En relación a su concepto o definición, los ácidos nucleicos son las moléculas que contienen la información genética necesaria para el desarrollo de los seres vivos; determinan, por tanto, cómo es el individuo, y se transmiten de unos a otros en la descendencia.
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| Estructura de una molécula de ADN, uno de los dos tipos de ácido nucleico, junto al ARN. |
- Composición química de los ácidos nucleicos
Si analizamos su composición química, los ácidos nucleicos están formados por la unión de un gran número de moléculas –o monómeros, o nucleótidos– mediante el proceso de polimerización. Los monómeros son moléculas constituidas por tres componentes: una pentosa, una base nitrogenada y un ácido ortofosfórico.
+ Pentosa
La pentosa es una molécula de azúcar de cinco átomos de carbono, que suele ser en la mayoría de los casos -D-ribofuranosa o -D-desoxirribofuranosa. La numeración de sus carbonos es 3', 4', 5', para diferenciarlos de los carbonos de la base nitrogenada.
+ Base nitrogenada
La base nitrogenada es un compuesto de carácter básico, que contiene en su estructura átomos de nitrógeno. Estos compuestos pueden ser de dos tipos: bases púricas, que derivan de la purina –por ejemplo, la adenina (A) y la guanina (G)–, y bases pirimidínicas, derivadas de la pirimidina –como la citosina (C), la timina (T) y el uracilo (U)–. Los compuestos que se forman a partir de la unión de una pentosa y una base nitrogenada se denominan nucleósidos. Se forman a través de un enlace N(nitrógeno)-glucosídico entre el carbono en posición 1 de la pentosa y el nitrógeno 1 de la base nitrogenada, si ésta es pirimidínica, o el carbono 9 si la base es púrica. Los nucleósidos se denominan ribonucleósidos si la pentosa es la ribosa y desoxirribonucleósidos si la pentosa es la desoxirribosa.
+ Ácido ortofosfórico y nucleótidos
Cuando se produce la unión de un nucleósido con el ácido ortofosfórico, se obtiene el nucleótido. Esta unión tiene lugar mediante un enlace de tipo éster entre el grupo OH del carbono 5' o 3' de la pentosa y el grupo OH del ácido ortofosfórico.
Por otro lado, existen moléculas de nucleótido que no forman ácidos nucleicos. Pueden mencionarse, por ejemplo, los nucleótidos de adenosina, como el ATP (adenosina trifosfato), de gran importancia biológica, pues es la unidad fundamental de los seres vivos para fijar la energía. La hidrólisis de esta molécula en ADP (adenosina difosfato) libera un grupo fosfato, y energía muy útil en el metabolismo celular. Otro nucleótido importante es el AMP (adenosina monofosfato), cíclico que actúa como intermediario entre la célula y el exterior, facilitando la respuesta frente a hormonas o neurotransmisores.
Atendiendo a la formación de los ácidos nucleicos, esta cadena se forma mediante la unión de un grupo OH (hidróxilo) del fosfato de un nucleótido y el grupo OH de la posición 3' de la pentosa de otro nucleótido, liberándose una molécula de H2O. De esta manera se forma un dinucleótido, un trinucleótido, etc., hasta constituir un polinucleótido o ácido nucleico. Se llama extremo 5' de la cadena al resto que posee un grupo fosfato libre unido al carbono 5' de un nucleótido; se denomina extremo 3' al que presenta libre el grupo OH en posición 3' de otro nucleótido.
- Tipos de ácidos nucleicos: ARN y ADN
Existen dos clases de ácidos nucleicos: ADN (ácido desoxirribonucleico) y ARN (ácido ribonucleico), que se diferencian según su composición química, su localización, su función y su estructura.
+ ADN
El ADN es una molécula muy larga, donde todas las pentosas son desoxirribosas. El ADN puede ser lineal, como en el caso de las células eucariotas, o circular, como en ciertas bacterias y virus. Salvo en determinados virus, la molécula de ADN es bicaternaria; es decir, está formada por dos cadenas dispuestas de forma paralela y con las bases nitrogenadas enfrentadas. Estas bases pueden ser gianina, adenosina, citosina y timina, pero no uracilo.
. Estructura del ADN
* Estructura primaria
La estructura primaria es la secuencia de nucleótidos encadenados. Es en estas cadenas donde se encuentra la información genética, y dado que el esqueleto es el mismo para todos, la diferencia de la información radica en la distinta secuencia de bases nitrogenadas. Esta secuencia representa un código que contiene una información u otra, según el orden de las bases.
* Estructura secundaria
La estructura secundaria representa la estructura espacial de la molécula. El estudio de esta disposición espacial se inició con los trabajos de Wilkins y Franklin sobre difracción de rayos X. Posteriormente, Chargaff estableció el llamado "principio de equivalencia de bases", en virtud del cual la cantidad de bases púricas era igual a la de bases pirimidínicas en todos los seres vivos; además, existía la misma cantidad de adenina que de timina (A=T), identidad que se daba también entre la guanina y la citosina (G=C). Estas investigaciones previas permitieron a Watson y Crick establecer un modelo espacial del ADN, conocido como el modelo de la doble hélice, según el cual, la molécula de ADN está formada por dos cadenas polipeptídicas dispuestas de forma antiparalela, una de ellas en sentido 5'-3' y la otra en sentido 3'-5'. Las bases nitrogenadas de ambas bases se encuentran enfrentadas y unidas por enlaces denominados puentes de hidrógeno. El paralelismo se mantiene, pues siempre se dispone una base púrica (de mayores proporciones) con una pirimidínica (menor). La adesina forma dos puentes de hidrógeno con la timina y la guanina y tres con la citosina. Una de las cadenas es complementaria de la otra, es decir, si una secuencia es ATTC, la otra es TAAG. Ambas cadenas se enrollan una sobre la otra, formando una hélice de 2 nm de grosor. Si se rompen los puentes de hidrógeno entre las bases nitrogenadas de la doble hélice, las dos hebras se separan mediante el proceso conocido como desnaturalización, que tiene lugar con un aumento de temperatura, por cambios de pH o por elevación de las concentraciones salinas. Puede ser reversible, simplemente con un descenso de la temperatura. Cuando, gracias a la presencia de secuencias complementarias de suficiente longitud, se unen cadenas de ADN de diferentes especies, se obtienen los denominados ADN híbridos. Estas moléculas sirven para estudiar el grado de parentesco entre distintas especies.
* Estructura terciaria
Los plegamientos de las largas cadenas de ADN constituyen su estructura terciaria. Esto permite la disposición en paquetes para adaptarse al volumen reducido del núcleo de las células.
+ ARN
El ARN es una macromolécula formada por la polimerización de ribonucleótidos. En esta molécula todas las pentosas son ribosas. Esto hace que la molécula de ARN sea menos estable, ya que en cada nucleótido hay un grupo OH en posición 2' que presenta mayor facilidad para que se produzca la hidrólisis. En el ARN no está presente la timina, y en su lugar existe el uracilo; el resto de las bases, adenina, guanina y citosina, son comunes al ADN. Existen además otro tipo de bases, como el dihidrouracilo, el pseudouracilo, la dimetilguanina, etc. En general, estas moléculas son más cortas y, salvo en algunos retrovirus, no forman cadenas dobles, a diferencia de las dobles hélices de ADN.
El ARN lleva a cabo una serie de procesos que permiten a las células fabricar sus proteínas a partir de la información codificada por el ADN. Por tanto, si el ADN contiene el mensaje genético, el ARN es el encargado de propiciar la traducción de dicho mensaje. Mediante el proceso de transcripción, una secuencia de ADN se copia en una secuencia de bases de una molécula de ARN. La copia de la información genética del ADN, contenida ahora en el ARN mediante el proceso de traducción, permite la síntesis de proteínas en los orgánulos encargados de ello, los ribosomas. Existen varios tipos de ARN: el ARNm o mensajero sintetiza una molécula distinta de ARN para cada proteína a sintetizar, actúa como transporte de la información desde el núcleo hasta el lugar de la síntesis proteica; el ARNt o de transferencia tiene como función el transporte de los aminoácidos desde el citoplasma hasta los ribosomas, para la síntesis proteica; el ARNr o ribosómico forma, mediante su unión a determinadas proteínas, los orgánulos para la traducción del mensaje genético, o ribosomas.
. Transcripción y traducción del ARN
En la transcripción del ARN se pueden distinguir tres fases. La iniciación supone el reconocimiento en la secuencia de ADN de las llamadas secuencias promotoras, son ricas en A-T, que favorece la separación de las dos cadenas. Esto es necesario para que la enzima denominada ARN polimerasa pueda llegar hasta las bases. En la fase de alargamiento, la enzima ARN polimerasa copia a una velocidad de 30 nucleótidos por segundo la cadena de ADN y avanza en el sentido 5'-3'. Finalmente, en la etapa de terminación, la enzima alcanza lo que se conoce como una señal de detención, rica en secuencias G-C, seguida de residuos de T.
En la biosíntesis de proteínas o traducción se distinguen igualmente tres etapas. En la de iniciación, la subunidad 30S del ribosoma se une al ARNm (mensajero) en el llamado codón inicial o secuencia AUG. A este complejo se le unen dos factores proteicos, el IF-3 y el IF-2, junto con una molécula de GTP y el primer aminoacil-ARNt (transferente). En el caso de los procariotas, el primer aminoácido es siempre la formil-metionina. La formilmetionina es complementaria al codón de iniciación, lo que, junto con la unión de un tercer cofactor y la hidrólisis del GTP, permite el acoplamiento de la subinidad 50S del ribosoma. De esta manera, la maquinaria de síntesis de proteínas está montada. En los eucariotas el primer aminoácido es siempre una metionina, y son necesarios tres factores proteicos (IF-M, IF-M2 y IF-M3) e, igualmente, la hidrólisis de GTP. En la fase de elongación, una vez formado el complejo de iniciación se van añadiendo más aminoácidos avanzando desde el extremo N terminal de la cadena hasta el extremo C terminal. Esto se realiza mediante la fijación de nuevos aminoácidos-ARNt, la formación de la cadena polipeptídica y la traslocación, que permite la salida de un aa-ARNt ya leído y la entrada de otro nuevo por leer. La etapa de terminación se produce cuando se leen los llamados codones de terminación, como son las secuencias UAA, UAG y UGA.
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