Composición de los seres vivos: Ácidos Nucleicos

Existen dos tipos de ácidos nucelicos: el ADN (Ácido DesoxirriboNucleico) y el ARN (Ácido RiboNucleico). Sus componentes elementales (monómeros) son los nucleótidos. Éstos, a su vez, tienen tres componentes:

1. Bases Nitrogenadas. Compuestos formados por al menos un átomo de nitrógeno. Podemos diferenciar entre bases púricas (adenina y guanina) y bases pirimidímicas (timina, citosina y uracilo).

Pirimidina (izquierda) y Purina (derecha)

2. Azúcar. En el ADN es la desoxirribosa (en concreto, el azúcar β-D-Desoxirribofuranosa) y en el ARN es la ribosa (β-D-Ribofuranosa).

3. Ácido fosfórico. Es el ácido H₃PO₄

Las bases nitrogenadas se unen a los azúcares mediante enlaces -N-Glucosídico que se establecen entre el nitrógeno 9 de la base púrica (adenina y guanina) o el 1 de la base pirimidímica (timina, citosina, uracilo) con el hidroxilo del C anomérico de los azúcares desprendiéndose una molécula de agua.

Base púrica (izquierda) y base primidímica (derecha)

A esta unión entre un azúcar y una base nitrogenada se la lama nucleósido. Podemos diferenciar entre nucleósidos formados por ribosa o por desoxirribosa:

a) Nucleósidos con ribosa: adenosina, guanosina, citidina y uridina.

Uridina

b) Nucleósidos con desoxirribosa: desixiadenosina, desoxiguanosina, desoxitimidina y desoxicitidina.

Desoxiadenosina

Si, además, al nucleósido se le une un ácido fosfórico, obtenemos un nucleótido, monómero de los ácidos nucleicos. El ácido fosfórico se une mediante enlace éster al grupo hidroxilo (-OH) al carbono cinco de los azúcares, liberándose también una molécula de agua.

Al mismo tiempo, puede una dos y hasta tres moléculas de ácido fosfórico, que se van uniendo entre sí mediante enlaces fosfodiéster, que implica, cada uno, la pérdida de una molécula de agua.

El ATP o Adenosin trifosfato (izquierda) se forma al unirse al ADP (Adenosin difosfato) otra molécula de fosfato.

Por otra parte, los nucleótidos se pueden unir entre sí mediante ácidos fosfóricos, permitiendo la formación de largas cadenas de nucleótidos: los ácidos nucleicos como el ADN. En esta unión se establecen dos enlaces éster: uno entre el hidroxilo del tercer carbono de un azúcar y otro en el carbono 5 de otro azúcar. Por lo tanto, gracias al ácido fosfórico se juntan el C 3' de un átomo y el C 5' de otro.

- Las funciones de los nucleótidos son varias:

1. Energética. Esto se debe a que el enlace fosfodiéster almacena mucha energía que, al romperse (al convertirse ATP en ADP, por ejemplo), se libera y permite que numerosas reacciones químicas tengan lugar.

2. Enzimas. Los nucleótidos forman parte de enzimas deshidrogenasas, implicadas en el transporte de átomos de hidrógeno, como NAD, NADP, FAD o FMN.

Estructura del NADP

3. Estructural. Forman parte de los ácidos nucleicos.

Los ácidos nucleicos son una sucesión de nucleótidos unidos entre sí por enlaces éster 

4- Mensajeros. Algunos nucleótidos actúan como segundos mensajeros, transmiten en el interior de la célula la información que porta una hormona, como el AMPc.

Estructura del AMPc

- ADN

1. Composición. Los nucleótidos de ADN están compuestos por:

a) Bases nitrogenadas: adenina, guanina, timina y citosina.

b) Azúcar: Desoxirribosa (β-D-Desoxirribofuranosa)

c) Ácido fosfórico. 1, 2 ó 3 moléculas.

Nucleótidos del ADN

2. Estructura. La molécula de ADN es bicatenaria, antiparalela y enrollada helicoidalmente. 

La cadena es antiparalela.
Es decir, la cadena complementaria va en sentido contrario, hacia abajo.

Las cadenas del ADN son complementarias. Esto quiere decir que si en una tenemos la base adenina, en la otra debemos tener, obligatoriamente, la bsse complementaria: timina.

Cadena  ADN:                   3’ – A C T T G G A C T A – 5’

Cadena complementaria : 5’ – T G A A C C T G A T – 3’ 

Las dos cadenas se unen entre sí mediante puentes de hidrógeno que se establecen de forma específica: A = T;  C ≡ G.

Además, las bases nitrogenadas se encuentran en el interior de las cadenas. Por otra parte, el ADN tiene una anchura de 20 Å y cada vuelta de hélice una longitud de 34 Å. (recordemos que 1 Å = 10^-10 m). Caben diez pares de nucleótidos en cada vuelta. 

3. Localización. La molécula de ADN se encuentra en el núcleo de las células. También en el interior de las mitocondrias y los cloroplastos. 

ADN mitocondrial

En las células eucariotas el ADN se encuentra asociado a proteínas, formando la cromatina. La cromatina está formada por nucleosomas, que son cuatro pares de histonas (nuceloproteínas) rodeados por dos vueltas de hélice de ADN. Los nucleosomas están separados entre sí por ADN espaciador. 

4. Funciones. El ADN desempeña diversas funciones:

a) Almacén de la información genética. Sin embargo, no todo el ADN es portador de información, sino que también podemos encontrar, por ejemplo:

- ADN señalizador

- ADN protector

- Secuencias que se leen pero que posteriormente se eliminan. Se les llaman intrones.

b) Fármaco. Recientemente, se ha conseguido utilizar al ADN como fármaco.

c) Permiten la evolución. Esto es debido a que puede el ADN sufrir modificaciones (mutaciones), dar lugar a nuevas proteínas que, si confieren al individuo alguna ventaja, se conservan a lo largo de las generaciones (selección).

5. Propiedades.

a) Peso molecular elevado

b) Solubilidad parcial, ya que presenta una elevada viscosidad.

ADN extraído de la fresa (color rosado)

c) Radiación UV. Las bases nitrogenadas pueden absorber la luz UV.

d) Desnaturalización. En disolución acuosa y a 100 ºC, las dos hebras de ADN se separan, observándose un efecto hipercrómico (aumento de la absorción UV al romperse los puentes de hidrógeno Adenina - Timina y Citosina - Guanina). La temperatura a la cual el 50 % de la molécula de ADN está desnaturalizada se denomina  punto de fusión. Sin embargo, si se restablecen las condiciones óptimas, el ADN vuelve a naturalizarse.

Desnaturalización del ADN

- Regla de Chargaff

1. La proporción de bases nitrogenadas es muy variable, pero muy similar entre individuos de la misma especie.

2. La cantidad de timina es igual a la de adenosina y, por otra parte, la cantidad de guanina es igual a la de citosina.

3. La cantidad de bases púricas es igual a la de bases pirimidímicas.

- ARN. También llamado Ácido Ribonucleico. 

1. Composición. Los nucleótidos de ARN están formados por:

a) Bases nitrogenadas. Adenina, Uracilo, Timina y Citosina.

b) Azúcar. β-D-Ribofuranosa 

c) Ácido fosfórico

Cadena de ARN

2. Estructura. La molécula de ARN es monocatenaria. Puede aparecer estructura secundaria en algunos tramos mediante la formación de puentes de hidrógeno intrecatenarios. 

3. Localización. Aparece en el citoplasma de las células y pequeñas cantidades en mitocondrias y cloroplastos.

4. Funciones. La función depende del tipo de ARN del que estemos hablando.

a) ARN mensajero. Copia y transporta la información contenida en las células.

b) ARN ribosómico. Constituye los ribosomas, estructuras formadas por dos subunidades, una grande y otra pequeña donde se sintetizan las proteínas. 

Podemos encontrar dos tipos de ribosomas: 

- Ribosoma en células eucariotas. Un coeficiente de sedimentación de 80S (1 S = 10^-13 segundos). La subunidad grande, de 60S, tiene tres hebras de ARN_r de  5 S, 28 S y 5,8 S y , además, tiene 49 proteínas. La subunidad pequeña, de 40S, tiene, por otra parte, una sola molécula de ARN_r de 18S y 33 proteínas.

Modelo 3D del ribosoma eucariota, 80S

- Ribosoma en células procariotas. Un coeficiente de sedimentación de 70S. La subunidad grande, de 50S, tiene dos hebras de ARN_r: 5S y 23S, además de 31 proteínas. La subunidad pequeña es de 30S y tiene una sola molécula de ARN_r que es de 16S y contiene 21 proteínas.

c) ARN transferente. Lee al ARN mensajero en los ribosmas para dar lugar a las proteínas en un proceso llamado traducción.

Modelo en 3D del ARN transferente

El ARN_t consta de cuatro brazos:

1. En el extremo 3' hay siempre un triplete de bases ACC que es donde se une el aminoácido.

2. El brazo de la derecha es el del pseudouracilo, implicado en el reconocimiento al ribosoma.

3. El brazo inferior es donde se encuentra en anticodón, triplete de bases complementario al codón, que aparece en el ARN mensajero. 

4. El brazo de la izquierda o del dihidrouracilo está implicado en el reconocimiento de la aminoacil-_tRNA sintetasa, ezima que une el aminoácido al extremo 3'.

Estructura del ARN_t

5. Propiedades. Algunas de las propiedades del ARN son:

a) Peso molecular variable

b) Solubilidad. Es poco soluble en agua, pero muy soluble en disoluciones salinas.

El ARN extraído, de color transparente

c) Radiación UV. Puede observarse efecto hipercrómico cuando se rompen los puentes de hidrógeno intracatenarios.

d) Transcripción. El ARN se obtiene a partir del ADN en un proceso llamado transcripción gracias a las enzimas ARN-Polimerasas o transcriptasas.

Ilustración de la Transcripción