Ácidos nucleicos: características, funciones, estructura
Los ácidos nucleicos son grandes biomoléculas formadas por unidades o monómeros llamadas nucleótidos. Están encargadas del almacenamiento y transmisión de la información genética. También participan en cada uno de los pasos de la síntesis de proteínas.
Estructuralmente, cada nucleótido se encuentra formado por un grupo fosfato, un azúcar de cinco carbonos y una base nitrogenada heterocíclica (A, T, C, G y U). A pH fisiológico, los ácidos nucleicos se encuentran cargados negativamente, son solubles en agua, forman soluciones viscosas y son bastante estables.
Existen dos tipos principales de ácidos nucleicos: el ADN y el ARN. La composición de ambos ácidos nucleicos es similar: en ambos encontramos una serie de nucleótidos unidos por enlaces fosfodiéster. No obstante, en el ADN encontramos timina (T) y en el ARN uracilo (U).
El ADN es más largo y se encuentra en una conformación de doble hélice y el ARN está formado por una sola hebra. Estas moléculas se encuentran presentes en todos los organismos vivos, desde los virus hasta los grandes mamíferos.
Índice del artículo
- 1 Perspectiva histórica
- 2 Características
- 3 Clasificación (tipos)
- 4 Estructura y composición química
- 5 Funciones
- 6 Referencias
El descubrimiento de los ácidos nucleicos se remonta al año 1869 cuando Friedrich Miescher identificó la cromatina. En sus experimentos, Miescher realizó la extracción de un material de consistencia gelatinosa proveniente del núcleo y descubrió que dicha sustancia era rica en fósforo.
Inicialmente, el material de naturaleza misteriosa fue designado como “nucleína”. Experimentos posteriores sobre la nucleína concluyeron que esta no es sólo rica en fósforo, sino también en carbohidratos y en bases orgánicas.
Phoebus Levene encontró que la nucleína era un polímero lineal. Aunque se conocían las propiedades químicas básicas de los ácidos nucleicos, no se consideraba que hubiese una relación entre este polímero y el material hereditario de los seres vivos.
A mediados de los años 40, resultaba poco convincente para los biólogos del momento que la molécula encargada de transmitir y almacenar la información de un organismo residiera en una molécula con una conformación tan simple como el ADN – compuesta de cuatro monómeros (nucleótidos) muy similares entre sí.
Las proteínas, polímeros compuestos por 20 tipos de aminoácidos, parecían para la época candidatos más plausibles para ser la molécula de la herencia.
Esta visión cambió en el año 1928, cuando el investigador Fred Griffith sospechó que la nucleína estaba implicada en la herencia. Finalmente, en 1944 Oswald Avery logró concluir con evidencia robusta que el ADN contenía la información genética.
Así, el ADN pasó de ser una molécula aburrida y monótona, constituida por solo cuatro bloques estructurales, a una molécula que permite el almacenamiento de un número inmenso de información, y que puede conservarla y transmitirla de manera precisa, exacta y eficaz.
El año 1953 fue revolucionario para las ciencias biológicas, ya que los investigadores James Watson y Francis Crick dilucidaron la estructura correcta del ADN.
Basados en los análisis de los patrones de reflexión de rayos X, los resultados de Watson y Crick sugirieron que la molécula es una doble hélice, donde los grupos fosfatos forman un esqueleto externo y las bases se proyectan al interior.
Generalmente se usa la analogía de una escalera, donde los pasamanos corresponden a los grupos fosfatos y los peldaños a las bases.
En las últimas dos décadas han ocurrido adelantos extraordinarios en la biología, liderados por la secuenciación del ADN. Gracias a los avances tecnológicos, hoy en día contamos en la tecnología necesaria para conocer con una precisión bastante elevada la secuencia del ADN – por “secuencia” queremos decir el orden de las bases.
Inicialmente, dilucidar la secuencia era un evento costoso y requería de mucho tiempo para completarse. Actualmente no es problema conocer la secuencia de genomas enteros.
Como su nombre lo indica, la naturaleza de los ácidos nucleicos es ácida y son moléculas con alta solubilidad en agua; es decir, son hidrofílicos. Al pH fisiológico, la molécula está cargada negativamente, por la presencia de los grupos fosfatos.
Como consecuencia de esto, las proteínas con las que el ADN se encuentra asociado son ricos en residuos de aminoácidos con cargas positivas. La asociación correcta del ADN es crucial para su empaquetamiento en las células.
La viscosidad del ácido nucleico depende si este es de doble o simple banda. El ADN de doble banda forma soluciones de viscosidad elevada, ya que su estructura es rígida, oponiendo resistencia ante la deformación. Además, son moléculas extremadamente largas en relación a su diámetro.
En contraste también existen las soluciones de ácidos nucleicos en simple banda, que se caracterizan por una viscosidad reducida.
Otra característica de los ácidos nucleicos es su estabilidad. Naturalmente, una molécula con una labor tan indispensable como el almacenamiento de la herencia debe ser muy estable.
Comparativamente, el ADN es más estable que el ARN, ya que carece de un grupo hidroxilo.
Es posible que esta característica química tuviera un papel importante en la evolución de los ácidos nucleicos y en la elección del ADN como material hereditario.
Según las transiciones hipotéticas planteadas por algunos autores, el ARN fue reemplazado por el ADN en el devenir evolutivo. Sin embargo, hoy en día existen algunos virus que usan ARN como material genético.
La absorción de los ácidos nucleicos también depende si se encuentra en doble banda o en simple banda. El pico de absorción de los anillos en su estructura es de 260 nanómetros (nm).
A medida que la hebra de ADN doble banda empieza a separarse, la absorción a la longitud de onda mencionada incrementa, ya que quedan expuestos los anillos que componen los nucleótidos.
Este parámetro es importante para los biólogos moleculares en el laboratorio, ya que al medir la absorción pueden estimar la cantidad de ADN que existe en sus muestras. De manera general, el conocimiento de las propiedades del ADN contribuye a su purificación y tratamiento en los laboratorios.
Los dos ácidos nucleicos principales son el ADN y el ARN. Ambos son componentes de todos los seres vivos. ADN son las siglas para ácido desoxirribonucleico y ARN para ácido ribonucleico. Ambas moléculas tienen un papel fundamental en la herencia y en la síntesis de proteínas.
El ADN es la molécula que almacena toda la información necesaria para el desarrollo de un organismo, y se encuentra agrupada en unidades funcionales llamadas genes. El ARN se encarga de tomar esta información y, en conjunto con complejos proteicos, traduce la información de una cadena de nucleótidos a una cadena de aminoácidos.
Las cadenas de ARN pueden tener largos de unos cientos o unos pocos miles de nucleótidos, mientras que las cadenas de ADN superan los millones de nucleótidos y pueden ser visualizadas bajo la luz de un microscopio óptico si se tiñen con colorantes.
Las diferencias estructurales básicas entre ambas moléculas las detallaremos en el siguiente apartado.
En las células, existen distintos tipos de ARN que en conjunto trabajan para orquestar la síntesis de proteínas. Los tres tipos de ARN principales son el mensajero, el ribosomal y el de transferencia.
ARN mensajero
El ARN mensajero se encarga de copiar el mensaje que existe en el ADN y transportarlo hasta la síntesis de proteína que tiene lugar en estructuras llamadas ribosomas.
ARN ribosómico o ribosomal
El ARN ribosómico se encuentra formando parte de esta maquinaria esencial: el ribosoma. Del ribosoma, un 60% está formado por ARN ribosoma y el resto lo ocupan casi 80 proteínas diferentes.
ARN de transferencia
El ARN de transferencia es una especie de adaptador molecular que transporta a los aminoácidos (los bloques estructurales de las proteínas) al ribosoma, para que sea incorporado.
ARN pequeños
Además de estos tres tipos básicos, existe una serie de ARN adicionales que se han descubierto recientemente y que tienen un papel esencial en la síntesis proteica y en la expresión de los genes.
Los ARN pequeños nucleares, abreviados como snRNA participan como entes catalíticos en el splicing (proceso que consiste en la eliminación de los intrones) del ARN mensajero.
Los ARN nucleolares pequeños o snoRNA están implicados en el procesamiento de los transcritos pre-ARN ribosomal que formaran parte de la subunidad del ribosoma. Esto ocurre en el nucleolo.
Los ARN cortos de interferencia y los microARN son secuencias pequeñas de ARN cuyo papel principal es la modulación de la expresión génica. Los microARN se codifican a partir de ADN, pero no continúa su traducción a proteínas. Son monocatenarios y pueden complementarse a un ARN mensaje, inhibiendo su traducción a proteínas.
Los ácidos nucleicos son largas cadenas de polímeros formadas de unidades monoméricas denominadas nucleótidos. Cada uno está compuesto por:
Existen cuatro tipos de nucleótidos y estos tienen una estructura en común: un grupo fosfato enlazado a una pentosa por medio de un enlace fosfodiéster. La presencia de fosfatos le otorga a la molécula un carácter ácido. El grupo fosfato se encuentra disociado al pH de la célula, por lo que se encuentra cargado negativamente.
Esta carga negativa permite la asociación de los ácidos nucleicos con moléculas cuya carga sea positiva.
En el interior de las células y también en los fluidos extracelulares podemos encontrar pequeñas cantidades de nucleósidos. Estos son moléculas formadas por todos los componentes de un nucleótido, pero que carecen de grupos fosfato.
Según está nomenclatura, un nucleótido es un nucleósido que posee uno, dos o tres grupos fosfatos esterificados en el hidroxilo ubicado en el carbono 5´. Los nucleósidos con tres fosfatos están implicados en la síntesis de los ácidos nucleicos, aunque también cumplen otras funciones en la célula.
Una pentosa es un carbohidrato monomérico formado cinco átomos de carbonos. En el ADN la pentosa es una desoxirribosa, la cual se caracteriza por la pérdida de un grupo hidroxilo en el carbono 2´. En el ARN la pentosa es una ribosa.
La pentosa se encuentra a su vez enlazada a una base orgánica. La identidad del nucleótido está proporcionada por la identidad de la base. Existen cinco tipos, abreviadas por su inicial: adenina (A), guanina (G), citosina (C), timina (T) y uracilo (U).
Es común que en la literatura encontremos que usen estas cinco letras para referirse a todo el nucleótido. No obstante, estrictamente hablando, estas solo son parte del nucleótido.
Las tres primeras, A, G y C, son comunes tanto al ADN como al ARN. Mientras que la T es única del ADN y el uracilo se restringe a la molécula del ARN.
Estructuralmente, las bases son compuestos químicos heterocíclicos, cuyos anillos están compuestos de moléculas de carbono y nitrógeno. A y G están formadas por un par de anillos fusionados y pertenecen al grupo de las purinas. Las bases restantes pertenecen a las pirimidinas y su estructura está formada por un único anillo.
Es común que en ambos tipos de ácidos nucleicos encontremos una serie de bases modificadas, como por ejemplo un grupo metilo adicional.
Cuando ocurre este evento decimos que la base está metilada. En los procariotas, suelen encontrarse las adeninas metiladas y tanto en los procariotas como en los eucariotas las citosinas pueden contar con un grupo metilo adicional.
Como mencionamos, los ácidos nucleicos son largas cadenas formadas por monómeros – los nucleótidos. Para formar las cadenas, estos se enlazan de una manera particular.
Cuando los nucleótidos polimerizan, el grupo hidroxilo (-OH) que se encuentra en el carbono 3´ del azúcar de uno de los nucleótidos forma un enlace del tipo éster con el grupo fosfato proveniente de otra molécula de nucleótido. Durante la formación de este enlace, ocurre la eliminación de una molécula de agua.
Este tipo de reacción se denomina “reacción de condensación”, y es muy similar a la que ocurre cuando se forman los enlaces peptídicos de las proteínas entre dos residuos de aminoácidos. Los enlaces entre cada par de nucleótidos se denominan enlaces fosfodiéster.
Como ocurre en los polipéptidos, las cadenas de ácidos nucleicos tienen dos orientaciones químicas en sus extremos: uno es el extremo 5´ que contienen un grupo hidroxilo libre o un grupo fosfato en el carbono 5´ del azúcar terminal, mientras que en el extremo 3´ encontramos un grupo hidroxilo libre del carbono 3´.
Imaginemos que cada bloque del ADN es un bloque del juego Lego, con un extremo que se inserta y con un agujero libre donde puede ocurrir la inserción de otro bloque. El extremo 5´ con el fosfato será el extremo a insertar y el 3´ es análogo al agujero libre.
En la célula, encontramos otro tipo de nucleótidos con una estructura diferente a la mencionada anteriormente. A pesar que estos no formarán parte de los ácidos nucleicos, juegan papeles biológicos muy importantes.
Entre los más relevantes tenemos al mononuclétido de riboflavina, conocido como FMN, la coenzima A, el dinucleótido de adenina y nicotinamina, entre otros.
La estructura lineal del polímero de ácido nucleico corresponde a la estructura primaria de estas moléculas. Los polinucleótidos también tienen la capacidad de formar arreglos en tres dimensiones estabilizados por fuerzas no covalentes – similar al plegamiento que encontramos en las proteínas.
A pesar que la composición primaria del ADN y del ARN es bastante similar (con excepción de las diferencias mencionadas más arriba), la conformación de su estructura es marcadamente diferente. A los ARN los encontramos comúnmente como una cadena única de nucleótidos, aunque puede tomar distintos arreglos.
Los ARN de transferencia, por ejemplo, son moléculas pequeñas formadas por menos de 100 nucleótidos. Su estructura secundaria típica es en forma de un trébol con tres brazos. Es decir, la molécula de ARN encuentra bases complementarias en su interior y puede plegarse sobre sí misma.
Los ARN ribosomales son moléculas más grandes que toman conformaciones tridimensionales complejas y presentan estructura secundaria y terciaria.
Doble hélice
A diferencia del ARN lineal, el arreglo del ADN consiste en dos hebras entrelazadas. Esta diferencia estructural es crucial para llevar a cabo sus funciones específicas. El ARN no es capaz de formar este tipo de hélices por un impedimento estérico impuesto por el grupo OH adicional que presenta su azúcar.
Complementariedad de bases
Entre las bases existe complementariedad. Es decir, como consecuencia de su tamaño, forma y composición química, las purinas se deben aparear con una pirimidina mediante enlaces de hidrógeno. Por ello, en el ADN natural encontramos que A casi siempre está apareada con T y G con C, formando puentes de hidrógenos con sus compañeras.
Los pares de base entre G y C están enlazados por tres puentes de hidrógeno, mientras que el par A y T es más débil, y sólo dos enlaces de hidrógeno los mantienen unidos.
Las hebras de ADN pueden separarse (esto ocurre tanto en la célula como en los procedimientos del laboratorio) y el calor necesario depende de la cantidad de GC que tenga la molécula: cuanto mayor sea, más energía se necesitará para separarlo.
Orientación de las hebras
Otra característica del ADN es su orientación opuesta: mientras que una hebra corre en dirección 5’ – 3’, su compañera está en dirección 3´– 5´.
Conformaciones naturales y en el laboratorio
La estructura o conformación que encontramos normalmente en la naturaleza se denomina ADN B. Este se caracteriza por poseer 10,4 nucleótidos por cada vuelta, separados por una distancia de 3,4. El ADN B gira hacia la derecha.
Este patrón de enrollamiento trae como consecuencia la aparición de dos surcos, uno mayor y otro menor.
En los ácidos nucleicos formados en el laboratorio (sintéticos) se pueden encontrar otras conformaciones, que también aparecen en condiciones muy puntuales. Estos son el ADN A y el ADN Z.
La variante A también realiza el giro hacia la derecha, aunque es más corto y algo más ancho que el natural. La molécula adquiere esta forma cuando la humedad disminuye. Gira cada 11 pares de bases.
La última variante es la Z, caracterizada por ser angosta y por girar a la izquierda. Está formada por un grupo de hexanucleótidos que se agrupan en un dúplex de cadenas antiparalelas.
El ADN es una molécula que puede almacenar información. La vida, tal y como la conocemos en nuestro planeta, depende de la habilidad para guardar y traducir dicha información.
Para la célula, el ADN es una especie de librería donde se encuentran todas las instrucciones necesarias para la fabricación, desarrollo y mantenimiento de un organismo vivo.
En la molécula de ADN encontramos una organización de entes funcionales discretos denominados genes. Algunos de ellos serán llevados hasta proteínas, mientras que otros cumplirán funciones regulatorias.
La estructura del ADN que describimos en el apartado anterior es clave para realizar sus funciones. La hélice debe poder separarse y unirse fácilmente – propiedad clave para los eventos de replicación y transcripción.
El ADN se encuentra en los procariotas en un sitio puntual de su citoplasma, mientras que en los eucariotas se localiza dentro del núcleo.
Papel en la síntesis de proteínas
El ARN es un ácido nucleico que encontramos en distintas etapas de la síntesis de proteínas y en la regulación de la expresión génica.
La síntesis proteica empieza con la transcripción del mensaje encriptado en el ADN a una molécula de ARN mensajero. Seguidamente, el mensajero debe eliminar las porciones que no serán traducidas, conocidas con el nombre de intrones.
Para la traducción del mensaje del ARN a residuos de aminoácidos son necesarios dos componentes adicionales: el ARN ribosomal que forma parte de los ribosomas, y el ARN de transferencia, que llevará los aminoácidos y se encargará de insertar el aminoácido correcto en la cadena de péptidos en formación.
En otras palabras, cada tipo principal de ARN tiene un papel fundamental en este proceso. Este paso de ADN a ARN mensajero y este finalmente a proteínas es lo que los biólogos denominan “el dogma central de la biología”.
Sin embargo, como la ciencia no puede estar basada en dogmas, existen distintos casos donde esta premisa no se cumple, como por ejemplo los retrovirus.
Papel en la regulación
Los ARN pequeños mencionados anteriormente participan de manera indirecta en la síntesis, orquestando la síntesis del ARN mensajero y participando en la regulación de la expresión.
Por ejemplo, en la célula existen distintos ARN mensajeros que están regulados por pequeños ARN, que tienen una secuencia complementaria a esta. Si el pequeño ARN se acopla al mensaje puede escindir al mensajero, impidiendo así su traducción. Existen múltiples procesos que están regulados de esta forma.
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