laboratorio contribuyó a identificar las correspondencias entre los nucleótidos y los
aminoácidos de las proteínas, la clave de la genética.
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