Tema 6. Ácidos Nucleicos PDF - Biología 2º Bachillerato

Biología 2º Bachillerato IES Santiago Apóstol TEMA 6. ÁCIDOS NUCLEICOS 6.1. CONCEPTO: Los ácidos nucleicos son biomoléculas de elevado PM, compuestas por C, H, O, N y P. Los ácidos nucleicos son grandes políme...

Biología 2º Bachillerato IES Santiago Apóstol TEMA 6. ÁCIDOS NUCLEICOS 6.1. CONCEPTO: Los ácidos nucleicos son biomoléculas de elevado PM, compuestas por C, H, O, N y P. Los ácidos nucleicos son grandes polímeros formados por la repetición de monómeros denominados nucleótidos, unidos mediante enlaces fosfodiéster. Existen dos tipos básicos, el ADN y el ARN. Los nucleótidos están formados por un ácido fosfórico (H3PO4) unido a una ribosa o a una desoxirribosa, y ésta a una base nitrogenada. Si le falta el grupo fosfato, se llama nucleósido. Los seres vivos tienen dos tipos de ácidos nucleicos: ADN o DNA (ácido desoxirribonucleico) y ARN o RNA (ácido ribonucleico), excepto los virus que sólo poseen un tipo, bien ARN (por ejemplo, el virus de la poliomielitis) o bien ADN (ejemplo, los bacteriófagos), aunque ya veremos que los virus no son realmente seres vivos. El ADN, el material genético, tiene dos funciones: Almacenar la información genética: el ADN dirige la síntesis de proteínas, ya que contiene la información necesaria para sintetizar las proteínas de un organismo. Estas proteínas son específicas de cada especie y organismo, y son las responsables de las características del organismo. Transmitir la información genética de una célula a las generaciones siguientes de células hijas. Con la replicación o duplicación del ADN, las células reciben una copia exacta de ese material genético que contiene la información necesaria para la vida del organismo. De este modo, los caracteres hereditarios se transmiten de padres a hijos, generación tras generación. La función del ARN es expresar la información genética, es decir, ejecutar las órdenes contenidas en el ADN. Por tanto, el ARN es el encargado de sintetizar las proteínas a partir de la información contenida en el ADN. Además, en algunos virus es el material hereditario. Estas funciones de los ácidos nucleicos constituyen el “dogma central de la biología molecular”, en el que la información genética del ADN se replica a ADN, la Curso 2024-25 6.1 Biología 2º Bachillerato IES Santiago Apóstol información del ADN se transcribe a ARN, y esta información contenida en el ARN se traduce a proteínas. Como algunos virus tienen ARN como material genético, se ha tenido que modificar ligeramente este “dogma”, aunque con la misma idea. 6.1.1. NUCLEÓTIDOS: Se encuentran como componentes (monómeros) de los ácidos nucleicos (ADN y ARN) y libres (ATP, NAD, NADP, FAD, FMN, Coenzima A). Cada nucleótido se compone de tres partes: una estructura anular que contiene nitrógeno llamada base nitrogenada, un azúcar de cinco carbonos, y al menos un grupo fosfato. La molécula de glúcido tiene una posición central en el nucleótido, la base se conecta a uno de sus carbonos y el grupo (o grupos) fosfato, a otro. § Las bases nitrogenadas: Las bases nitrogenadas de los nucleótidos son moléculas orgánicas (basadas en carbono), compuestas por estructuras anulares que contienen nitrógeno. (Dado que algunos de los nitrógenos de la base pueden protonarse (recibir un ion H+ adicional), las bases nitrogenadas disminuyen la concentración de iones hidrógeno en una solución y por lo tanto son bases en el sentido ácido-base). Cada nucleótido en el ADN contiene una de cuatro posibles bases nitrogenadas: adenina (A), guanina (G) citosina (C) y timina (T). La adenina y la guanina son purinas, lo que significa que sus estructuras contienen dos anillos fusionados de carbono y nitrógeno. En cambio, la citosina y la timina son pirimidinas y tienen solo un anillo de carbono y nitrógeno. Los nucleótidos de ARN también pueden contener bases de adenina, guanina y citosina, pero tienen otra base tipo pirimidina llamada uracilo (U) en lugar de la timina. Curso 2024-25 6.2 Biología 2º Bachillerato IES Santiago Apóstol Como se muestra en la figura, cada base tiene una estructura única, con su propio conjunto de grupos funcionales unidos a la estructura anular. Como abreviaturas en la biología molecular, las bases nitrogenadas se suelen nombrar por sus símbolos de una letra: A, T, G, C y U. El ADN contiene A, T, G y C, mientras que el ARN contiene A, U, G y C (es decir, la U se intercambia por T). § Los monosacáridos: Además de tener conjuntos de bases ligeramente diferentes, los nucleótidos de ADN y ARN también tienen azúcares ligeramente distintos. El monosacárido de cinco carbonos del ADN se llama desoxirribosa, mientras que en el ARN el monosacárido es la ribosa. Estas dos moléculas son semejantes en estructura, solo con una diferencia: el segundo carbono de la ribosa tiene un grupo hidroxilo, mientras que el carbono equivalente en la desoxirribosa tiene un hidrógeno en su lugar. Los átomos de carbono de un monosacárido se numeran 1', 2', 3', 4' y 5' (1' se lee "uno prima"). En un nucleótido, el monosacárido ocupa la posición central, la base se une al carbono 1' y el grupo (o grupos) fosfato se une al carbono 5'. § El fosfato: Ácido fosfórico: H3PO4 (en forma de ión fosfato PO43- Los nucleótidos pueden tener solo un grupo fosfato o una cadena de hasta tres grupos fosfato que se unen al carbono 5' de la pentosa. En una célula, el nucleótido que está por añadirse al final de una cadena de polinucleótidos contendrá una serie de tres grupos fosfato. Cuando el nucleótido se une a la cadena creciente de ADN o ARN, pierde dos grupos fosfato. Por lo tanto, en una cadena de ADN o ARN, cada nucleótido solo tiene un grupo fosfato. Curso 2024-25 6.3  Biología 2º Bachillerato IES Santiago Apóstol Ø Los NUCLEÓSIDOS están formados por la unión de una ribosa o de una desoxirribosa, con una base nitrogenada, mediante un enlace N-glucosídico entre el –OH del carbono 1' de la pentosa y un grupo amino de la base nitrogenada (el nitrógeno 1', si ésta es pirimidínica, o el nitrógeno 9' si es una base púrica). Ø Se denomina NUCLEÓTIDO a la molécula que resulta de la unión mediante un enlace éster de una molécula de ácido fosfórico (en forma de grupo fosfato) con el alcohol (-OH) del carbono 5´ de la pentosa de un nucleósido, de manera que el nucleótido es el nucleósido fosforilado en posición 5´. Curso 2024-25 6.4 Biología 2º Bachillerato IES Santiago Apóstol 6.1.2. CADENAS DE POLINUCLEÓTIDOS: Una consecuencia de la estructura de los nucleótidos es que una cadena de polinucleótidos tiene direccionalidad, es decir tiene dos extremos que son distintos entre sí. En el extremo 5', o inicio de la cadena, sobresale el grupo fosfato unido al carbono 5' del primer nucleótido. En el otro extremo, llamado extremo 3', está expuesto el hidroxilo unido al carbono 3' del último nucleótido. Las secuencias de ADN generalmente se escriben en la dirección 5' a 3', lo que significa que el nucleótido del extremo 5' es el primero y el nucleótido del extremo 3' es el úlitmo. Conforme se agregan nuevos nucleótidos a una cadena de ADN o ARN, ésta crece en su extremo 3', cuando se une el fosfato 5′ del nucleótido entrante al grupo hidroxilo en el extremo 3' de la cadena. Esto produce una cadena en la que cada pentosa se une a sus vecinos por una serie de enlaces llamados enlaces fosfodiéster. 6.2. ÁCIDO DESOXIRRIBONUCLEICO: El ADN es un polímero de nucleótidos de adenina, guanina, citosina y timina, unidos por enlaces fosfodiéster, en el que un grupo fosfato queda unido por dos enlaces éster a dos nucleótidos sucesivos. La secuencia de nucleótidos de un ácido nucleico se escribe de izquierda a derecha, desde el extremo del carbono 5 hasta el del 3. Un ácido nucleico de cadena corta se denomina oligonucleótido (generalmente hasta 50 nucleótidos) y si su longitud es mayor, polinucleótidos. En las células eucariotas, el ADN se localiza en el núcleo, aunque también tienen ADN las mitocondrias y los cloroplastos. El ADN del núcleo está asociado a unas proteínas llamadas histonas y a otras proteínas no histónicas. Estas proteínas son nucleoproteínas. El ADN de las mitocondrias y de los cloroplastos es distinto del ADN nuclear, muy parecido al ADN de los procariotas. Este ADN forma un nucleoide que carece de envoltura nuclear, y también está asociado a otras proteínas. Curso 2024-25 6.5 Biología 2º Bachillerato IES Santiago Apóstol 6.2.1. ESTRUCTURA PRIMARIA DEL ADN: La estructura primaria del ADN es la secuencia de nucleótidos (unidos por enlaces éster) de una sola cadena o hebra, que puede presentarse como un simple filamento extendido o bien algo doblada en sí misma. Enlace/puente fosfodiéster: se llama también así a la unión entre los nucleótidos (en realidad, entre las pentosas de los nucleósidos) de una cadena de polinucleótidos (ADN o ARN): un fosfato queda unido por dos enlaces éster a dos pentosas sucesivas, forma un puente entre el C3´ de una pentosa y el C5´de la siguiente. Como hemos visto, una cadena de ADN presenta dos extremos libres: el 5´, unido al grupo fosfato, y el 3´, unido a un hidroxilo. Para representar una cadena de ADN, normalmente se suele indicar únicamente la secuencia de bases nitrogenadas que los desoxirribonucleótidos que la componen. Así, utilizaremos la A para referirnos a la desoxiadenosín-5,-monofosfato (AMP), igual que para el resto de bases nitrogenadas, como T, C y G. Combinando las cuatro bases nitrogenadas se puede obtener un número casi ilimitado de cadenas distintas de ADN. El ADN, según el orden de nucleótidos, contiene la información necesaria para sintetizar una proteína. Si cambia la secuencia de nucleótidos, se sintetizará otra proteína distinta. La secuencia GCATACTTG generará una proteína distinta a CTAGCGTAT, aunque contengan los mismos nucleótidos. Un gen es la parte de la cadena de ADN que contiene la información necesaria para que se unan ordenadamente los aminoácidos que forman parte de una proteína (estructura primaria de las proteínas que determina, también su estructura en el espacio y función que desempeña en la célula). Los individuos de una misma especie tienen el mismo porcentaje de guanina, citosina, adenina y timina, por lo que sus características serán muy similares. Curso 2024-25 6.6 Biología 2º Bachillerato IES Santiago Apóstol 6.2.2. ESTRUCTURA SECUNDARIA DEL ADN: La estructura secundaria del ADN es la disposición en el espacio de dos cadenas o hebras de nucleótidos en doble hélice, con las bases nitrogenadas enfrentadas y unidas mediante puentes de hidrógeno. Chargaff comprobó que todos los ADN tenían el mismo número de moléculas de adenina (A) como de timina (T), y tantas de citosina (C) como de guanina (G). n° moléculas de adenina / n° moléculas de timina = 1 n° moléculas de citosina / n° moléculas de guanina = 1 De aquí se dedujo que se formaban puentes de hidrógeno entre A y T y entre C y G. Con los rayos X se descubrió que el ADN tiene una estructura de 20 Å (2 nm) de diámetro, en la que se repetían ciertas unidades cada 3,4 Å (0,34 nm), y que había otra repetición mayor cada 34 Å (3,4 nm). Con todos estos datos, J. Watson y F. Crick idearon, en 1953, el modelo de la doble hélice del ADN, que dice que el ADN está formado por dos cadenas antiparalelas de polinucleótidos, con los enlaces 5'→3' orientados en diferente sentido, complementarias y enrolladas una sobre la otra en forma de doble hélice o plectonémica (para que las dos cadenas se separen es necesario que se desenrollen). El que sean cadenas complementarias implica que si en una cadena hay adenina, en su complementaria, estará la base nitrogenada timina. Y si en una hay guanina, en la otra citosina. Curso 2024-25 6.7 Biología 2º Bachillerato IES Santiago Apóstol Como en las proteínas, en la estructura secundaria del ADN, los grupos hidrófobos -CH3 y -CH= de las bases nitrogenadas se orientan hacia el interior de la molécula, estableciéndose interacciones hidrofóbicas entre grupos lipófilos, que colaboran con los puentes de hidrógeno en dar estabilidad a la macromolécula. Las pentosas y los grupos fosfato están en la parte exterior. Las dos cadenas antiparalelas que forman la doble hélice de ADN se mantienen unidas por enlaces de hidrógeno entre las bases nitrogenadas complementarias. Siempre aparecerán unidas la adenina con la timina, y la citosina con la guanina, mediante enlaces de hidrógeno entre sus grupos polares. Así, entre la adenina y la timina se establecen dos enlaces de hidrógeno, y entre la guanina y la citosina, tres. Resumiendo, los enlaces que contribuyen a la formación de la doble hélice son: Enlace fosfodiester, en la unión de dos nucleótidos. Enlace N-glucosídico, en la unión de la desoxirribosa y una base nitrogenada. Enlace por puente de hidrógeno, en la unión de las bases nitrogenadas (A-T y G- C). Curso 2024-25 6.8 Biología 2º Bachillerato IES Santiago Apóstol 6.2.3. ESTRUCTURAS ALTERNATIVAS A LA DOBLE HÉLICE (FORMA B): Aunque la doble hélice descrita por Watson y Crick, la llamada forma B, ha sido considerada como la única conformación espacial posible, actualmente se conocen otras formas posibles. La forma B es la que adopta el ADN en disolución y en la que interacciona con las proteínas nucleares. § Forma A del ADN: La forma A del ADN es una doble hélice dextrógira, como la forma B, pero los pares de bases no forman un plano perpendicular al eje, sino inclinados 20º con respecto al eje de la hélice. Es más ancha y corta que la forma B. La forma A sólo se ha observado en laboratorio, formada a partir de la forma B cuando la humedad relativa desciende al 75%. § Forma Z del ADN: La forma Z del ADN es más larga y estrecha que la forma B. Es levógira, gira en sentido antihorario. Su forma la debe a la presencia de numerosos nucleótidos de guanina y citosina alternantes (GCGCGCGC). § Otras estructuras secundarias: Además de la forma B, A y Z del ADN, hay algunos otros tipos: En procariotas, igual que en mitocondrias y cloroplastos, el ADN es bicatenario circular. En algunos virus, las cadenas de ADN son sencillas, no dobles, pudiendo ser circulares o lineales. Curso 2024-25 6.9 Biología 2º Bachillerato IES Santiago Apóstol 6.2.4. DESNATURALIZACIÓN DEL ADN: § Pérdida de la estructura de la doble hélice. § Por cambios de temperatura y de pH. Puede ser reversible. § Una secuencia de ADN rica en pares A-T se desnaturaliza más fácilmente que otra rica en pares C-G (triples enlaces). 6.2.5. IMPORTANCIA BIOLÓGICA DEL ADN: La importancia está basada en sus funciones. La función principal del ADN es mantener a través del código genético la información necesaria para crear un ser vivo idéntico a aquel del que proviene (o muy similar, en el caso de mezclarse con otra cadena como es el caso de la reproducción sexual o de sufrir mutaciones). Por sus funciones y propiedades, entre ellas podemos resaltar que: § El ADN controla la actividad de la célula. § Es el que lleva la información genética de la célula, ya que las unidades de ADN, llamadas genes, son las responsables de las características estructurales y de la transmisión de estas características de una célula a otra en la división celular. Los genes se localizan a lo largo del cromosoma. § El ADN tiene la propiedad de duplicarse durante la división celular para formar dos moléculas idénticas, para lo que necesita que en el núcleo celular existan nucleótidos, energía y enzimas. § Capacidad de mutación: justificando los cambios evolutivos. 6.3. ÁCIDO RIBONUCLEICO: A diferencia del ADN, el ácido ribonucleico (ARN) generalmente tiene una sola cadena. El nucleótido de una cadena de ARN tendrá ribosa (un monosacárido de cinco carbonos), una de las cuatro bases nitrogenadas (A, U, G y C), y un grupo fosfato. Veremos los tres tipos principales de ARN: el ARN mensajero (ARNm), el ARN ribosomal (ARNr) y el ARN de transferencia (tRNA). Curso 2024-25 6.10 Biología 2º Bachillerato IES Santiago Apóstol 6.3.1. EL ARN MENSAJERO (ARNm): El ARN mensajero (ARNm) es monocatenario, básicamente lineal. Sólo constituye el 2-5 % del ARN total. La función del ARNm es tomar la información del ADN, que está en núcleo, y llevarla al citoplasma, donde están los ribosomas en los que se sintetizarán las proteínas con los aminoácidos aportados por los ARNt. El ARNm se forma a partir de una hebra del ADN en un proceso llamado transcripción. Se crea, con las bases nitrogenadas complementarias, un molde con la información genética necesaria para la síntesis de proteínas. El tamaño del ARNm depende del tamaño de la proteína para la que lleva información. Después de realizar su función, la síntesis de la proteína, las enzimas ribonucleasas lo destruyen para evitar la producción innecesaria de proteínas. Cuando se vuelva a necesitar la síntesis de una proteína concreta, se creará nuevo ARNm. La información que contiene el ARNm se presenta en una secuencia de bases nitrogenadas, agrupadas en tripletes o codones, cada uno de los cuales determina la unión de un determinado aminoácido. El ARNm tiene distinta estructura en procariotas y en eucariotas. Ø ARNm en eucariotas: El ARN mensajero obtenido después de la transcripción se conoce como ARN transcrito primario o ARN precursor o pre-ARN, que en la mayoría de los casos no se libera del complejo de transcripción en forma totalmente activa, sino que ha de sufrir modificaciones antes de ejercer su función (procesamiento o maduración del ARN). Entre esas modificaciones se encuentran la eliminación de fragmentos (splicing), la adición de otros no codificados en el ADN y la modificación covalente de ciertas bases nitrogenadas. El ARNm eucariótico se forma a partir del ARN transcrito primario (pre-ARNm), que está formado por dos tipos de segmentos que se alternan: Curso 2024-25 6.11 Biología 2º Bachillerato IES Santiago Apóstol Exones, segmentos con información. Intrones, segmentos sin información que serán suprimidos y no aparecen en el ARNm. La maduración del ARN transcrito primario a ARN mensajero se produce en el núcleo, y es en ese proceso cuando se pierden los intrones. El ARNm eucariótico posee en su extremo 5' una caperuza, formada por un nucleótido derivado de la guanina, que da estabilidad al ARNm y permite el acceso al ribosoma para la síntesis de proteínas. Después hay un segmento sin información, seguido de otro segmento con información que suele empezar con las bases A - U - G. En el extremo 3' aparecen unos 200 nucleótidos de adenina, la llamada “cola” de poli-A, que estabiliza la molécula frente a las enzimas exonucleasas. El ARNm eucariótico es monocistrónico, es decir, sólo contiene información para sintetizar una cadena polipeptídica. Ø ARNm en procariotas: El proceso de transcripción y el de traducción se realizan de manera similar que en las células eucariotas. La diferencia fundamental está en que, en las procariotas, el ARN mensajero no pasa por un proceso de maduración y, por lo tanto, no se le añade caperuza ni cola ni se le quitan intrones. Además, no tiene que salir del núcleo como en las eucariotas, porque en las células procariotas no hay un núcleo definido. El ARNm en procariotas es policistrónico, contiene informaciones separadas para sintetizar distintas proteínas. Curso 2024-25 6.12 Biología 2º Bachillerato IES Santiago Apóstol 6.3.2. EL ARN RIBOSÓMICO (ARNr): El ácido ribonucleico ribosómico o ribosomal (ARNr) es el tipo de ARN más abundante (80-85% del ARN total) en las células y constituye, en parte, los ribosomas. Estos se encargan de la síntesis de proteínas según la secuencia de nucleótidos presente en el ARN mensajero. El ARN ribosómico constituye el 60 % del peso de los ribosomas. El ARNr presenta segmentos lineales y segmentos en doble hélice (estructura secundaria), debido a la presencia de secuencias complementarias de ribonucleótidos a lo largo de la molécula. Algunos ARNr también actúan como enzimas, es decir, ayudan a acelerar (catalizar) reacciones químicas; en este caso, ayudan a formar los enlaces que unen los aminoácidos para formar una proteína. Los ARN que funcionan como enzimas se conocen como ribozimas. 6.3.3. EL ARN DE TRANSFERENCIA (ARNt): El ARN de transferencia es un tipo de ácido ribonucleico que se encarga de transportar los aminoácidos a los ribosomas donde, según la secuencia especificada en un ARN mensajero (transcrita, a su vez, del ADN), se sintetizan las proteínas. El ARN soluble o de transferencia (ARNt) representa, aproximadamente, el 15 % de todo el ARN. Está formado por unos 80 nucleótidos, y se encuentra disperso en el citoplasma celular. Existe una molécula de ARNt para cada aminoácido, con un triplete específico de bases nitrogenadas, el anticodón, que varía entre los distintos ARNt. El ARNt es monocatenario, pero presenta zonas de complementariedad intracatenaria, es decir, zonas complementarias dentro de la misma cadena, lo que produce que se apareen dando una estructura característica semejante a la de un trébol de tres hojas. En la estructura secundaria de los ARNt se distinguen las siguientes características: Curso 2024-25 6.13 Biología 2º Bachillerato IES Santiago Apóstol Un brazo llamado brazo D y su asa. Se denomina así porque contiene dihidrouridina. Un brazo T (por llevar timina) y su asa. Un brazo llamado anticodón y su asa, complementario al codón específico del ARNm. Un brazo aceptor de aminoácidos. Aunque se hable de estructura en forma de hoja de trébol, en realidad, la molécula de ARNt se repliega, adquiriendo una estructura terciaria en forma de L. La cadena de ARN presenta dos extremos: Extremo 5´: tiene un triplete de bases nitrogenadas en el que siempre existe guanina (G) y un ácido fosfórico libre. Extremo 3': Se encuentra siempre el triplete -C-C-A. El grupo -OH del nucleótido A es el que se une al grupo carboxilo del aminoácido que transporta el ARNt hasta el ribosoma. El triplete del anticodón corresponde al aminoácido que se une específicamente cada ARNt, y es complementario al codón del ARNm. Por tanto, el ARNt debe cumplir dos funciones: Reconocer y transportar los aminoácidos específicos hasta el ribosoma. Reconocer los codones del ARNm. Curso 2024-25 6.14 Biología 2º Bachillerato IES Santiago Apóstol 6.4. OTROS NUCLEÓTIDOS DE INTERÉS BIOLÓGICO: Hay nucleótidos libres en la célula, que no forman parte de los ácidos nucleicos. Realizan funciones diversas: proporcionar energía, actuar como cofactores enzimáticos o como mediadores en la comunicación celular. Ø Nucleótidos energéticos: Nucleótidos cuyos enlaces covalentes entre los ácidos fosfóricos liberan energía al romperse por hidrólisis, proporcionándola así cuando algún proceso celular la necesita. Destaca el ATP (adenosín trifosfato), la molécula transportadora más utilizada. Ø Nucleótidos mediadores: El AMPc (cíclico) es el AMP que esterifica el ácido fosfórico también en el C3´de la ribosa, formando una estructura cíclica. Mediador en muchos procesos hormonales: transmite, en el interior de la célula, las señales que llegan de las hormonas unidas a receptores de la membrana y controla la velocidad de muchas reacciones intercelulares. Ø Nucleótidos coenzimáticos: Actúan como coenzimas de procesos metabólicos, sobre todo en reacciones de óxido-reducción. Curso 2024-25 6.15