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LOS ÁCIDOS NUCLEICOS
Ácidos nucleicos
Son biomoléculas de muy elevado peso molecular. En el caso humano, 3,6 x 1012, (equivalente a 5,6 x 109 pares de nucleótidos).
Fueron aisladas por primera vez por F. Miescher en 1869, a partir de células del pus. Su nombre se debe a que se identificaron por primera vez en el núcleo celular y además se observó que eran ácidos.
Descubrimiento de los ácidos nucleicos
Miescher llamó nucleína al precipitado obtenido al tratar con ácido diluído los núcleos de los glóbulos blancos.
Posteriormente al encontrar que la sustancia era muy ácida cambio el nombre a ácido nucleico.
Poco después Hoppe-Seyler aisló una sustancia similar de levaduras.
Características generales de los ácidos nucleicos
En las células se encuentran dos variedades de ácidos nucleicos: el ácido desoxirribonucleico (ADN). el ácido ribonucleico (ARN)
El ADN constituye el material hereditario de las células, y contiene las instrucciones para la producción de todas las proteínas que el organismo necesita.
El ARN está asociado a la transmisión de la información genética desde el núcleo al citoplasma, donde tiene lugar la síntesis de proteínas. ARN mensajero (ARNm), ARN de transferencia (ARNt) ARN ribosómico (ARNr),
Nucleótidos Los ácidos nucleicos son polímeros
formados por la unión de subunidades denominadas nucleótidos.
Ion fosfato Pentosa Base nitrogenada
+ +
Nucleótidos
Están formados por: Una aldopentosa (monosacárido), que
puede ser la ribosa o desoxirribosa. Una base nitrogenada que puede ser la
adenina (A), guanina (G), citosina (C), timina (T) o uracilo (U).
Un ácido fosfórico, H3PO4..
Aldopentosa
La ribosa (RNA) y desoxirribosa (DNA) son monosacáridos de 5 átomos de C.
Bases nitrogenadas
Son compuestos cíclicos con átomos de nitrógeno que derivan de la purina y de la pirimidina
Bases nitrogenadas Adenina Guanina
Bases púricas
Bases pirimidínicas
Uracilo Citosina
Timina
Nucleósidos Resultan de la unión de una pentosa y una base
nitrogenada mediante un enlace N- Glicosídico entre el C1’ de la pentosa y el N9 de las bases púricas o el N1 de las bases pirimidínicas.
Desoxirribosa
+ Citosina H2O Desoxicitidina
1’
N-1
Nucleótidos El ácido fosfórico se une mediante un enlace éster al
alcohol del C5 (más general) o el C3 de la pentosa para formar los nucleótidos.
Adenosina-5’-monofosfato
Adenina
1’
N-9
Nucleótidos
NUCLEÓSIDO
1 + NUCLEÓTIDO
H2O
Desoxicitidina-5’-monofosfato
Ácido fosfórico
1’
N-1
Citosina
Nucleótidos
Nomenclatura
Nucleótidos
Un nucleótido puede tener 1, 2 ó 3 moléculas de ácido fosfórico enlazadas al carbono 5’ de la pentosa.
Nucleótidos
5’-Adenosina monofosfato (AMP)
5’-Adenosina difosfato (ADP)
5’-Adenosina trifosfato (ATP)
Nucleótidos no nucleicos
Son nucleótidos que no forman parte de los ácidos nucleicos y se encuentran libres en las células.
Pueden actuar como: Intermediarios metabólicos: ATP/ADP Activadores de enzimas: AMPc Coenzimas: FMN, FAD, NAD+, NADP+ y Coenzima A
Adenosina Fosfatos (ATP) Actúan como intermediarios en las reacciones
metabólicas que liberan o consumen energía. La energía liberada en las reacciones
metabólicas se puede conservar por la síntesis acoplada de ATP. El acoplamiento tiene lugar mediante enzimas.
También pueden actuar en estos procesos nucleótidos de guanina (GTP/GDP)
Función del ATP
El ATP interviene en la transferencia de energía de los procesos exergónicos a los endergónicos.
AMPcíclico
Se forma a partir de ATP en el interior celular por la acción de la adenilato ciclasa.
AMPcíclico Se forma como consecuencia de la unión a receptores
de membrana de determinadas hormonas que no pueden atravesar la membrana.
Es el AMPc el que activa las enzimas necesarias para dar respuesta a la señal recibida del exterior de la célula.
Formación AMPc Exterior celular
Interior celular
Formación AMPc
El enzima actúa por la unión a receptores de membrana de determinadas hormonas.
La formación del AMPc activa enzimas que actúan en reacciones metabólicas
Se le conoce también como segundo mensajero (las hormonas son los primeros mensajeros)
Coenzimas
Son moléculas no proteicas que intervienen en reacciones enzimáticas.
No son especificas de sustrato, cada clase de coenzima actúa en una clase de reacción.
Coenzimas Hacen posible la acción de la enzima de 2 formas
diferentes: Se unen temporalmente a la enzima para facilitar la
unión o acción catalítica sobre el sustrato. Los siguientes intervienen en reacciones de oxido-reducción. Nucleótidos de flavina: FMN y FAD Nucleótidos de piridina: NAD+ y NADP+
Se enlazan con el sustrato para provocar un cambio en
su estructura (activación) que facilite la acción de la enzima: Coenzima A
Coenzimas de oxido-reducción
Flavín nucleótidos: FMN/FMNH2 y FAD/FADH2 Derivan de la vitamina B2 (riboflavina)
FAD + 2H+ + 2e– FADH2
forma oxidada forma reducida
FMN + 2H+ + 2 e– FMNH2
forma oxidada forma reducida
Flavina nucleótidos
Flavina mononucleótido
NAD+ + 2H+ + 2e– NADH + H+
forma oxidada forma reducida
Coenzimas de oxido-reducción Piridín dinucleótidos: NAD+ y NADP+.
En un nucleótido la base nitrogenada es la Adenina, y en el otro es la Nicotinamida (Vitamina P-P) que unida a la Ribosa forma la PIRIDINA (que da nombre a este grupo de Coenzimas).
NADP+ + 2H+ + 2e– NADPH + H+
forma oxidada forma reducida
Piridina nucleótidos
Nicotina adenina dinucleótido Fosfato de nicotina adenina dinucleótido
Piridina
Coenzima-A
Es un derivado del ADP.
Enlaza ác. orgánicos mediante enlaces tio-éster (R-CO-SCoA). activándolos para intervenir en reacciones metabólicas.
(Vitamina del grupo B)
(β-aminoetanotiol)
Polinucleótidos
POLINUCLEÓTIDOS
Los nucleótidos pueden unirse en largas cadenas mediante enlaces fosfodiester 5’-3’.
Si la pentosa de los nucleótidos es la ribosa se tratará de un polirribonucleótido que da lugar a los diferentes ácidos ribonucleicos (RNA).
Si la pentosa de los nucleótidos es la desoxirribosa se tratará de un polidesoxirribonucleótido que da lugar a los diferentes ácidos desoxirribonucleicos (DNA).
ADN Y ARN Diferencias a nivel químico:
El ADN presenta desoxirribosa como azúcar y en el no aparece el uracilo.
El ARN presenta la ribosa como azúcar y no tiene la base nitrogenada timina.
El DNA carece de uracilo y el RNA carece de timina. Generalmente el DNA es más largo, más estable y
de doble cadena de polinucleótidos. Generalmente el RNA es más corto, más inestable y
de cadena sencilla de polinucleótidos.
Funciones del ADN El ADN contiene la información genética. Dicha
información genética será utilizada por la célula y pasa de una generación a otra. Para ello son necesarios varios procesos:
Para que el mensaje genético se transmita invariable el DNA ha de formar dos copias idénticas, REPLICACIÓN.
El mensaje genético contenido en el ADN es la especificación para la síntesis de las proteínas que la célula necesita. Para ello el mensaje genético (núcleo) ha de ser copiado a una molécula de RNA (RNAm): TRANSCRIPCIÓN.
Siguiendo las instrucciones del RNA se sintetizará la proteína correspondiente en el citoplasma (RNAt y RNAr): TRADUCCIÓN.
Dogma central de la Biología Molecular
DNA RNA PROTEÍNAS
Rep
licac
ión Transcripción Traducción
Estructura del DNA
La estructura primaria o secuencia de nucleótidos.
La estructura secundaria o doble hélice.
La estructura terciaria o ADN superenrollado: torsión de la doble hélice sobre sí misma.
En el ADN se distinguen tres niveles estructurales:
Estructura primaria del ADN
Secuencia de nucleótidos de una cadena.
Se distingue un esqueleto de pentosas y fosfatos y una secuencia de bases nitrogenadas.
El número de hebras diferentes que se puede formar combinando las cuatro bases nitrogenadas es muy elevado.
El porcentaje de G, C, A y T es el mismo para una misma especie.
Secuencia del ADN
Estructura secundaria del DNA
Estructura del DNA
Watson y Crick dedujeron la estructura del DNA a partir de los datos obtenidos por otros investigadores: Fueron especialmente importantes las imágenes
de difracción de rayos X de Rosalind Franklin y Maurice Wilkins.
También fueron cruciales las datos de Edwin Chargaff.
Reglas de Chargaff
Difracción de rayos X
5'
Difracción de rayos X Franklin y Wilkins observaron entre 1950 y 1953 que el
ácido desoxirribonucleico tenía una estructura fibrilar de 20 Å de diámetro, en la que se repetían ciertas unidades cada 3,4 Å, y que había otra repetición mayor cada 34 Å.
Rosalyn Franklin (1920-1958)
Modelo de la doble hélice Fue deducido en 1953 por Watson y Crick. Está constituido por 2 cadenas de polinucleótidos
arrolladas alrededor de un eje imaginario originando una doble hélice.
El enrrollamiento es dextrógiro y plectonémico (las 2 cadenas no pueden separarse sin desarrollarse).
Las cadenas del ADN son complementarias. Las bases nitrogenadas complementarias están unidas por puentes de hidrógeno.
Las dos cadenas son antiparalelas. La longitud de la molécula es, en general, enorme.
Doble hélice
Modelo de la doble hélice
Modelo de la doble hélice En la estructura secundaria del ADN, los grupos
hidrófobos de las bases se disponen hacia el interior estableciendo interacciones hidrófobas que colaboran junto a los puentes de hidrógeno que se forman entre las bases de ambas hebras en dar estabilidad a la macromolécula.
Las pentosas y los fosfato (carga negativa) quedan en el exterior. Debido a la ionización, los ácidos nucleicos tienen carácter ácido.
Características de la doble hélice Dos cadenas antiparalelas y complementarias de polinucleótidos
unidas entre sí. Estabilizadas por puentes de hidrógeno entre bases
nitrogenadas. Enrolladas en espiral alrededor de un eje imaginario. Esqueleto azúcar fosfato hacia fuera. Planos de las bases perpendiculares al eje y paralelos entre sí. Enrollamiento plectonémico. Gira en sentido dextrógiro. 10 pares de nucleótidos por vuelta (3,4 nm) Diámetro 2 nm
Surcos del DNA
Son las zonas donde las bases nitrogenadas van a ser accesibles desde el exterior.
Se van alternando así dos tipos de surcos: un surco mayor y un surco menor.
Desnaturalización DNA
La doble hélice de ADN en estado natural es muy estable pero al calentar (~100ºC), las dos hebras se separan: desnaturalización del ADN.
Si se mantiene el ADN desnaturalizado, posteriormente a 65°C, las dos hebras vuelven a unirse.
Esta restauración de la doble hélice es lo que se llama renaturalización y es lo que permite la hibridación si se parte de hebras de distintos ADN
Desnaturalización/Renaturalización
Desnaturalización La temperatura a la cual permanece desnaturalizado
un 50% del ADN se llama temperatura de fusión (Tm) y depende de la cantidad de pares G-C que haya en la cadena.
Hibridación del DNA
Si se mezclan moléculas desnaturalizadas de DNA de diferentes procedencias (moléculas de diferentes individuos o especies), al enfriar la solución se pueden obtener moléculas híbridas que tengan cada cadena de distinta procedencia.
Este método se emplea en las investigaciones policiales para comparar el DNA extraído de sangre, semen o pelo, con el de una persona sospechosa de un delito.
El porcentaje de hibridación dará una idea de la relación entre los dos organismos y es una técnica muy útil en la diagnosis de enfermedades o en medicina forense.
Variaciones de la estructura del DNA La estructura del DNA descrita por Watson y Crick es la
más habitual y corresponde al B-DNA Existen otras variantes de DNA que tienen la longitud
del paso de rosca o la separación entre bases diferente. Estas conformaciones son el A-DNA y Z-DNA.
ADN A ADN Z
ADN B
A-DNA
Es también una hélice dextrógira, pero las bases complementarias se encuentran en planos inclinados.
Es más ancha y corta que la forma B. Contiene 11 pares de bases por vuelta
(10 en la forma B) Esta forma aparece cuando se
deshidrat la forma B. No se ha encontrado en condiciones
fisiológicas.
Z-DNA
Hélice levógira con un enrollamiento irregular que provoca una configuración en zigzag.
Esta estructura aparece en regiones del ADN donde se alternan muchas C y G.
Mas larga y estrecha que la forma B. Contiene 12 pares de bases por vuelta. Se piensa que la forma Z constituye una
señal para las proteínas reguladoras de la expresión del mensaje genético.
Esta estructura se asocia a la ausencia de actividad del ADN.
levógira
ADN-A ADN-B ADN-Z
19º
dextrógira
Más corta
Más larga
TIPO DE ADN GIRO DE HELICE nm por Vuelta Plano entre bases nº de nucleotidos por vuelta
A Dextrógiro 2,8 inclinado 11 B Dextrógiro 3,4 perpendicular 10 Z Levógiro 4,5 zig-zag 12
El surco mayor es muy poco profundo
El surco menor es profundo y estrecho
Bases menos inclinadas 9º
Los surcos son más similares
Surco mayor estrecho y más profundo
Surco menor ancho y superficial
Estructura terciaria del DNA en procariotas
Las moléculas de ADN circular, como el ADN bacteriano o el ADN de mitocondrias o cloroplastos, presentan una estructura terciaria.
Consiste en que la fibra de 20 Å se halla retorcida sobre sí misma formando una superhélice asociada a proteínas no histónicas.
Esta disposición se denomina ADN superenrollado.
Estructura terciaria del DNA en eucariotas
En eucariotas durante la interfase el DNA se condensa en forma de cromatina. que está formada por ADN y proteinas (histonas y no histonas).
En la división nuclear, la cromatina se empaqueta aún más tomando la forma de cromosomas.
6 veces compactado
40 veces compactado
> 1000 veces compactado
> 10000 veces compactado
Niveles de empaquetamiento del DNA
Primer nivel de empaquetamiento
Segundo nivel de empaquetamiento
Tercer nivel de empaquetamiento
Niveles superiores de empaquetamiento
Cromatina La unidad estructural de la cromatina es el Nucleosoma
formado por un filamento de DNA arrollado alrededor de un octámero de histonas.
Las histonas neutralizan la acidez del DNA (son proteínas básicas con muchos aa de Lys y Arg) y lo arrollan permitiendo que quepa en el núcleo.
Nucleosoma Formado por un filamento de DNA de doble cadena de 146 pb enrollado a un octámero de histonas.
Una molécula de histona H1 neutraliza el DNA espaciador (54 pb) entre dos nucleosomas.
Esta estructura se denomina “collar de perlas”.
2H2A 2H2B 2H3 2H4
Con número fijo de nucleótidos (146 pares) en torno a cada octámero
Fibra de solenoide Corresponde al arrollamiento de la
fibra de 10 nm. Cada vuelta tiene 6 nucleosomas con
6 histonas H1.
La fibra de 300 Å forma bucles llamados dominios estructurales (20.000 pb-70.000 pb).
Esta estructura está estabilizada por un andamiaje proteico (proteínas no histonas) o armazón nuclear.
Otras proteínas (no histónicas) tienen funciones relacionadas con la actividad del ADN (la replicación, la transcripción y su regulación).
Otras proteínas (no histónicas) son necesarias para formar estructuras del núcleo (nucléolo, matriz nuclear…).
Bucle
Andamio proteico
Dominios en forma de bucle
Niveles superiores de empaquetamiento
Se llega a un grado de reducción de longitud del DNA de 7.000 veces.
El cromosoma en metafase representa el máximo nivel de empaquetamiento del DNA.
La longitud del ADN no siempre guarda relación con la complejidad del organismo. Muchas especies tienen mucho más ADN que el necesario para codificar su estructura y fisiología.
Ácido Ribonucleico
Está constituido por nucleótidos de ribosa, con las bases adenina, guanina, citosina y uracilo.
Estos ribonucleótidos se unen entre ellos mediante enlaces fosfodiéster en sentido 5 '- 3', igual que en el ADN.
El ARN es casi siempre monocatenario, excepto en los reovirus que es bicatenario.
Dogma central de la Biología Molecular
DNA RNA PROTEÍNAS
Rep
licac
ión Transcripción Traducción
Ácido Ribonucleico
La transcripción del DNA da lugar a los tres tipos de ARN existentes: RNA mensajero: copia complementaria de
un fragmento de DNA con sentido biológico. RNA ribosómico: forman los ribosomas
junto con proteínas. RNA transferente: transporta los aa hasta
las moléculas de RNAm.
Transcripción Consiste en la síntesis de
ARN a partir de ADN. El ADN se encuentra en el
nucleo celular y la síntesis de proteínas tiene lugar en el citoplasma.
Es por esto que la información contenida en el ADN debe transcribirse a una molécula de ARN mensajero (ARNm).
La transcripción
ARNpolimerasa
3’
3’
5’
5’
ARN ADN
T A C A C G C C G A C G U C G U G G G C U G C A
Transcripción del DNA
Transcripción
Sentido de la transcripción DNA RNA codificado Iniciación de la transcripción Distintas etapas en la
elongación del RNAm Región codificante del gen Terminación de la transcripción RNA polimerasa
Transcripción
1. Iniciación de la transcripción 2. Distintas etapas en la
elongación del RNAm 3. Terminación de la transcripción 4. DNA 5. RNA codificado 6. RNA polimerasa 7. Región codificante del gen 8. Sentido de la transcripción
RNA transferente En realidad la molécula está
replegada, adoptando una estructura terciaria en forma de L.
RNA transferente
Se encuentran en el citoplasma. Hay unos 50 tipos de RNAt que tienen en común una estructura denominada en “hoja de trebol”: Es una molécula de cadena sencilla con 4 regiones
de bases complementarias que se aparean (bucles). En el brazo aceptor, se une el aa transportado. El anticodón, es el triplete de bases nitrogenadas
que aparece en el bucle opuesto al brazo aceptor e indica el aa que puede unirse al RNAt. Cada RNAt tienen un anticodón distinto.
RNA transferente
RNA ribosómico Forma los ribosomas (junto a
proteínas ). Responsable de la acción
catalítica de los ribosomas. El peso de los ARNr y de los
ribosomas se suele expresar según el coeficiente de sedimentación (S) de Svedberg.
Las células procariotas presentan ribosomas 70 S, y las células eucariotas 80 S.
Traducción
Otros ARN
ARN nucleolar: precursor imprescindible para la síntesis de los RNAr.
ARN nuclear pequeño: implicado en la maduración del ARN mensajero.
Material genético de virus. Generalmente de cadena sencilla, a excepción de los reovirus.
ARN nucleolar Constituye, en parte, el nucléolo. Se origina a partir de regiones de ADN, uno de los
cuales es la región organizadora nucleolar (NOR). A partir de este ADN, se sintetiza un ARN de 45 S que
se asocia a proteínas. Esta ribonucleoproteína se escinde en 3 ARNs. A estas moléculas se suma un ARN 5 S, (también
asociado a proteínas), sintetizado en el nucleoplasma,. Todos ellos se forman las dos subunidades ribosómicas.
ARN nucleolar
Se origina a partir de una determina región de ADN, denominada región organizadora nucleolar (NOR).
ADN
Núcleo
Nucléolo
Proteínas ribosómicas
Nucleoplasma
Citosol
ARN nucleolar 45 S
ARNm
ARN 28 S
ARN 5,8 S
ARN 5 S
Subunidad ribosómica
de 60 S
Subunidad ribosómica
de 40 S
Ribosoma de 80 S
1
1
Constituye en parte el nucleolo.
ARN nucleolar
A partir de este ADN, se forma en el nucleolo un ARN 45 S que se asocia a proteínas procedentes del citoplasma, muchas de las cuales conformarán los ribosomas.
ADN
Núcleo
Nucléolo
Proteínas ribosómicas
Nucleoplasma
Citosol
ARN nucleolar 45 S
ARNm
ARN 28 S
ARN 5,8 S
ARN 5 S
Subunidad ribosómica
de 60 S
Subunidad ribosómica
de 40 S
Ribosoma de 80 S
2
2
ARN nucleolar
Posteriormente esta ribonucleoproteína se escinde en tres ARNs.
ADN
Núcleo
Nucléolo
Proteínas ribosómicas
Nucleoplasma
Citosol
ARN nucleolar 45 S
ARNm
ARN 28 S
ARN 5,8 S
ARN 5 S
Subunidad ribosómica
de 60 S
Subunidad ribosómica
de 40 S
Ribosoma de 80 S
3
3
ARN nucleolar
A continuación se añade un ARN 5S, asociado también a proteínas y sintetizado fuera del nucleolo a partir de otro segmento de ADN.
ADN
Núcleo
Nucléolo
Proteínas ribosómicas
Nucleoplasma
Citosol
ARN nucleolar 45 S
ARNm
ARN 28 S
ARN 5,8 S
ARN 5 S
Subunidad ribosómica
de 60 S
Subunidad ribosómica
de 40 S
Ribosoma de 80 S
4
4
ARN nucleolar
A partir de estas ribonucleoproteínas se forman las dos subunidades del ribosoma que se ensamblan en el citoplasma tras atravesar la envoltura nuclear.
ADN
Núcleo
Nucléolo
Proteínas ribosómicas
Nucleoplasma
Citosol
ARN nucleolar 45 S
ARNm
ARN 28 S
ARN 5,8 S
ARN 5 S
Subunidad ribosómica
de 60 S
Subunidad ribosómica
de 40 S
Ribosoma de 80 S
5
5
ARN pequeño nuclear (ARNpn)
También se le denomina ARN-U por su elevado contenido en uridina.
El ARNpn se une a ciertas proteínas del núcleo
formando las ribonucleoproteínas nucleares (RNPpn), que actúan en el proceso de eliminación de intrones (maduración del ARNm).
Funciones del RNA Transmisión de la información genética desde el ADN a los
ribosomas. La ARN-polimerasa sintetiza un ARN mensajero que llegará hasta los ribosomas.
Conversión del ARNm en una secuencia de aminoácidos. La traducción se realiza en los ribosomas. En él intervienen, además del ARNm, el ARNr y el ARNt que transportan los aminoácidos.
Almacenamiento de la información genética. Algunos virus contienen su información biológica en forma de ARN. Por ejemplo, el virus de la gripe, el de la polio, el de la inmunodeficiencia humana, los retrovirus (que poseen ARN bicatenario), etc
