Estructura de los Nucleótidos y Ácidos Nucleicos

Nucleósidos

Un nucleósido está formado por una base nitrogenada (que puede ser una pirimidina o una purina) unida por un enlace covalente (enlace N-glucosídico entre el carbono 1 de la pentosa y el nitrógeno 1 en la base pirimidínica o el nitrógeno 9 en la base púrica) a un azúcar de 5 átomos de carbono (pentosa), que puede ser ribosa o desoxirribosa. Ejemplos de nucleósidos son la citidina, uridina, adenosina, guanosina, timidina y la inosina.

Nucleótidos

Los nucleósidos pueden combinarse con un grupo fosfórico (ácido fosfórico: H₃PO₄) mediante determinadas quinasas de la célula, produciendo nucleótidos, que son los componentes moleculares básicos del ADN y el ARN. Los nucleótidos pueden ser de dos tipos, dependiendo de la pentosa que contengan. Un nucleótido es un compuesto monomérico formado por una base nitrogenada, un azúcar de 5 átomos de carbono (pentosa) y ácido fosfórico.

Estructura de los Nucleótidos

Cada nucleótido es un ensamblado de tres componentes:

• Bases nitrogenadas o nitrogénicas: Derivan de compuestos heterocíclicos aromáticos, la purina y la pirimidina.
  • Bases nitrogenadas púricas: Son la adenina (A) y la guanina (G). Ambas entran a formar parte del ADN y del ARN.
  • Bases nitrogenadas pirimidínicas: Son la timina (T), citosina (C) y uracilo (U). La timina y la citosina intervienen en la formación del ADN. En el ARN aparecen la citosina y el uracilo.
• Pentosa: El azúcar de 5 átomos de carbono puede ser ribosa (ARN) o desoxirribosa (ADN).
• Ácido fosfórico: De fórmula H₃PO₄. Cada nucleótido puede contener uno (monofosfato: AMP), dos (difosfato: ADP) o tres (trifosfato: ATP) grupos de ácido fosfórico.

Experimento de Griffith

La bacteria Diplococcus pneumoniae es un neumococo, la bacteria causante de enfermedades. Existen dos cepas, la S (smooth = lisa), virulenta, y la R (rough = rugosa), no virulenta. Las bacterias S, vivas, producen la muerte en los ratones, pero no la producen si están muertas. Las bacterias R no son capaces de desarrollar la enfermedad.

Reglas de Chargaff

1. La proporción de adenina (A) es igual a la de timina (T). A = T. La relación entre adenina y timina es igual a la unidad (A/T = 1).
2. La proporción de guanina (G) es igual a la de citosina (C). G = C. La relación entre guanina y citosina es igual a la unidad (G/C = 1).
3. La proporción de bases púricas (A+G) es igual a la de las bases pirimidínicas (T+C). (A+G) = (T+C). La relación entre (A+G) y (T+C) es igual a la unidad (A+G)/(T+C) = 1.

Sin embargo, la proporción entre (A+T) y (G+C) era característica de cada organismo, pudiendo tomar, por tanto, diferentes valores según la especie estudiada. Este resultado indicaba que los ácidos nucleicos no eran la repetición monótona de un tetranucleótido. Existía variabilidad en la composición de bases nitrogenadas.

El Modelo de la Doble Hélice de Watson y Crick

Por un lado, utilizaron los datos obtenidos varios años antes por Chargaff (1950), relativos a la composición de bases nitrogenadas en el ADN de diferentes organismos. El otro tipo de datos eran los procedentes de estudios de difracción de rayos X sobre fibras de ADN. Para determinar la estructura tridimensional o disposición espacial de las moléculas de ADN, se hace incidir un haz de rayos X sobre fibras de ADN y se recoge la difracción de los rayos sobre una película fotográfica. La película se impresiona en aquellos puntos donde inciden los rayos X, produciendo al revelarse manchas. El ángulo de difracción presentado por cada una de las manchas en la película suministra información sobre la posición en la molécula de ADN de cada átomo o grupo de átomos.

Mediante esta técnica de difracción de rayos X se obtuvieron los siguientes resultados:

• Las bases púricas y pirimidínicas se encuentran unas sobre otras, apiladas a lo largo del eje del polinucleótido a una distancia de 3,4 Å. Las bases son estructuras planas orientadas de forma perpendicular al eje (Astbury, 1947).
• El diámetro del polinucleótido es de 20 Å y está enrollado helicoidalmente alrededor de su eje. Cada 34 Å se produce una vuelta completa de la hélice.
• Existe más de una cadena polinucleotídica enrollada helicoidalmente (Wilkins et al. 1953, Franklin y Gosling, 1953).

Basándose en estos dos tipos de datos, Watson y Crick propusieron su modelo de estructura para el ADN conocido con el nombre de modelo de la doble hélice. Las características del modelo de la doble hélice son las siguientes:

1. El ADN es una doble hélice enrollada helicoidalmente a derechas (sentido dextrógiro). Algo parecido a dos muelles entrelazados.
2. Enrollamiento de tipo plectonémico: para separar las dos hélices es necesario girarlas como si fuera un sacacorchos. Cada hélice es una serie de nucleótidos unidos por enlaces fosfodiéster en los que un grupo fosfato forma un puente entre grupos OH de dos azúcares sucesivos (posiciones 3′ de un azúcar y 5′ del siguiente).
3. Las dos hélices se mantienen unidas mediante puentes o enlaces de hidrógeno producidos entre las bases nitrogenadas de cada hélice. Siguiendo los datos de Chargaff (1959), la adenina de una hélice se empareja con la timina de la hélice complementaria mediante dos puentes de hidrógeno. Igualmente, la guanina de una hélice se empareja con la citosina de la complementaria mediante tres puentes de hidrógeno.
4. Las dos hélices, por razones de complementariedad de las bases nitrogenadas, son antiparalelas, teniendo secuencias de átomos inversas. Una hélice lleva la secuencia 5′ → 3′, mientras que la hélice complementaria sigue la secuencia de átomos 3′ → 5′.
5. El diámetro de la doble hélice es de 20 Å.
6. Las bases nitrogenadas son estructuras planas perpendiculares al eje de la doble hélice y están apiladas unas sobre otras a una distancia de 3,4 Å. Cada 10 bases, cada 34 Å, se produce una vuelta completa de la doble hélice (360º).
7. Las bases se encuentran en sus configuraciones cetónicas, cumpliendo así las reglas de apareamiento A-T y G-C.
8. La secuencia de bases nitrogenadas puede ser cualquiera, no existe ninguna restricción.

Concepto de Nucleosoma

Es una estructura que constituye la unidad fundamental y esencial de la cromatina, que es la forma de organización del ADN en las eucariotas. Los nucleosomas están formados por un núcleo proteico constituido por un octámero de histonas, proteínas fuertemente básicas y muy conservadas filogenéticamente.

Tipos de ARN y su Función

1. ARN mensajero (ARNm): Lleva una copia exacta de una plantilla de ADN la cual tiene información de la secuencia de aminoácidos.
2. ARN de transferencia (ARNt): Encargado de transportar los aminoácidos a los ribosomas para incorporarlos a las proteínas, durante el proceso de síntesis proteica. Los ARNt reconocen los ARNm y transfieren un aminoácido determinado a la cadena de proteína que se está sintetizando.
3. ARN ribosómico (ARNr): Forma parte de las subunidades del ribosoma junto con algunas proteínas. Participa en la síntesis de proteínas en el ribosoma. Existen varios tipos de ARNr, cada uno con un tamaño y estructura característicos. En procariotas, los ARNr 23S y 5S forman parte de la subunidad mayor de los ribosomas, mientras que el ARNr 16S forma parte de la subunidad menor. En eucariotas, los ARNr 5S, 5’8S y 28S forman parte de la subunidad mayor de los ribosomas, mientras que el ARNr 18S forma parte de la subunidad menor.
4. ARN nucleolar: Es el que origina y es indispensable para la síntesis del ARN ribosómico.

Síntesis de Proteínas

Iniciación

La iniciación de la traducción en las procariotas supone ensamblar los componentes del sistema de traducción, que son: las dos subunidades ribosomales, el ARNm a traducir, el primer aminoacil-ARNt (el ARNt cargado con el primer aminoácido), GTP (como fuente de energía) y factores de iniciación que ayudan a ensamblar el sistema de iniciación. La iniciación procariótica es el resultado de la asociación de las subunidades pequeña y grande del ribosoma y el acoplamiento del primer aminoacil-ARNt (fmet-ARNt) con el codón de iniciación mediante el emparejamiento de bases anticodón-codón.

El ribosoma consta de tres sitios: el sitio A, el sitio P y el sitio E. El sitio A es el punto de entrada para el aminoacil-ARNt (excepto para el primer aminoacil-ARNt, fmet-ARNt, que entra en el sitio P). El sitio P es donde se forma el peptidil-ARNt. Y el sitio E es el sitio de salida del ARNt una vez descargado tras ofrecer su aminoácido a la cadena peptídica en crecimiento.

La iniciación de la traducción en eucariotas comienza con las subunidades 60s y 40s sin asociar. El IF-1 (factor de iniciación 1) bloquea el sitio A para asegurar que el fMet-ARNt sólo se puede acoplar al sitio P y que ningún otro aminoacil-ARNt puede acoplarse al sitio A durante la iniciación, mientras que el IF-3 bloquea el sitio E y evita que las dos subunidades se asocien. El IF-2 es una GTPasa pequeña que se asocia con el fmet-ARNt y le ayuda a acoplarse con la subunidad ribosómica pequeña. El ARNr 16s de la subunidad ribosómica pequeña 40S reconoce el sitio de acoplamiento ribosómico del ARNm (la secuencia Shine-Dalgarno, 5-10 pares de bases por delante del codón de iniciación (AUG). La secuencia Shine-Dalgarno solo se encuentra en las procariotas). Esto ayuda a posicionar correctamente el ribosoma sobre el ARNm para que el sitio P esté directamente sobre el codón de iniciación AUG. El IF-3 ayuda a posicionar el fmet-ARNt en el sitio P, de manera que el fmet-ARNt interactúa mediante el emparejamiento de bases con el codón de iniciación del ARNm (AUG). La iniciación termina cuando la subunidad ribosómica grande se une al sistema provocando el desacoplamiento de los factores de iniciación. Hay que tener en cuenta que las procariotas pueden distinguir entre un codón normal AUG (que codifica la metionina) y un codón de iniciación AUG (que codifica la formilmetionina e indica el comienzo de un nuevo proceso de traducción.

Elongación

La elongación de la cadena polipeptídica consiste en la adición de aminoácidos al extremo carboxilo de la cadena. La elongación comienza cuando el fmet-ARNt entra en el sitio P, causando un cambio de conformación que abre el sitio A para que el nuevo aminoacil-ARNt se acople. El factor de elongación Tu (EF-Tu), una pequeña GTPasa, facilita este acoplamiento. Ahora el sitio P contiene el comienzo de la cadena peptídica de la proteína a codificar y el sitio A tiene el siguiente aminoácido que debe añadirse a la cadena peptídica. El polipéptido creciente que está conectado al ARNt en el sitio P se desacopla del ARNt y se forma un enlace peptídico entre el último de los aminoácidos del polipéptido y el aminoácido que está acoplado al ARNt en el sitio A. Este proceso, conocido como formación del enlace peptídico, está catalizado por una ribozima, la peptidil-transferasa, una actividad intrínseca al ARNr 23s de la unidad ribosómica 50s. En este punto, el sitio A ha formado un nuevo péptido, mientras que el sitio P tiene un ARNt descargado (ARNt sin aminoácido). En la fase final de la elongación, la traslación, el ribosoma se mueve 3 nucleótidos hacia el extremo 3′ del ARNm. Como los ARNt están enlazados al ARNm mediante el emparejamiento de bases codón-anticodón, los ARNt se mueven respecto al ribosoma recibiendo el polipéptido naciente del sitio A al sitio P y moviendo el ARNt descargado al sitio E de salida. Este proceso está catalizado por el factor de elongación G (EF-G).

El ribosoma continúa trasladando los codones restantes del ARNm mientras siguen acoplándose más aminoacil-ARNt al sitio A, hasta que el ribosoma alcanza un codón de parada en el ARNm (UAA, UGA o UAG).

Terminación

La terminación ocurre cuando uno de los tres codones de terminación entra en el sitio A. Estos codones no son reconocidos por ningún ARNt. En cambio, son reconocidos por unas proteínas llamadas factores de liberación, concretamente la RF-1 (que reconoce los codones de parada UAA y UAG) o la RF-2 (que reconoce al UAA y al UGA). Un tercer factor de liberación, el RF3, cataliza la liberación producida por el RF-1 y el RF-2 al final del proceso de terminación. Estos factores disparan la hidrólisis del enlace éster de la peptidil-ARNt y la liberación del ribosoma de la proteína recién sintetizada.

Material que Forman los Genes

Las bases nitrogenadas son compuestos orgánicos cíclicos, que incluyen dos o más átomos de nitrógeno. Son parte fundamental de los nucleósidos, nucleótidos, nucleótidos cíclicos (mensajeros intracelulares), dinucleótidos (poderes reductores) y ácidos nucleicos. Biológicamente existen seis bases nitrogenadas principales (en realidad hay muchas más), que se clasifican en tres grupos: bases isoaloxazínicas (derivadas de la estructura de la isoaloxazina), bases púricas o purínicas (derivadas de la estructura de la purina) y bases pirimidínicas (derivadas de la estructura de la pirimidina). La flavina (F) es isoaloxazínica, la adenina (A) y la guanina (G) son púricas, y la timina (T), la citosina (C) y el uracilo (U) son pirimidínicas. Por comodidad, cada una de las bases se representa por la letra indicada. Las bases A, T, G y C se encuentran en el ADN, mientras que en el ARN en lugar de timina existe el uracilo.

Plásmidos

Los plásmidos, también llamados vectores, son moléculas de ADN extracromosómico circular o lineal que se replican y transcriben independientes del ADN cromosómico. Están presentes normalmente en bacterias, y en algunas ocasiones en organismos eucariotas como las levaduras. Su tamaño varía desde 1 a 250 kb. El número de plásmidos puede variar, dependiendo de su tipo, desde una sola copia hasta algunos cientos por célula. El término plásmido fue presentado por primera vez por el biólogo molecular norteamericano Joshua Lederberg en 1952.

Las moléculas de ADN plásmidico, adoptan una conformación tipo doble hélice al igual que el ADN de los cromosomas, aunque, por definición, se encuentran fuera de los mismos. Se han encontrado plásmidos en casi todas las bacterias. A diferencia del ADN cromosomal, los plásmidos no tienen proteínas asociadas. En la mayoría de los casos se considera material genético dispensable. Sin embargo, posee información genética importante para las bacterias. Por ejemplo, los genes que codifican para las proteínas que las hace resistentes a los antibióticos están, frecuentemente, en los plásmidos.

Hay algunos plásmidos integrativos, es decir, que tienen la capacidad de insertarse en el cromosoma bacteriano. Estos rompen momentáneamente el cromosoma y se sitúan en su interior, con lo cual, automáticamente la maquinaria celular también reproduce el plásmido. Cuando ese plásmido se ha insertado se les da el nombre de episoma. Los plásmidos se utilizan en ingeniería genética.

Ácidos Nucleicos

Los ácidos nucleicos son macromoléculas, polímeros formados por la repetición de monómeros llamados nucleótidos, unidos mediante enlaces fosfodiéster. Se forman, así, largas cadenas o polinucleótidos, lo que hace que algunas de estas moléculas lleguen a alcanzar tamaños gigantes (de millones de nucleótidos de largo).

Tipos de Ácidos Nucleicos

Existen dos tipos de ácidos nucleicos: ADN (ácido desoxirribonucleico) y ARN (ácido ribonucleico), que se diferencian:

1. Por el glúcido (pentosa) que contienen: la desoxirribosa en el ADN y la ribosa en el ARN.
2. Por las bases nitrogenadas que contienen: adenina, guanina, citosina y timina, en el ADN; adenina, guanina, citosina y uracilo, en el ARN.
3. En los organismos eucariotas, la estructura del ADN es de doble cadena, mientras que la estructura del ARN es monocatenaria, aunque puede presentarse en forma extendida, como el ARNm, o en forma plegada, como el ARNt y el ARNr.
4. En la masa molecular: la del ADN es generalmente mayor que la del ARN.

Nucleósidos y Nucleótidos

Las unidades que forman los ácidos nucleicos son los nucleótidos. Cada nucleótido es una molécula compuesta por la unión de tres unidades: un monosacárido de cinco carbonos (una pentosa, ribosa en el ARN y desoxirribosa en el ADN), una base nitrogenada purínica (adenina, guanina) o pirimidínica (citosina, timina o uracilo) y uno o varios grupos fosfato (ácido fosfórico). Tanto la base nitrogenada como los grupos fosfato están unidos a la pentosa.

La unión formada por la pentosa y la base nitrogenada se denomina nucleósido. Cuando lleva unido una unidad de fosfato al carbono 5′ de la ribosa o desoxirribosa y dicho fosfato sirve de enlace entre nucleótidos, uniéndose al carbono 3′ del siguiente nucleótido; se denomina nucleótido-monofosfato (como el AMP) cuando hay un solo grupo fosfato, nucleótido-difosfato (como el ADP) si lleva dos y nucleótido-trifosfato (como el ATP) si lleva tres.

Listado de las Bases Nitrogenadas

1. Adenina, presente en ADN y ARN.
2. Guanina, presente en ADN y ARN.
3. Citosina, presente en ADN y ARN.
4. Timina, exclusiva del ADN.
5. Uracilo, exclusiva del ARN.