GUÍA DE ESTUDIO Nº2
“Ácidos Nucleicos”
BC42G
INTRODUCCIÓN
El nombre ácido nucleico hace alusión a sustancias de carácter químico ácido que se encontraron por primera vez en el núcleo eucariótico. Estas macromoléculas están formadas por C, H, O, N y P. Sin embargo, a diferencia de las proteínas carecen de S y el P no es ocasional (10% en peso). Los constituyentes de los ácidos nucleicos son el Ácido Fosfórico, una Pentosa y varios tipos de compuestos denominados Bases Nitrogenadas. (Fig.1) Según sea la pentosa que se encuentre en los ácidos nucleicos se distinguen dos tipos: el Ácido Ribonucleico (ARN), que tiene Ribosa, y el Ácido Desoxirribonucleico (ADN) que contiene Desoxirribosa. Las Bases Nitrogenadas son de dos tipos: Púricas y Pirimidínicas. Las púricas son la Adenina y la Guanina. Las pirimidínicas son Citosina, el Uracilo y la Timina. La Timina sólo se encuentra en el ADN, en tanto que el Uracilo sólo en el ARN. La unión entre pentosa y base nitrogenada da lugar a un Nucleósido. La unión de un nucleósido con una molécula de Ácido Fosfórico origina un Nucleótido. La asociación de cientos de miles de nucleótidos origina un ácido nucleico, por lo cual constituyen cadenas polinucleotídicas.
NUCLEÓSIDOS
Se forman mediante la unión de una pentosa con una base nitrogenada, estableciéndose un enlace denominado N-glucosídico, entre el carbono 1’ de la pentosa y el nitrógeno 1 de una base nitrogenada pirimidínica o el nitrógeno 9 de una base nitrogenada púrica. Se forman entonces los siguientes nucleósidos: Adenosina, Guanosina, Timidina, Uridina y Citidina. Si la pentosa es la Desoxirribosa, se agrega el prefijo desoxi- (Fig.2)
NUCLEÓTIDOS
Se forman mediante la unión de una molécula de ácido fosfórico y un nucleósido, a través del grupo hidroxilo del carbono 5’ de la pentosa, mediante un enlace Fosfoéster. Se forman los siguientes nucleótidos: Adenosín-5’-fosfato o Adenosín monofosfato (AMP), Guanosín-monofosfato (GMP), Uridín-monofosfato (UMP) y Citosín monofosfato (CMP), si la pentosa es la Ribosa. Si la pentosa es la Desoxirribosa, se agrega el prefijo desoxi-, formándose los siguientes nucleótidos: Desoxiadenosín-5’-fosfato o Desoxiadenosín-monofosfato (dAMP), Desoxiguanosín-monofosfato (dGMP), Desoxitimidín-monofosfato (dTMP) y Desoxicitosín-monofosfato (dCMP). (Fig.2)
ÁCIDO DESOXIRRIBONUCLEICO
El ADN está formado por nucleótidos de A, C, G y T que se unen entre sí mediante enlaces fosfodiéster en el sentido 5’à3’, es decir, entre el carbono 3’ de un nucleótido y el carbono 5’ del nucleótido siguiente (Fig. 3). En el hombre hay unos 5.6 x 109 pares de nucleótidos. El ADN se encuentra también en las mitocondrias y en los cloroplastos. El ADN nuclear está asociado a nucleoproteínas básicas llamadas Histonas, aunque también hay una pequeña cantidad de proteínas no histónicas. El ADN procarionte está asociado a proteínas semejantes a las histonas, a ARN y a proteínas no histónicas, formando una condensación denominada Nucleoide, que carece de envoltura.
En el ADN se distinguen 3 niveles estructurales:
1° Corresponde a la secuencia de nucleótidos de una sola cadena, distinguiéndose un esqueleto de fosfopolidesoxirribosas y una secuencia de bases nitrogenadas, éstas se unen en innumerables combinaciones, constituyendo la información genética. Los análisis químicos de bases nitrogenadas del ADN han demostrado que el porcentaje de G, C, T y A es el mismo para todos los individuos de una misma especie, hecho que se explica por las similares características morfológicas y fisiológicas dentro de una especie, por lo cual todos los individuos poseen un mensaje biológico y por lo tanto una secuencia de bases muy semejantes.
2° Corresponde a la disposición en el espacio de dos cadenas de polinucleótidos en doble hélice, con las bases nitrogenadas enfrentadas y unidas mediante puentes de H (Fig.4). Basándose en datos experimentales de densidad y viscosidad, experimentos de Chargaff y estudios de difracción de Rayos X, Watson y Crick propusieron en 1953 su modelo de doble hélice, que señala: (Fig.5)
1. el ADN está formado por dos cadenas antiparalelas de polinucleótidos, es decir, tendrían los enlaces 5’à3’ orientados en diferente sentido.
2. las hebras son complementarias, y enrolladas una sobre la otra, formando la doble hélice dextrógira. La complementariedad está dada por la unión entre una A y una T mediante dos enlaces puente de H, en tanto que frente a una C se ubica una G, mediante tres enlaces puente de H. Las bases complementarias se sitúan en planos horizontales, de manera que el eje de la molécula atraviesa dichos planos por su centro.
3. los grupos hidrófobos =C-H y -CH3 de las bases nitrogenadas se disponen hacia el interior de la molécula estableciéndose interacciones hidrofóbicas entre grupos lipófilos, que colaboran con los puentes de H en dar estabilidad a la molécula.
4. las pentosas y los grupos fosfato quedan en el exterior. Debido a la ionización de los grupos fosfatos, los ácidos nucleicos tienen carácter ácido y se definen como polianiones.
La doble hélice de ADN en estado natural es muy estable, pero si se calienta a unos 100°C las dos hebras se separan, produciéndose la desnaturalización del ADN. Si posteriormente se mantiene el ADN desnaturalizado a 65°C, las dos hebras vuelven a unirse, ocurriendo una renaturalización.
En la actualidad se conocen tres tipos de estructura en doble hélice del ADN (Fig. 6):
· la forma B descrita por Watson y Crick, y es la forma más corriente de ADN.
· la forma A es dextrógira, pero las bases complementarias se sitúan en planos inclinados, de manera que el eje de la molécula atraviesa dichos planos por puntos desplazados del centro.
· la forma Z es levógira, y tiene un enrollamiento irregular que provoca una configuración en zigzag, a la que hace referencia su nombre. Esta estructura aparece en regiones del ADN donde se alternan muchas C y G. Se cree que la forma Z constituye señales para las proteínas reguladoras de la expresión del mensaje genético.
3° Corresponde al superenrollamiento del material genético. Presenta varios niveles de empaquetamiento del ADN para llegar a formar un cromosoma plenamente visible en metafase de la mitosis.
NIVELES DE EMPAQUETAMIENTO DEL ADN
1° “Collar de perlas”. Corresponde a la fibra de cromatina de 100 A°. Se encuentra en el núcleo en reposo de las células somáticas, formando la cromatina. Ésta es la sustancia que se colorea cuando se tiñe el núcleo con colorantes básicos (Fig.7). El “collar de perlas” está constituido por una sucesión de partículas de 100 A° de diámetro enlazadas por una doble hélice de ADN. El conjunto, que continuamente se va repitiendo, formado por dicha partícula de 100 A° más ADN espaciador, se denomina Nucleosoma. Las partículas reciben el nombre de núcleo o partícula nuclear. Están constituidas por un grupo de ocho histonas, denominado Octámero, y por un segmento de ADN de 146 pares de nucleótidos que describe 1.75 vueltas sobre el octámero. Las ocho histonas que intervienen en la partícula son dos moléculas de cada una de las histonas H2A, H2B, H3 y H4. Estas histonas son prácticamente las mismas en todos los organismos, tanto animales como vegetales.
El ADN linker o espaciador tiene una longitud aproximada, según la especie, de 54 pares de nucleótidos, de modo que el ADN total del nucleosoma es de 54 + 146 = 200 pares de nucleótidos (Fig. 
. Cada nucleosoma se puede asociar a una molécula de una nueva histona, la H1. Ésta queda fijada por los primeros 10 pares de nucleótidos de cada uno de los dos extremos del ADN que sobresalen de la partícula nuclear. El conjunto formado por el octámero, la histona H1 y el ADN se llama Cromatosoma. El ADN del cromatosoma tiene 166 pares de nucleótidos (146 + 10 + 10) y describe dos vueltas completas. La histona H1 no es imprescindible para la formación del nucleosoma. Su presencia implica condensaciones de ocho o más cromatosomas, de manera que la fibra de cromatina de 100 A° se puede presentar en una forma condensada o laxa, según contenga o no histonas H1. La forma condensada consigue empaquetar los 200 pares de nucleótidos (unos 680 A° de ADN) en una partícula de sólo 100 A° de diámetro, lo que equivale a una reducción de su longitud de orden próximo a 7. La histona H1 resulta imprescindible para la síntesis de la fibra de 300 A°, que constituye el segundo nivel de empaquetamiento del ADN.
2° Solenoide. Corresponde a la fibra de cromatina de 300 A°. Se forma por el enrollamiento sobre sí misma de la fibra condensada de cromatina de 100 A°, es decir, fibras que contienen H1. Según este modelo, se necesitan seis cromatosomas por vuelta y las histonas H1 se agrupan entre sí, formando el eje central de la fibra de 300 A° (Fig. 9). Esto implica un acortamiento de aproximadamente cinco veces la longitud del “collar de perlas”. En el núcleo, la mayor parte de la cromatina está en forma de 100 y 300 A°.
3° Bucle. Corresponde al enrollamiento sobre sí mismo del solenoide, formando prominencias de unos 600 A° de diámetro (Fig. 10).
4° Roseta. El ADN continúa enrollándose formando anillos de seis bucles (Fig. 10).
5° Rodillo. El empaquetamiento continúa con un anillo de treinta rosetas seguidas, dispuestas en espiral. Las bandas de diferente coloración que se aprecia en algunos cromosomas cuando se observan al microscopio óptico se deberían al grado de compactación de los rodillos entre sí.
6° Cromátida. La sucesión de un cierto número de rodillos (Fig. 10).
7° Cromosoma. La unión de dos cromátidas, mediante el centrómero (Fig. 10).
ÁCIDO RIBONUCLEICO
El ARN está constituido por nucleótidos de ribosa, con las bases nitrogenadas A, G, C y U. No contiene T. Estos ribonucleótidos se unen entre sí mediante enlaces fosfodiéster en sentido 5’à3’ al igual que en el ADN. Sin embargo, a diferencia del ADN, el ARN es casi siempre monocatenario, excepto en los Reovirus (Respiratory Enteric Orphan). En determinadas regiones la hebra de ARN puede formar estructura secundaria en doble hélice, por la complementariedad de bases, y estructura terciaria al asociarse a proteínas. Se ha observado la existencia de ARN con función biocatalizadora (Ribozimas), por lo que se sugiere que, en el origen de la vida, los ARN pudieron ser las primeras moléculas capaces de autoduplicarse. Después fue el ADN el encargado de guardar la información genética, ya que su cadena es más estable. El ARN se encuentra en virus, procariontes y eucariontes. En estos últimos se distribuye de la siguiente manera aproximadamente:
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%
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Localización
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Tipos de ARN
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70
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Ribosomas
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ARNr
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15
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Citosol
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ARNt
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10
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Núcleo
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ARNm y ARNn
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05
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Mitocondrias y Cloroplastos
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ARNr y ARNt
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ARN DE TRANSFERENCIA (ARNt)
Es monocatenario y presenta algunas zonas con estructura secundaria. Tiene forma de Hoja de Trébol, con una zona llamada brazo D y su asa, un brazo T y su asa, un brazo llamado anticodón y su asa y un brazo aceptor de aminoácidos. (Fig. 11) Contiene entre 70 y 90 ribonucleótidos. Existen unos 50 tipos de ARNt. Su función es transportar Aá específicos hacia los ribosomas donde se sintetizan las proteínas. En el extremo 5’ se localiza siempre un ribonucleótido de G. En el extremo 3’, donde se enlaza el Aa, siempre está el triplete CCA. En el anticodón hay diferentes tripletes, que están en correspondencia con el Aa que capta específicamente cada ARNt.
ARN MENSAJERO (ARNm)
Tiene estructura diferente en procarionte y eucariontes. En eucariontes tiene zonas sólo con estructura primaria (una sola hebra), y zonas con estructura secundaria de doble hélice, que originan los lazos en herradura. Se encuentra asociado a proteínas formando partículas ribonucleoproteicas mensajeras (Fig. 12). Se forma a partir del pre-ARNm, llamado ARN heterogéneo nuclear (ARNhn), nombre que se relaciona con la variabilidad de su tamaño. Posee una serie de regiones con información denominadas Exones, alternadas con otras sin información, llamadas Intrones, que luego son sustraídos y no aparecen en el ARNm. Este proceso se denomina maduración. En su extremo 5’ posee una Guanosina trifosfato metilada invertida. Esta caperuza bloquea la acción de exonucleasas y constituye la señal de inicio en la síntesis de proteínas. A continuación hay un segmento sin información, seguido de otro segmento con información que suele empezar con la secuencia AUG. En el extremo 3’ posee entre 150 y 200 nucleótidos de A, zona denominada “cola” de poli-A. Se considera que sirve de estabilizador frente a enzimas exonucleasas. Entre la síntesis y la degradación del ARNm no transcurren más que unos cuantos minutos. En procariontes el ARNm no adopta la estructura del ARN eucariontes, carece de caperuza y de cola de poli-A y además es policistrónico, es decir, contiene informaciones separadas para proteínas distintas. El ARNm de eucariontes, en cambio, es monocistrónico.
ARN RIBOSOMAL (ARNr)
Presenta segmentos lineales y segmentos en doble hélice (estructura secundaria), debido a la secuencia complementaria de ribonucleótidos a lo largo de la molécula. Además, el ARNr presenta una estructura terciaria al asociarse con las proteínas ribosómicas. Esta estructura terciaria está asociada con la síntesis proteica ya que proporciona a los ribosomas la forma adecuada para alojar a un ARNm y los Aa que forman las proteínas durante dicho proceso. El peso de los ARNr se expresa según el coeficiente de sedimentación de Svedberg (S). Este coeficiente es directamente proporcional a la velocidad de sedimentación de una partícula durante la Ultracentrifugación. Existen diferentes tipos de ARNr en los ribosomas según se trate de células procariontes o eucariontes (Fig. 13):
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RIBOSOMA
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SUBUNIDAD MAYOR
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SUBUNIDAD MENOR
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PROCARIONTES
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70 S
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ARNr 23 S
ARNr 5 S
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ARNr 16 S
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EUCARIONTES
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80 S
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ARNr 28 S
ARNr 5,8 S
ARNr 5 S
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ARNr 18 S
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ARN NUCLEOLAR (ARNn)
Se encuentra en el Nucléolo. Se origina a partir de diferentes segmentos del ADN, uno de los cuales se denomina región organizadora nucleolar (NOR). A partir de este ADN, se forma en el nucléolo un ARN de tipo 45 S. Este ARN nucleolar se une a proteínas procedentes del citoplasma, muchas de las cuales son las que conforman los ribosomas. Posteriormente, el ARN de 45 S se rompe en tres: un ARN de 18 S, un ARN de 28 S y un ARN de 5,8 S. A éstos se añade un ARN de 5S sintetizado fuera del nucléolo, en el nucleoplasma, a partir de otro segmento de ADN. A continuación se rompe la gran partícula de ribonucleoproteína en dos subunidades, que atraviesan la carioteca y se unen en el citoplasma, dando lugar a un ribosoma (Fig. 14).
CUESTIONARIO
1. Señale dos diferencias entre Bases Nitrogenadas Púricas y Pirimidínicas.
2. Explique cómo se forma un Nucleósido.
3. Nombre los 8 tipos de Nucleósidos que se pueden formar.
4. Explique cómo se forma un Nucleótido.
5. Nombre los 24 tipos de Nucleótidos que se pueden formar.
6. Nombre los tres tipos de ADN que se han identificado.
7. Indique el orden de empaquetamiento del ADN desde el “collar de perlas” hasta un cromosoma.
8. Explique la función de la proteína Histona H1.
9. Señale cuántos brazos posee un ARNt.
10. Indique las bases nitrogenadas de los nucleótidos presentes en los extremos del ARNt.
11. Nombre dos funciones de la Caperuza.
12. Explique la función de la cola poli-A de los ARNm.
13. Explique en qué consiste el Coeficiente de Sedimentación de Sverberg.
14. Indique cuántos tipos de ARNr existen en la subunidad mayor de un ribosoma eucarionte.
15. Explique qué es el NOR o el RON.
VOCABULARIO
. Cada nucleosoma se puede asociar a una molécula de una nueva histona,