Los Ácidos Nucleicos

Los ácidos nucleicos son grandes moléculas constituidas por la unión de monómeros, llamados nucleótidos. Los ácidos nucleicos son el ADN y el ARN.

Nucleótidos

Los nucleótidos son moléculas que se pueden presentar libres en la Naturaleza o polimerizadas, formando ácidos nucleicos. También pueden formar parte de otras moléculas que no son ácidos nucleicos, como moléculas portadoras de energía o coenzimas.

Los nucleótidos se forman por la unión de una base nitrogenada, una pentosa y uno o más ácidos fosfóricos. La unión de una pentosa y una base nitrogenada origina un nucleósido, y su enlace se llama N-glucosídico. Por ello, también un nucleótido es un nucleósido unido a uno o más ácidos fosfóricos.

Las bases nitrogenadas pueden ser Púricas (Adenina y Guanina) o Pirimidínicas (Citosina, Timina y Uracilo).

Las pentosas pueden ser Ribosa, que forma nucleótidos libres y los nucleótidos componentes del ARN, y Desoxirribosa, que forma los nucleótidos componentes del ADN. Los carbonos que constituyen las pentosas se renumeran, denominándolos con números prima (5′ por ejemplo), para no confundirlos en nomenclatura con los carbonos de la base nitrogenada.

La nomenclatura de los nucleótidos es compleja, pero sigue una estructuración. Los nucleótidos de bases púricas se denominan:

• Adenosin, (mono, di o tri fosfato), para la base nitrogenada Adenina.
• Guanosin, (mono, di o tri fosfato), para la base nitrogenada Guanina. Llevan el prefijo desoxi-, en caso de estar formadas por la pentosa desoxirribosa.

Los nucleótidos de bases pirimidínicas se llaman:

• Citidin, (mono, di o tri fosfato), para la base nitrogenada Citosina.
• Timidin, (mono, di o tri fosfato), para la base nitrogenada Timina.
• Uridin, (mono, di o tri fosfato), para la base nitrogenada Uracilo. Llevan el prefijo desoxi-, en el caso de estar formadas por la pentosa desoxirribosa.

El ADN

El 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 de todos los seres vivos. El ADN es el lugar donde reside la información genética de todos los organismos.

El estudio de su estructura se puede hacer a varios niveles, apareciendo estructuras primaria, secundaria, terciaria, cuaternaria y niveles de empaquetamiento superiores.

Estructura Primaria

El ADN está compuesto por una secuencia de nucleótidos formados por desoxirribosa. Las bases nitrogenadas que se hallan formando los nucleótidos de ADN son Adenina, Guanina, Citosina y Timina. No aparece Uracilo. Los nucleótidos se unen entre sí mediante el grupo fosfato del segundo nucleótido, que sirve de puente de unión entre el carbono 3′ del primer nucleótido y el carbono 5′ del siguiente nucleótido.

Este enlace se denomina fosfodiéster.

Como el primer nucleótido tiene libre el carbono 5′ y el siguiente nucleótido tiene libre el carbono 3′, se dice que la secuencia de nucleótidos se ordena desde 5′ a 3′ (5′ -> 3′).

Estructura Secundaria

La estructura secundaria del ADN fue propuesta por James Watson y Francis Crick, y la llamaron el modelo de doble hélice de ADN.

Este modelo está formado por dos hebras de nucleótidos. Estas dos hebras se sitúan de forma antiparalela, es decir, una orientada en sentido 5′ -> 3′ y la otra de 3′ -> 5′. Las dos están paralelas, formando puentes de Hidrógeno entre las bases nitrogenadas enfrentadas.

Cuando en una hebra encontramos Adenina, en la otra hebra hallamos Timina. Cuando en una hebra encontramos Guanina, en la otra hallamos Citosina. Estas bases enfrentadas son las que constituyen los puentes de Hidrógeno. Adenina forma dos puentes de Hidrógeno con Timina, Guanina forma tres puentes de Hidrógeno con la Citosina.

Las dos hebras están enrolladas en torno a un eje imaginario, que gira en contra del sentido de las agujas de un reloj. Las vueltas de estas hélices se estabilizan mediante puentes de Hidrógeno. El grosor del ADN bicatenario es de 20 A. El ADN contenido en una sola célula humana mide más de un metro de largo.

Esta estructura permite que las hebras que se formen por duplicación de ADN sean copia complementaria de cada una de las hebras existentes.

Estructura Terciaria

El ADN es una molécula muy larga en algunas especies y, sin embargo, en las células eucariotas se encuentra alojado dentro del minúsculo núcleo. Cuando el ADN se une a proteínas básicas, la estructura se compacta mucho.

Las proteínas básicas son Histonas o Protaminas.

La unión con Histonas genera la estructura denominada nucleosoma. Cada nucleosoma está compuesto por una estructura voluminosa, denominada core, seguida por un eslabón o linker. El core está compuesto por un octámero de proteínas, las Histonas. Esta estructura está rodeada por un tramo de ADN que da una vuelta y 3/4 en torno al octámero. El linker está formado por un tramo de ADN que une un nucleosoma con otro y una histona H1.

El conjunto de la estructura se denomina fibra de cromatina de 100A. Tiene un aspecto repetitivo en forma de collar de perlas, donde las perlas serían los nucleosomas, unidos por los linker.

El ADN debe encontrarse más compacto en el núcleo de los espermatozoides. En este caso, el ADN se une a proteínas de carácter más básico, denominadas Protaminas. El ADN se enrolla sobre estas proteínas, formando una estructura muy compacta, denominada estructura cristalina del ADN.

Estructura Cuaternaria

La cromatina en el núcleo tiene un grosor de 300A. La fibra de cromatina de 100A se empaqueta formando una fibra de cromatina de 300A. El enrollamiento que sufre el conjunto de nucleosomas recibe el nombre de solenoide.

Los solenoides se enrollan formando la cromatina del núcleo interfásico de la célula eucariota. Cuando la célula entra en división, el ADN se compacta más, formando los cromosomas.

El ARN

El Ácido RiboNucleico está constituido por la unión de nucleótidos formados por una pentosa, la Ribosa y como bases nitrogenadas Adenina, Guanina, Citosina y Uracilo. No aparece la Timina.

En la célula aparecen cuatro tipos de ARN, con distintas funciones, que son el ARNm, el ARNr, el ARNt y el ARNhn.

ARN mensajero (ARNm)

ARN lineal, que contiene la información, copiada del ADN, para sintetizar una proteína. Se forma en el núcleo celular, a partir de una secuencia de ADN. Sale del núcleo y se asocia a ribosomas, donde se construye la proteína. A cada tres nucleótidos (codón) corresponde un aminoácido distinto. Así, la secuencia de aminoácidos de la proteína está configurada a partir de la secuencia de los nucleótidos del ARNm.

ARN ribosómico (ARNr)

El ARN ribosómico, o ribosomal, unido a proteínas de carácter básico, forma los ribosomas. Los ribosomas son las estructuras celulares donde se ensamblan aminoácidos para formar proteínas, a partir de la información que transmite el ARN mensajero. Hay dos tipos de ribosomas: de 70S que se encuentra en células procariotas y en el interior de mitocondrias y cloroplastos, y de 80S que se encuentra en el hialoplasma o en el retículo endoplasmático de células eucariotas.

ARN transferente (ARNt)

El ARN transferente o soluble es un ARN no lineal. En él se pueden observar tramos de doble hélice intracatenaria, es decir, entre las bases que son complementarias, dentro de la misma cadena. Esta estructura se estabiliza mediante puentes de Hidrógeno.

En el ARNt se distinguen tres tramos (brazos). En uno de ellos (1 en la figura), aparece una secuencia de tres nucleótidos, denominada anticodón. Esta secuencia es complementaria con una secuencia del ARNm, el codón. En el brazo opuesto (2 en la figura), en el extremo 3′ de la cadena, se une un aminoácido específico predeterminado por la secuencia de anticodón.

La función del ARNt consiste en llevar un aminoácido específico al ribosoma. En él se une a la secuencia complementaria del ARNm, mediante el anticodón. A la vez, transfiere el aminoácido correspondiente a la secuencia de aminoácidos que está formándose en el ribosoma.

ARN heteronuclear (ARNhn)

También se le suele denominar ARN nucleolar (ARNn).

Este ARN agrupa todos los tipos de ARNr que acaban de ser transcritos. Son moléculas de diversos tamaños.

Estos ARN se encuentran formando parte del nucleolo junto a las proteínas ribosómicas que han entrado en el núcleo para enlazarse a ellos y formar las subunidades ribosómicas.

En las células procariotas no aparece.

Experimento de F. Griffith en 1928

Mezclando neumococos patógenos de envoltura lisa pero muertos, con neumococos rugosos inofensivos pero vivos e inyectando la mezcla de ambas cepas a un ratón, éste moría. ¿Qué había pasado?

Concepto de Gen. Mecanismos Responsables de su Transmisión y Variación

Un gen se define como la unidad mínima de información genética. Dicho de otro modo, un gen es el fragmento más pequeño de una molécula de ADN que posee información completa para un carácter determinado.

A veces el gen está formado por una secuencia de bases, pero en eucariotas es frecuente que un gen esté constituido por varios fragmentos de ADN separados por secuencias sin sentido que no codifican ninguna proteína. A las partes con sentido que sirven para fabricar la proteína se les llama exones, y a las partes sin sentido intercaladas en el gen intrones (ADN chatarra, 95%), que deben ser eliminados tras la transcripción.

Los genes se encuentran en los cromosomas. Los cromosomas pueden ser definidos como un conjunto de genes unidos o genes ligados, que son aquellos que se heredan juntos (si no se da recombinación genética).

En esencia, un gen es una secuencia de nucleótidos que codifica una proteína determinada, según la hipótesis un gen = una enzima.

Lo que heredamos de nuestros padres son, en realidad, sus genes.

Para que los genes se puedan transmitir de padres a hijos, deben poder copiarse antes de la reproducción, de manera que los padres mantienen su información a la vez que se la pasan a sus hijos a través de los gametos, durante la reproducción sexual.

Los procesos de formación de gametos (gametogénesis) y de unión de gametos de individuos diferentes en la reproducción (fecundación) se convierten así en procesos fundamentales para el mantenimiento de la especie. Estos procesos son posibles gracias a la información de los genes, y son necesarios para aumentar la variabilidad de las poblaciones, mediante la recombinación genética y el propio proceso aleatorio de la fecundación, variabilidad que, junto con las mutaciones, constituirá la base de la evolución.

Cuando los genes se expresan, se desarrollan los caracteres, es decir, el fenotipo de un individuo.

La transmisión y expresión de los genes se lleva a cabo mediante tres procesos que constituyen el Dogma central de la Genética Molecular, que son: la Replicación, la Transcripción, la Traducción.

La Replicación del ADN

El primer proceso necesario para la transmisión de la información genética es su duplicación, es decir, la realización de una copia que pueda ser transportada por los gametos hasta la fecundación y luego pueda ser utilizada por el nuevo individuo.

La replicación es el proceso por el cual el ADN se copia para poder ser transmitido a nuevos individuos o para que una célula pueda dividirse en dos iguales entre sí y a la célula madre (reposición de células viejas, crecimiento…).

Con el modelo de la doble hélice de Watson y Crick se desarrolló la idea de que las hebras originales debían servir de patrón para hacer la copia, aunque en principio había tres posibles modelos de replicación:

• Modelo conservativo: proponía que tras la replicación se mantenía la molécula original de ADN intacta, obteniéndose una molécula idéntica de ADN completamente nueva, es decir, con las dos hebras nuevas.
• Modelo semiconservativo: se obtienen dos moléculas de ADN hijas, formadas ambas por una hebra original y una hebra nueva.
• Modelo dispersivo: el resultado final son dos moléculas nuevas formadas por hebras en las que se mezclan fragmentos originales con fragmentos nuevos. Todo ello mezclado al azar, es decir, no se conservan hebras originales ni se fabrican hebras nuevas, sino que aparecen ambas mezcladas.

Meselson y Stahl demostraron en 1958 que el modelo válido era el semiconservativo. Para ello utilizaron nucleótidos marcados con nitrógeno pesado.

Elementos que Intervienen

Para que se lleve a cabo la replicación del ADN en las células se requieren los siguientes elementos:

• ADN original que servirá de molde para ser copiado.
• Topoisomerasas, helicasas: enzimas responsables de separar las hebras de la doble hélice.
• ADN-polimerasa III: responsable de la síntesis del ADN.
• ARN-polimerasa: fabrica los cebadores, pequeños fragmentos de ARN que sirven para iniciar la síntesis de ADN.
• ADN-ligasa: une fragmentos de ADN.
• Desoxirribonucleótidos trifosfato, que se utilizan como fuente de nucleótidos y además aportan energía.
• Ribonucleótidos trifosfato para la fabricación de los cebadores.

Mecanismo

Aunque existen pequeñas variaciones entre procariotas y eucariotas, el mecanismo básico es bastante similar:

1. El ADN se desenrolla y se separan las dos hebras de la doble hélice, deshaciéndose los puentes de hidrógeno entre bases complementarias, por la acción de helicasas y topoisomerasas.
2. En el ADN eucariota se producen muchos desenrollamientos a lo largo de la molécula, formándose zonas de ADN abierto. Estas zonas reciben el nombre de horquillas o burbujas de replicación, que es donde se comenzará la síntesis.
3. La ARN-polimerasa fabrica pequeños fragmentos de ARN complementarios del ADN original. Son los llamados primers o cebadores de unos 10 nucleótidos, a los cuales se añadirán desoxirribonucleótidos, ya que la ADN-polimerasa sólo puede añadir nucleótidos a un extremo 3′ libre, no puede empezar una síntesis por sí misma.
4. La ADN-polimerasa III añade los desoxirribonucleótidos al extremo 3′ (sentido 5′-3′), tomando como molde la cadena de ADN preexistente, alargándose la hebra.
5. En las horquillas de replicación siempre hay una hebra que se sintetiza de forma continua en el mismo sentido en que se abre la horquilla de replicación, la llamada hebra conductora, y en la otra que se sintetiza en varios fragmentos, los denominados fragmentos de Okazaki, y que se conoce como hebra seguidora o retardada, ya que se sintetiza en sentido contrario al de apertura de la horquilla.
   La ADN-ligasa va uniendo todos los fragmentos de ADN a la vez que elimina los ribonucleótidos de los cebadores.
6. A medida que se van sintetizando las hebras y uniendo los fragmentos se origina la doble hélice, de forma que al finalizar el proceso se liberan dos moléculas idénticas de ADN, con una hebra antigua y otra nueva.