UNIDAD I: LA CÉLULA

ÁCIDOS NUCLEICOS.

INTRODUCCION

Los ácidos nucleicos son macromoléculas formadas por C, H, O, N y P cuyas unidadesmonoméricas son los nucleótidos. Hay dos tipos: el DNA y el RNA, ambos polímerosresponsables de la información y los procesos que culminan con la síntesis de proteínas.

El DNA es el material genético que los organismos heredan de sus padres. En él están los genes,porciones específicas de la macromolécula de DNA que programan las secuencias de aminoácidosy que corresponde a la estructura primaria de las proteínas. De este modo, y a través de lasacciones de las proteínas, el DNA controla la vida de la célula y del organismo.

1. NUCLEÓTIDOS

Los componentes de los nucleótidos son:

Bases Nitrogenadas: Son compuestos cíclicos formados por cadenas de carbono. Seclasifican en bases púricas (adenina y guanina) y pirimídicas (citosina, timina y uracilo).

Azúcar: es una molécula de cinco carbonos, por lo cual, se llama pentosa. Se puede utilizardesoxirribosa (en ADN) o ribosa (en ARN y nucleótidos libres)

Grupo fosfato

Los nucleótidos se pueden encontrar dentro de la célula como unidades libres, participando ennumerosos procesos metabólicos o unidos entre sí formando polímeros de desoxirribonucleótidos(ADN) o polímeros de ribonucleótidos (ARN).

Figura 1. Estructura básica de un nucleótido.

CURSO: BIOLOGÍA MENCIÓN

MATERIAL BM Nº 04

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Funciones de los nucleótidos libres

Mensajeros intracelulares: En las membranas plasmáticas existen numerosos receptores alos que se unen compuestos del medio extracelular. Estas uniones inducen la síntesis desegundos mensajeros en el interior celular, es decir, compuestos sintetizados en respuesta deuna señal externa, los cuales activan o inhiben enzimas. Lo descrito anteriormente es elmecanismo utilizado por las hormonas de tipo proteico. Muchos de los segundos mensajeros sonnucleótidos, por ejemplo el AMPc (adenosin monofosfato cíclico) Figura 2.

Figura 2. AMPc

Transportadores de energía en el metabolismo celular: Algunos nucleótidos pueden estarunidos a una, dos o tres moléculas de ácido fosfórico y dan lugar a un grupo de compuestosricos en energía (Figura 3). Cuando los enlaces de estos compuestos se rompen, la energíaliberada se utiliza en las reacciones endergónicas. Es el caso del ATP (un nucleósido trifosfato)que se forma a partir del AMP, al cual hay que agregarle dos fosfatos más. Los enlaces fosfatosdel ATP son relativamente débiles y pueden romperse por hidrólisis, liberando 10 kilocalorías deenergía por mol de ATP hidrolizado. La reacción puede ocurrir en sentido contrario si se aportanlas 10 kilocalorías por mol. (Figura 3).

FOSFATORIBOSAADENINA

FOSFATO FOSFATOADENINA

FOSFATORIBOSA FOSFATOADENINA FOSFATO

AMP

ADP

ATP

enlaces ricos enenergía

RIBOSA

Figura 3. Formación de 1 ATP

Figura 4. Sistema ATP / ADP de transporte de energía.

Favorecer la actividad catalizadora de las enzimas: Algunas enzimas requieren la presenciade sustancias llamadas coenzimas para poder realizar su actividad catalizadora. Su principalfunción es la transferencia de grupos de átomos aceptando o donando electrones, protones ogrupos funcionales en las reacciones químicas. Las más comunes son las derivadas deldinucleótido de nicotinamida adenina (NAD+ y NADP), los derivados de la flavina (FMN y FAD) yla coenzima A (CoA).

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2. POLINUCLEÓTIDOS: ADN Y ARN

Dado que todos los ácidos nucleicos pueden considerarse polímeros de nucleótidos, se lesdesigna al ADN y ARN como polinucleótidos; cuya hidrólisis genera (tabla 1):

ADN ARNPENTOSA desoxirribosa ribosa

Purinasadenina,guanina

adenina,guaninaBASES

NITROGENADASPirimídicas

citosina,timina

citosina,uracilo

ÁCIDO FOSFÓRICO PO4H3 PO4H3

Tabla 1.Paralelo entre el ADN y ARN.

Acido Desoxirribonucleico (DNA)

Todos los organismos celulares, tanto procariotas como eucariotas, tienen DNA de doblecadena como molécula hereditaria.En las células eucariotas, el DNA se encuentra en el núcleo y una pequeña cantidad en lasmitocondrias y los cloroplastos. En las células procariotas, la molécula de DNA es bicatenaria,circular, cerrada y desnuda (libre de histonas), igual que en mitocondrias y cloroplastos.Además posee pequeños anillos de DNA llamados plásmidos.

Organización del DNA.

Al igual que en las proteínas, en la molécula de DNA se pueden describir varias estructuras:

Estructura primariaSe trata de la secuencia de desoxirribonucleótidos a lo largo de la cadena polinucleotídica.Los desoxirribonucleótidos que forman el DNA son los de adenina, guanina, citosina ytimina. La información genética está contenida en el orden exacto de los nucleótidos.

Estructura secundaria

La estructura secundaria de la doble hélice del DNA, permite explicar, además delalmacenamiento de la información genética, el mecanismo de duplicación del DNA(replicación semiconservativa), para transmitir la información a las células hijas.

Watson y Crick (1953) postularon un modelo para la estructura tridimensional del DNA,basándose en los datos obtenidos mediante difracción de rayos X por Franklin yWilkins, y en las leyes de equivalencia de bases de Chargaff que indica que el número debases de adenina es igual al de timina, así como el número de guanina es igual a la decitosina.

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Figura 5. Estructura de la doble hélice del DNA, según Watson y Crick.

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Figura 6. Estructura secundaria del DNA mostrando las hebras antiparalelas y el apareo de bases nitrogenadas.

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Estructura terciaria

Se refiere a la forma de como se almacena el DNA en un volumen reducido, es diferente en losprocariontes y en los eucariontes.Las bacterias contienen una sola molécula de DNA bicatenaria (doble hélice), desnuda (noasociada a proteínas) que tiene forma circular. En las mitocondrias y cloroplastos de las célulaseucariotas, el DNA presenta la misma estructura, lo que apoya la teoría endosimbionte deMargulis.

El DNA de los eucariontes, que desplegado mediría como un centímetro, debe empaquetarsepara caber en un espacio de un micrómetro. Para conseguir el máximo empaquetamiento seune a proteínas de dos tipos: histonas y proteínas cromosómicas no histonas. Estas últimasincluyen miles de proteínas con funciones muy diversas, como la síntesis de RNA o de DNA,entre otras. Esta asociación DNA-proteínas forma una unidad estructural y funcional llamadacromatina.

La forma en que se pliega la molécula de DNA en el núcleo de las células eucariontes esimportante por dos razones: permite disponer de grandes moléculas en poco espacio ydetermina la actividad de los genes.

Las histonas son proteínas estructurales que contienen gran cantidad de aminoácidos concarga positiva, por lo que se unen estrechamente al DNA. También se ha demostrado que sonreguladoras de la actividad de muchos genes, es decir, son capaces de promover suexpresión.

Replicación del ADN

Durante la división celular las células hijasheredan la misma información genéticacontenida en la célula progenitora. Como esainformación se halla contenida en el ADN, cadauna de sus hebras debe generar otra moléculade ADN idéntica a la originaria para queambas sean repartidas en las dos células hijas.Esto se produce en la etapa de síntesis (S)correspondiente a la interfase del ciclo celular.Este proceso se llama replicación del ADN.En la replicación participan varias enzimas,una de ellas es la ADN polimerasa quesintetiza una nueva cadena de ADN. Para estoutiliza como molde una de las hebras, a la quese le agregan los nuevos nucleótidos. La ADNpolimerasa agrega nucleótidos en la cadena encrecimiento. (Figura 7)

Figura 7. Replicación del ADN.

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La replicación del ADN se inicia cuando las enzimas separan la doble hélice de ADN parental, detal manera que las bases de las dos cadenas de ADN parentales ya no forman pares de basesentre sí. Otras enzimas avanzan a lo largo de cada cadena de ADN parental, seleccionandonucleótidos libres con bases que son complementarias con respecto a la cadena de ADNparental: Las enzimas unen estos nucleótidos libres para formar dos nuevas cadenas de ADN,cada una complementaria con respecto a una de las cadenas de ADN parentales. Por ejemplo, siuna cadena tiene la secuencia 5’ – ATTCGG – 3’, la cadena complementaria es de 3’ –TAAGCC –5’. A esta forma de replicación se le denomina semiconservativa, ya que conserva la secuenciade cada una de las hebras de la macromolécula doble original. De esta forma, la secuencia denucleótidos se duplica con exactitud y la información genética permanece constante.

Estas nuevas dobles hélices se mantienen unidas mientras la célula se prepara para dividirse. Elcromosoma recibe ahora el nombre de duplicado, que se separará en sus cromátidas hermanasdurante la división celular. Figura 8.

Figura 8. Cromosomas duplicados después de la replicación del ADN.

Para comprobar que la replicación era semiconservativa, Mathew Meselson y Franklin Stahl(1958) del Instituto Tecnológico de California, emplearon la técnica del gradiente de densidadpara separar distintas cadenas de DNA con densidades algo diferentes.El experimento consistió en lo siguiente:

Cultivaron bacterias E. coli en un medio con amoniaco marcado con nitrógeno pesado(15N), dejándolo un par de horas, tiempo suficiente para que el nitrógeno contenido en elcompuesto se utilizase durante el ciclo de división bacteriana en la síntesis de DNA.Después las pasaron a un medio con amoniaco con nitrógeno liviano (14N) y compararon ladensidad de los DNA aparecidos en sucesivas generaciones (Tabla 2 y Figura 9).Los resultados obtenidos se esquematizan en la siguiente tabla.

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Tabla 2. Densidades de DNA.

Los datos indican que el DNA intermedio es una cadena híbrida constituida por dos cadenasde diferente densidad, una liviana y otra pesada. En cada generación disminuye a la mitadel DNA híbrido y aumenta el DNA con nitrógeno liviano.

Figura 9. Experimento de Meselson y Stahl (F1 corresponde a la generación II de la tabla 1, y F2 correspondea la generación III de la misma tabla).

Generación DNApesado

DNAhíbrido

DNAliviano

I 100% 0 0II 0 100% 0III 0 50% 50%IV 0 25% 75%V 0 12,5% 87,5%

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3. ARN (Acido Ribonucleico)

Existen tres tipos principales de ARN en las células eucariontas y procarionticas. Todos ellos sonsintetizados a partir del ADN. Cada tipo de ARN desarrolla una función característica relacionadacon la síntesis proteica.

Composición

El RNA es un polirribonucleótido formado fundamentalmente por lo ribonucleótidos de adenina,guanina, citosina y uracilo (en vez de la timina del DNA). La pentosa es la ribosa. Los RNA suelenser monocatenarios, salvo en algunos virus, aunque pueden presentar regiones deapareamiento intracatenarias.

Aun cuando cada molécula de ARN tiene una sola cadena de nucleótidos, eso no significa que seencuentra siempre como una estructura lineal simple. En las moléculas de ARN suelen existirtramos con bases complementarias, lo que da lugar a puentes de hidrógeno, es decir, a laformación de pares de nucleótidos A-U y C-G entre varias regiones de una misma molécula. Lasestructuras tridimensionales de los ARN tienen importantes consecuencias biológicas. Presente enlas células procariontes y en las eucariontes se les encuentra en el núcleo y en el interior demitocondrias y cloroplastos

Tipos de ARN

Existen 3 tipos principales de ARN los cuales se distinguen por su estructura y función (figura 8).

Figura 10. Tipos de ARN

Se encarga detransportar lainformación que contieneel ADN hasta losribosomas

Son moléculas muypequeñas quetransportan losaminoácidos a lascadenas proteicas en lasecuencia quedetermina el ARNm.

La unión entre los ARNty los correspondientesaminoácidos seestablece medianteenlaces covalentes.

Las moléculas de ARNrson las más abundantes(75%) y están asociadasa proteínas,constituyendo losribosomas.

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Flujo de información a partir del ADN

La información del ADN se encuentra codificada en la secuencia de sus bases nitrogenadas. Estainformación fluye y se transmite en dos sentidos:

A partir del ADN se obtienen nuevas moléculas de ADN por replicación. Este proceso tienelugar en la etapa de S del ciclo celular y permite la transmisión de la información célula a célula,mediante la mitosis.

Por transcripción, se obtienen moléculas de ARNm que contienen información del ADN.Mediante la traducción del ARNm, esta información determina la síntesis de las proteínas.

El dogma central de la Biología molecular afirma que la información genética debe fluir desde losácidos nucleicos a las proteínas.

GLOSARIO

Anticodón: En una molécula de tRNA, una secuencia específica de tres nucleótidos que escomplementaria al triplete del codón en el mRNA.

Adenosín difosfato (ADP): Un nucleótido compuesto por adenina, ribosa y dos grupos fosfatos,formado por la eliminación de un fosfato de una molécula de ATP.

AMP cíclico: Forma de adenosina monofosfato (AMP) en la cual los átomos del grupo fosfatoforman un anillo. Funciona como "segundo mensajero” para muchas hormonas yneurotransmisores de los vertebrados.

Codón: Una secuencia de tres nucleótidos en el mRNA que específica un aminoácido en particularo una señal de terminación de un polipéptido.

Histona: Una molécula proteica básica y pequeña que está asociada con el DNA y es importanteen el empaquetamiento del DNA en el cromosoma eucariótico.

NAD+: Dinucleótido de nicotinamida-adenina; una coenzima que forma parte de la enzimas quetransportan electrones durante las reacciones redox del metabolismo celular. El signo de adiciónindica que la molécula está oxidada y lista para tomar hidrógenos, la forma reducida quetransporta al hidrógeno es NADH + H+.

Nucleósido: Un monómero orgánico que está formado por un azúcar de cinco carbonos que estáunido covalentemente a una base nitrogenada. Los nucleósidos son los elementos de formación delos nucleótidos, basta con agregar un grupo fosfato.

Plásmido: Un anillo pequeño de DNA bicatenario, separado del cromosoma bacteriano. Losplásmidos se encuentran en procariontes y levaduras.

Transcripción: La síntesis de RNA usando una plantilla de DNA.

Transcriptasa inversa: Una enzima que cataliza la síntesis de DNA sobre una plantilla de RNA.

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PREGUNTAS

1. ¿Cuál de las siguientes afirmaciones es incorrecta?

A) Los nucleótidos poseen C, H, O, N y P.B) El DNA es una molécula exclusiva del núcleo en la célula eucariótica.C) Existen nucleótidos importantes como almacenadores de energía química.D) En el DNA, la relación Adenina-Timina es semejante a la relación Guanina-Citosina.E) Algunas vitaminas están relacionadas en su estructura química con los ácidos nucleicos.

2. Respecto de la molécula de DNA es incorrecto afirmar que

A) es un polímero.B) el nucleótido es la unidad estructural del DNA.C) las bases nitrogenadas se unen entre sí por enlaces fosfatos.D) entre citosina y guanina se forman tres puentes de hidrógeno.E) adenina y timina se unen a través de un doble puente de hidrógeno.

3. Un nucleótido

I) contiene una base nitrogenada.II) es la unidad estructural de los ácidos nucleicos.

III) contiene la información genética del organismo.

A) Sólo IB) Sólo IIC) Sólo I y IID) Sólo I y IIIE) I, II y IIII

4. ¿Qué base nitrogenada no posee el DNA?

A) Citosina.B) Uracilo.C) Timina.D) Adenina.E) Guanina.

5. Para la siguiente secuencia de DNA: 3’-ATC GGA TAG-5’, determine la hebra complementaria

A) 3’-TAG CCT ATC-5’

B) 3’-TAG GGA TAC-5’

C) 5’-TAG CCT ATC-3’

D) 5’-AAG CCT ATC-3’

E) 5’-UAG GGT AUC-3’

6. El diagrama representa un nucleótido de DNA. Las letras M, N y O, correspondenrespectivamente a

A) fosfato, ribosa, uracilo.B) adenina, ribosa, fosfato.C) base nitrogenada, fosfato, glucosa.D) fosfato, desoxirribosa, base nitrogenada.E) desoxirribosa, fosfato, base nitrogenada. M

N

O

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7. Los ácidos nucleicos

A) pueden estar fuera del núcleo.B) nunca se encuentran en el citoplasma.C) son constituyentes exclusivos del núcleo.D) son moléculas exclusivas de células eucariontes.E) solamente existen dentro de la membrana nuclear.

8. El concepto denominado cromatina se puede asociar correctamente a

I) plantas.II) hongos.

III) bacterias.

A) Sólo IB) Sólo IIC) Sólo IIID) Sólo I y IIE) Sólo II y III

9. Seleccione la alternativa que corresponda a un dinucleótido:

A) AMPB) GTPC) TDPD) RNAE) NAD

10. Si el porcentaje de una base púrica es un 25% en una molécula de DNA, entonces elporcentaje de bases pirimídicas de esta molécula, corresponde a un

A) 20 %B) 25 %C) 50 %D) 40 %E) 15 %

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