Biología celular/Macromoléculas/Ácidos Nucleicos

Una molécula de ácido nucleico es un polímero lineal en el cual los monómeros (nucleótidos) están unidos por medio de puentes o uniones fosfodiéster. Estos puentes unen el carbono 3´ de la pentosa de un nucleótido al carbono 5´ en la pentosa del nucleótido adyacente.

En consecuencia, el eje de ácido nucleico está formado por fosfatos y pentosas alternados. Las bases nitrogenadas están unidas a los azúcares de este eje.

El ácido fosfórico utiliza dos de sus tres grupos ácidos en las uniones 3´, 5´- diéster. El grupo restante confiere al polinucleótido sus propiedades ácidas y permite que la molécula forme uniones iónicas con proteínas básicas. Éste grupo ácido libre hace también que los ácidos nucleícos sean intensamente basófilos, es decir, que se colorean fácilmente con colorantes básicos.

Una hidrólisis moderada fragmenta el ácido nucleico en los nucleótidos. Estos están formados por la unión covalente de un fosfato y una base heterocíclica a la pentosa.

Las pentosas son de dos tipos: ribosa en el ARN, y desoxirribosa en el ADN. La única diferencia entre estos dos azúcares es que la desoxirribosa tiene un átomo menos de alcohol.

Las bases nitrogenadas que se encuentran en los ácidos nucleicos son anillos heterocíclicos compuestos, además de carbono e hidrógeno, por nitrógeno. Son de dos tipos fundamentales: las bases purinas (por ser derivadas de la purina, de dos anillos heterocíclicos) y las bases pirimidinas (por ser derivadas de la pirimidina de un solo anillo).

En el ADN sólo aparecen cuatro bases nitrogenadas. Las bases purinas presentes son: adenina y guanina. Y las bases pirimidinas son: citosina y timina.

Mientras que en el ARN la timina es reeemplazada por el uracilo. Esta diferencia, sumada a la pentosa (desoxirribosa en ADN y ribosa en ARN), son las dos diferencias fundamentales en la composición química entre ADN y ARN.

La diferencia de las bases pirimidicas es aprovechada en los estudios de biología celular mediante la utilización de timidina y uridina radioactivas (³²P) para marcar de manera especifica al ADN y ARN, respectivamente.

Las bases nitrogenadas se unen al carbono 1 de la pentosa, formando un nucleósido, en ausencia del grupo fosfato. Cuando el corbono 5 de la pentosa se encuentra sustituido por un fostato lo llamamos nucleótido.

Aunque en el ADN o ARN la pentosa se encuentra sustituida con un sólo fosfato, existen en las células una serie de nucleótidos de singular importancia en el metabolismo celular. Son los di- y tri- nucleótidos como el adenosin-tri-fosfato (ATP) que tienen enlaces fosfodiester de alta energía y son responsables de muchos procesos metabólicos.

Polinucleótidos

Existen dos tipos de ácidos nucleícos: el ARN y el ADN.

Ácido desoxirribonucleíco o ADN.

Ácido desoxirribonucleíco o ADN

Fue descubierto por el químico suizo Friedrich Miescher en 1869. Sin embargo, fue Albrecht Kossel el primero en preguntarse acerca de la naturaleza química de esta sustancia hacia comienzos del siglo XX. En 1929 Phoebus Levene identificó los componentes del ADN (fosfato, azúcar y las cuatro bases) y demostró que se encontraban unidas en el orden fosfato-azúcar-base, formando lo que denomino un nucelótido. Levene también sugirio que los nucleótidos se encontraban unidos por los fosfatos formando el ADN. Sin embargo, Levene pensó que se trataban de cadenas cortas y que las bases se repetian en un orden determinado.

Finalmente la estructura tridimensional del ADN logró resolverse en 1953 por el trabajo de Francis Crick, James Watson, Maurice Wilkins y Rosalind Franklin que produjeron un modelo de la estructura del ADN consistente en dos cadenas que se ubican en sentido antiparalelo, es decir una cadena corre en sentido 5´→ 3´ y la otra en sentido inverso. Según la base nitrogenada se pueden formar dos o tres puentes de hidrógeno con la base de la molécula vecina, la adenina y la timina forman dos puentes mientras que la guanina y la citosina forman tres. De esta manera las bases se aparean de manera específica, adenina sólo con timina y guanina sólo con citosina. Esta propiedad del ADN es la que permite su auto replicación, teniendo una sola cadena puede copiarse la complementaria. Este es el mecanismo que utilizan los seres vivos para poder dividirse y perpetuarse. Estas cadenas antiparalelas adoptan un conformación de hélice con sentido dextrógiro (derecha), dicha conformación se llama ADN-B.

Trabajos posteriores, entre los que se destacan los de Richard Dickerson, sobre la estructura del ADN permitieron determinar que dicha molécula es dinámica. Fue posible reconocer la existencia de otras formas tridimensionales, el ADN-A y ADN-Z. Mientras que el ADN-A es maś ancho que el ADN-B, el ADN-Z es más angosto. Finalmente el ADN-Z adopta una conformación levógira y el ADN-A dextrógira.

En las células procariontes hay una sola molécula de ADN, que suele adoptar la forma de un círculo cerrado. En las células eucariontes, en cambio, hay varias moléculas diferentes, con una longitud mucho mayor que la del ADN procariótico. Por esta razón, el ADN eucariótico se organiza de una manera más compleja, para que pueda ser contenido en el interior del núcleo celular.

El ADN es por lo común el constituyente básico de la cromatina (cromosoma) nuclear en las células eucariónticas, pero también existe en pequeña cantidad en las mitocondrias y cloroplastos. En los procariontes forma el nucloide (que a diferencia de los eucariontes no va asociado a proteínas, es desnudo) y en los virus (DNA virus) que lo poseen constituyen el virión o elemento infestante.

Acorde a las evidencias, sólo una pequeña parte del ADN constituye genes (menos del 10 %). Existen diferentes tipos que los podemos dividir en:

• ADN de copia única (el 57 % del total) formados por segmentos de aproximadamente 1000 pares de nucleótidos longitud, una pequeña parte de este ADN contiene los genes.
• ADN repetitivo (20 %) son unidades de aproximadamente 300 pares de nucleótidos que se repiten en el genoma unas 105 veces(Unidades de repetición). Se intercalan con el ADN de copia única.
• ADN satélite (altamente repetitivo: 28 %) son unidades cortas de di- o tri- nucleótidos que se repiten en el genoma. Son característicos en cada especie y pueden separarse por centrifugación. Constituyen la heterocromatina y no tienen función conocida.

Los porcentajes indicados son del hombre y el ratón, y las proporciones serían las mismas en otras especies.

Ácido ribonucleíco o ARN

Esta macromolécula representa alrededor del 7% del peso de una célula. Esta constituida por largas cadenas de ribonucleotidos, unidos por enlaces fosfodiéster.

El ADN y el ARN tienen diferencias. Por ejemplo, la pentosa del ARN es la ribosa; en el ADN es la desoxirribosa. Este hecho determina que el ADN sea resistente al tratamiento con bases fuertes (álcalis), a diferencia del ARN que se degrada por la acción de estas sustancias. Otra diferencia es que el ARN es una monohebra y no una cadena doble, como ocurre en el ADN. Finalmente, el ADN incluye las bases nitrogenada A,G,C y T; en el ARN, en cambio, la timina es remplazada por el uracilo.

Hay al menos tres tipos de ARN:

• ARN mensajero (ARNm): ácido nucleíco que contiene la información para dirigir la síntesis de una o más proteínas específicas. La información se encuentra contenida en grupos de tres nucleótidos llamados codones, los cuales determinan el aminoácido que debe incorporarse en la proteína que se va a sintetizar. El nombre mensajero deriva de su papel el intermediario: actúa como vehículo de transporte de información genética entre el ADN y las proteínas.
• ARN de transferencia (ARNt): son moléculas relativamente pequeñas que intervienen en la síntesis de proteínas, complementando la función del ARN mensajero. Contienen entre 75 y 90 nucleóditos dispuestos en forma de trébol. Cada ARN tiene una secuencia de tres nucleóditos llamada anticodón y está unido a un aminoácido específico. La secuencia del anticodón es complementaria al codón del ARNm y determina que cada codón se "leído" como un aminoácido especifico por el ribosoma.
• ARN ribosomal (ARNr): es el ARN más abundante en las células; desempeña una función estructural como componente de un importante complejo supramolecular llamado ribosoma. Los ribosomas, formados por proteínas y ARN ribosomal y participan activamente en la lectura de la molécula de ARN mensajero para sintetizar las proteínas contenidas en la secuencia de codones del ARN mensajero.