Ácidos Nucleicos: Estructura, Función y Replicación

Los Ácidos Nucleicos son macromoléculas poliméricas encargadas de almacenar, transmitir y expresar la información genética de los seres vivos.

• ADN: Almacena información hereditaria y controla la transmisión a la descendencia.
• ARN: Participa en la expresión de esta información mediante la síntesis de proteínas.

Nucleótidos: Son las unidades estructurales que se repiten en los ácidos nucleicos e intervienen en el mecanismo molecular de transmisión de la información genética.

Bases Púricas: Adenina (A) y Guanina (G). Derivadas de la purina.

Bases Pirimídicas: Citosina (C), Timina (T) y Uracilo (U). Derivadas de la pirimidina.

Componentes de los Nucleótidos

Ácido fosfórico: Se encuentra en forma de anión fosfato o grupo fosfato. La carga negativa del fosfato contribuye a que los ácidos nucleicos también tengan una carga neta negativa.

Nucleósidos: Unión de una base nitrogenada con una pentosa.

Unión entre ambos: Enlace N-glucosídico entre el carbono C1′ de la pentosa y el nitrógeno N9 de la base púrica o el nitrógeno N1 de la base pirimídica, con la pérdida de una molécula de agua.

Nucleótido: Unión de un nucleósido con una molécula de ácido fosfórico, formando un anión fosfato mediante un enlace éster.

Nucleótidos: Se unen entre sí por un grupo fosfato mediante un enlace fosfodiéster entre el carbono C5′ de un nucleótido y el carbono C3′ del siguiente nucleótido, dando lugar a cadenas lineales polinucleotídicas que constituyen los polinucleótidos o ácidos nucleicos. Cuando el número de nucleótidos que integran la cadena no es muy grande, se denominan oligonucleótidos.

Extremo 5′: Presenta un grupo fosfato unido al C5′ de la pentosa del primer nucleótido.

Extremo 3′: Presenta un radical hidroxilo (-OH) unido al C3′ de la pentosa del último nucleótido.

Ribosa: Adenina, Guanina, Citosina, Uracilo / Adenosina, Guanosina, Citidina, Uridina / Adenosin-5′-fosfato, Guanosin-5′-fosfato, Citidin-5′-fosfato, Uridín-5′-fosfato – ARN

Desoxirribosa: Adenina, Guanina, Citosina y Timina / Desoxiadenosina, Desoxiguanosina, Desoxicitidina, Desoxitimidina / Desoxiadenosin-5′-fosfato, Desoxiguanosin-5′-fosfato, Desoxicitidin-5′-fosfato y Desoxitimidín-5′-fosfato – ADN

Propiedades Fisicoquímicas de los Ácidos Nucleicos

• Fuertemente ácidas en solución acuosa debido a los grupos fosfatos. Se estabilizan con cationes de calcio y/o magnesio.
• Presentan una elevada viscosidad incluso a concentraciones bajas. Cuando se pliegan, la viscosidad disminuye.
• Muestran un pico característico de absorción de luz UV a una longitud de onda de 260 nm. Esta propiedad es útil para determinar la concentración: midiendo la absorbancia de una solución a 260 nm se determina su concentración en ácidos nucleicos. En forma de doble cadena, tienen mayor absorbancia que las de cadena simple.
• Las dos cadenas de nucleótidos que forman la doble hélice de una molécula de ADN se pueden separar elevando la temperatura o aumentando el pH (alcalino). Este proceso se denomina desnaturalización y se produce por la ruptura de los puentes de hidrógeno entre las bases nitrogenadas complementarias. La desnaturalización es reversible, de manera que al disminuir la temperatura lentamente o bajar el pH hasta valores neutros, se vuelven a formar los puentes de hidrógeno. Este fenómeno se denomina renaturalización.
• Dos cadenas de ácidos nucleicos con una secuencia de bases nitrogenadas complementarias se unen mediante puentes de hidrógeno entre las bases complementarias en un proceso denominado hibridación.

• Densidad ADN = 1.7 g/cm³ (menos denso que el ARN)
• Solubilidad: Soluble en agua e insoluble en disolventes orgánicos (etanol, metanol, isopropanol).
• Alta solubilidad debido a los puentes de hidrógeno A-T y G-C e interacciones entre bases.

Propiedades del ARN

• Posee naturaleza ácida, debido a la presencia de grupos fosfatos.
• Es más soluble en agua que el ADN y también es insoluble en disolventes orgánicos.
• Las soluciones de ARN son viscosas, pero mucho menos que las de ADN, y son más densas que las de ADN.
• El ARN presenta menor estabilidad que el ADN, debido a que se presenta frecuentemente en forma monocatenaria.
• Presenta absorbancia en la región del ultravioleta, con un pico máximo de 260 nm.
• Los pH < 4 provocan la rotura del ARN en sus componentes (bases nitrogenadas, ribosas y fosfatos), y los pH > 10 hidrolizan el ARN en sus ribonucleótidos.
• Algunos agentes químicos, como la urea y la formamida, pueden causar su desnaturalización a pH neutro.

Localización de los Ácidos Nucleicos

• Eucariotas: El ADN se encuentra en el núcleo, formando parte de los cromosomas. También existen pequeñas cantidades dentro de las mitocondrias y en los cloroplastos.
• Procariotas: La mayor parte del ADN se encuentra en un solo cromosoma y, en menor proporción, forma fragmentos pequeños llamados plásmidos. Algunos virus también contienen ADN como material genético.

Estructura del ADN

La estructura del ADN se organiza en diferentes niveles:

1. Secuencia de nucleótidos.
2. Estructura de la doble hélice.
3. Plegamiento de la doble hélice con histonas y no histonas.

1. Primer nivel: Nucleosoma (10 nm).
2. Segundo nivel: Solenoide (30 nm).
3. Tercer nivel: Bucles (300 nm).
4. Cuarto nivel: Compactación 10,000 veces.

Estructura Primaria del ADN

Es la secuencia de bases nitrogenadas en la cadena de desoxinucleótidos. Se caracteriza por su tamaño (millones de pares de bases en los cromosomas), composición (proporción de desoxinucleótidos) y secuencia específica de bases.

Estructura Secundaria del ADN

Está definida por la complementariedad entre bases (A-T con 2 puentes de hidrógeno, C-G con 3) y la doble hélice formada por dos cadenas antiparalelas con secuencias complementarias. Las bases nitrogenadas quedan en el interior, y cada giro de la hélice abarca 10 nucleótidos.

Estructura Terciaria del ADN

Es la organización tridimensional del ADN en fibras de cromatina, presente solo en el núcleo de células eucariotas. El ADN se asocia con proteínas:

• Histonas: Proteínas con función estructural.
• No histonas: Proteínas con funciones estructurales, enzimáticas y reguladoras.

La cromatina se compacta aún más formando solenoides, dando lugar a la estructura final del ADN en la célula.

Las moléculas bicatenarias de ADN se enrollan alrededor de octámeros cilíndricos de histonas, formando unidades estructurales llamadas nucleosomas. Así, la molécula completa toma forma de «collar de perlas» y se denomina fibra de cromatina.

A su vez, se enrolla sobre sí misma formando un solenoide. Todo este complejo formado por ADN e histonas se denomina cromatina.

ARN

El ARN es un polímero formado por largas cadenas de ribonucleótidos (la pentosa siempre es ribosa) con las bases nitrogenadas A, C, G y U. El ARN de los seres vivos es monocatenario y lineal. Algunas zonas de la molécula pueden tener secuencias complementarias, lo que permite que la cadena se pliegue para formar regiones de doble hélice, conocidas como horquillas.

Las moléculas de ARNm procariota son policistrónicas, es decir, portan información para la síntesis de varias proteínas distintas. Por el contrario, las moléculas de ARNm eucariota son monocistrónicas, conteniendo información para la síntesis de una única proteína.

• ARN ribosómico (ARNr): Es el mayoritario en las células (80%). Combinado con proteínas, forma los ribosomas, responsables de la síntesis de proteínas.
• ARN de transferencia (ARNt): Transporta los aminoácidos hasta los ribosomas para su incorporación en la cadena proteica que se está sintetizando.
• ARN con función reguladora: Son moléculas pequeñas con secuencias complementarias de regiones específicas de ARNm que, al unirse, bloquean la traducción a proteína o activan enzimas que degradan el ARNm.

• ARN heterogéneo nuclear (ARNhn): Es una mezcla de largas moléculas lineales precursoras del ARNm (pre-ARNm). Se encuentra en el núcleo de la célula y, tras un proceso de maduración, da lugar al ARNm, que sale al citoplasma.
• ARN pequeño nuclear (ARNsn): Es un conjunto de pequeñas moléculas de ARN que se localizan en el núcleo y se unen a proteínas, dando lugar a ribonucleoproteínas con actividad enzimática. Intervienen en la maduración del ARNm y forman parte de lo que se llama ESPLICEOSOMA, que participa en el splicing o ayuste, es decir, la liberación de intrones.
• ARN nucleolar (ARNn): Se localiza en el nucleolo y es el precursor de varios ARNr.
• ARN pequeño nucleolar (ARNsno): Es un conjunto de pequeñas moléculas de ARN localizadas en el nucleolo que se unen a proteínas, formando ribonucleoproteínas pequeñas nucleolares (RNPsno), implicadas en la maduración del ARNr.

Replicación del ADN

• Semiconservativa: Cada molécula hija conserva una cadena original y sintetiza una nueva.
• Origen de replicación: En procariotas hay un solo origen, mientras que en eucariotas existen múltiples orígenes en cada cromosoma.
• Bidireccional y secuencial: La replicación avanza en ambas direcciones desde el origen, formando dos horquillas de replicación.
• Semidiscontinua: La síntesis ocurre en dirección 5’→3’. La hebra adelantada se sintetiza de forma continua, mientras que la hebra retardada se forma en fragmentos.

Enzimas de la Replicación

• Helicasa: Desarrolla y separa las dos cadenas de la doble hélice.
• Proteínas de unión a cadena sencilla: Se unen a las cadenas desenrolladas evitando que se vuelva a formar la doble hélice.
• Girasa y topoisomerasa: Relajan la tensión de la doble hélice mediante cortes y empalmes.
• ADN polimerasa: Responsable de la síntesis de la nueva cadena, añadiendo desoxinucleótidos al extremo 3′ de una cadena en crecimiento. Elonga una cadena preexistente de ADN o ARN, añadiendo desoxinucleótidos a la posición 3′ libre complementarios a los de la secuencia de la cadena molde. Además, estas enzimas tienen también actividad exonucleasa, es decir, son capaces de eliminar nucleótidos uno a uno desde un extremo de la cadena para corregir y reparar errores.
• Primasa: Enzima con función de ARN polimerasa que sintetiza cortos fragmentos de ARN, llamados cebadores o primers. Se forman cortas regiones de híbridos ARN-ADN que son reconocidas por la ADN polimerasa para iniciar su función de elongación. Para la síntesis de la hebra conductora se requiere un único cebador en el origen de la replicación. En la hebra retardada, por el contrario, se requiere un cebador para cada fragmento de Okazaki.
• Ligasa: Enzima responsable de unir los fragmentos de Okazaki entre sí y los extremos de la hebra conductora para conseguir la continuidad de las cadenas de nueva síntesis.

Fases de la Replicación

1. Iniciación:
   • Proteínas reconocen el origen de replicación y activan las helicasas, que separan las cadenas de ADN.
   • Las SSBP evitan que la doble hélice se vuelva a formar.
   • Girasas y topoisomerasas reducen la tensión en la doble hélice.
   • Se genera una burbuja de replicación con dos horquillas de replicación en sus extremos.
2. Elongación:
   1. La primasa sintetiza cebadores en la hebra conductora (uno solo) y en la hebra retardada (varios, para formar los fragmentos de Okazaki).
   2. La ADN polimerasa III extiende las cadenas añadiendo desoxinucleótidos complementarios.
   3. La ADN polimerasa I elimina los cebadores y los reemplaza con ADN.
   4. La ligasa une los fragmentos de Okazaki en la hebra retardada.

Diferencias en eucariotas:

• Múltiples orígenes de replicación por cromosoma.
• Cinco tipos de ADN polimerasas con funciones específicas.
• El ADN se asocia con histonas, formando nucleosomas durante la replicación.

• ARN polimerasa I: Responsable de la síntesis de la mayor parte del ARNr.
• ARN polimerasa II: Responsable de la síntesis del ARNm.
• ARN polimerasa III: Responsable de la síntesis del ARNt y de la subunidad 5S del ARNr.

Transcripción

1. Iniciación:
   • La ARN polimerasa reconoce y se une al promotor (TATA Box), ubicado antes de la región a transcribir.
   • La unión separa las cadenas de ADN y permite iniciar la síntesis de ARN con la incorporación de nucleótidos.
   • Depende de factores de transcripción.
2. Elongación:
   • La ARN polimerasa añade ribonucleótidos complementarios a la cadena molde en dirección 5’→3’.
   • Se forman enlaces fosfodiéster a medida que la ARN polimerasa avanza leyendo en dirección 3’→5’.
   • La cadena no molde no se transcribe.
3. Terminación:
   • La transcripción finaliza cuando la ARN polimerasa alcanza una secuencia de terminación.
   • La cadena de ARN se libera, la ARN polimerasa se separa y el ADN recupera su estructura de doble hélice.

Maduración del ARN

Procariotas

• Los ARNt y ARNr se generan a partir de transcritos primarios que son cortados por enzimas.
• El ARNm no necesita modificaciones y puede ser traducido incluso antes de finalizar la transcripción.
• Los ARNm son policistrónicos, es decir, contienen varios codones de inicio y STOP, permitiendo la síntesis de múltiples proteínas.

Eucariotas

• La maduración de ARNt y ARNr es similar a la de procariotas, pero el ARNm requiere un procesamiento complejo debido a la presencia de intrones y exones.
• Exones: Contienen la información codificante.
• Intrones: No codifican proteínas y deben eliminarse antes de la traducción.

Maduración del ARNm

1. Caperuza 5’: Se añade 7-metil guanosina durante la transcripción para proteger de la degradación.
2. Cola de poli-A en 3’: La poli-A polimerasa añade una cola de adeninas para facilitar la salida del ARNm al citoplasma.
3. Splicing: Eliminación de intrones mediante el espliceosoma, empalmando los exones.

🔹 Splicing alternativo: Un mismo ARNhn puede generar distintas proteínas a partir de un solo gen.

Traducción del ARNm

Proceso por el cual a partir de una molécula de ARNm se sintetiza una proteína.

El Código Genético

Es el diccionario que permite traducir una secuencia de bases nitrogenadas a una secuencia de aminoácidos.

Características:

• Universal.
• Degenerado (varios codones codifican el mismo aminoácido: sinónimos).
• No es ambiguo.
• Continuo y no solapado.

• Iniciación: Comienza con la unión de la subunidad menor del ribosoma a un ARNm, a la altura del codón de inicio AUG. A continuación, se forman puentes de hidrógeno entre el codón AUG y el anticodón UAC del ARNt que porta el aminoácido metionina. A este conjunto se le denomina complejo de iniciación. Posteriormente, se incorpora la subunidad grande del ribosoma, de manera que el ARNt-Met se sitúa en el sitio P.
• Elongación: Incorporación al sitio A de un segundo aminoacil-ARNt que tiene un anticodón complementario al segundo codón del ARNm. La enzima peptidil transferasa cataliza la formación de un enlace peptídico entre la metionina (en el sitio P) y el aminoácido que se encuentra en el sitio A. De esta manera, el ARNt del sitio P queda sin aminoácido y el ARNt del sitio A está ahora unido a un dipéptido. El ribosoma se va desplazando a lo largo de la molécula de ARNm en dirección 5’→3′, en un movimiento denominado translocación. El primer ARNt, ahora sin aminoácido, se separa del complejo; el ARNt que porta el dipéptido se traslada al sitio P y en el sitio A entra un nuevo aminoacil-ARNt complementario del tercer codón del ARNm. Cada vez que se repite este ciclo, se incorpora un nuevo aminoácido a la cadena polipeptídica en crecimiento.
• Terminación: Ocurre cuando el ribosoma alcanza en el ARNm un codón de terminación (UAA, UGA o UAG). No existe ningún ARNt que tenga un anticodón complementario.