Tema 4: Ácidos Nucleicos PDF

## TEMA 4 Ácidos nucleicos ### ¿Qué vamos a estudiar en este tema? 1. Nucleótidos. Introducción 2. Ácidos nucleicos. Tipos: ADN y ARN 3. Cuestiones de razonamiento 4. Remix del bloque de biomoléculas ### 1. Nucleótidos. Introducción #### Definición y estructura de los nucleótidos Los nucleótidos s...

## TEMA 4 Ácidos nucleicos ### ¿Qué vamos a estudiar en este tema? 1. Nucleótidos. Introducción 2. Ácidos nucleicos. Tipos: ADN y ARN 3. Cuestiones de razonamiento 4. Remix del bloque de biomoléculas ### 1. Nucleótidos. Introducción #### Definición y estructura de los nucleótidos Los nucleótidos son biomoléculas orgánicas (macromoléculas) que constituyen los monómeros o componentes fundamentales de los ácidos nucleicos. Están constituidos por la unión de un monosacárido de cinco carbonos (aldopentosa: ribosa o desoxirribosa), una base nitrogenada (A, G, C, T, U) y una molécula de ácido fosfórico. El conjunto formado por la unión mediante enlace N-glucosídico entre la base nitrogenada y el carbono 1' de la pentosa se conoce como nucleósido. Para conformar el nucleótido final, se establece un enlace éster entre el grupo hidroxilo (-OH) del carbono 5' de la pentosa y el ácido fosfórico, con pérdida de una molécula de agua: | **Nucleótido** | **Nucleósido** | **PENTOSA** | **BASE NITROGENADA** | **ÁCIDO FOSFÓRICO** | |---|---|---|---|---| | | | RIBOSA | PÚRICAS: Adenina (A), Guanina (G) | OH <br> O-P-OH <br> OH | | | | | PIRIMIDÍNICAS: Timina (T), Citosina (C), Uracilo (U) | | | | DESOXIRRIBOSA | | | | Si la aldopentosa es la ribosa se formará un ribonucleótido (monómero del ARN) mientras que si se trata de la desoxirribosa, se formará un desoxirribonucleótido (monómero del ADN). #### Enlace fosfodiéster Los nucleótidos se unen entre sí mediante el enlace covalente fosfodiéster (o nucleotídico): Se establece entre el radical fosfato situado en el carbono 5' de la pentosa de un nucleótido trifosfato y el radical hidroxilo (-OH) del carbono 3' de la pentosa de otro nucleótido. El enlace, por lo tanto, es 5' 3'. En esta reacción se produce la liberación de una molécula de agua y de un pirofosfato (molécula formada por la unión de dos fosfatos). De esta forma, se quedarán dos extremos libres: 5' unido al grupo fosfato y 3' unido al grupo hidroxilo. #### Funciones biológicas de los nucleótidos | **Función** | **Descripción** | |---|---| | Estructural | Forman parte de ácidos nucleicos, cromosomas y ribosomas donde se almacena y transmite la información genética. | | Energética | Participan en reacciones de transferencia de energía que se acumula en los enlaces fosfato y su hidrólisis impulsa una gran variedad de reacciones químicas. El ejemplo por excelencia es el ATP. Otros ejemplos son: GTP, UTP, CTP. | | Coenzimática | Intervienen permitiendo determinadas reacciones enzimáticas. Los principales son: FMN, FAD, NAD, NADP que actúan como coenzimas de las hidrogenasas (catalizan reacciones de oxidación-reducción) y la Coenzima A que actúa como transportador de grupos acilos. | | Mensajeros químicos intracelulares | El AMP-cíclico (AMPc) es un importante segundo mensajero en la respuesta de las células a diversas hormonas (primeros mensajeros) que desencadenan la respuesta celular. | ### 2. Ácidos nucleicos. Tipos: ADN y ARN #### Definición de ácido nucleico Los ácidos nucleicos son las moléculas biológicas formadas por gran cantidad de monómeros (nucleótidos) unidos por enlaces fosfodiéster. Por lo tanto, son polinucleótidos. #### Tipos de ácidos nucleicos Podemos diferenciar dos tipos de ácidos nucleicos: ácido desoxirribonucleico (ADN) y ácido ribonucleico (ARN). Veamos sus principales diferencias y luego los explicaremos con detalle: | **Diferencias** | **ADN** | **ARN** | |---|---|---| | Composición química | Pentosa: desoxirribosa <br> Bases nitrogenadas: adenina, guanina, citosina y timina | Pentosa: ribosa <br> Bases nitrogenadas: adenina, guanina, citosina y uracilo. | | Estructura | Generalmente de cadena doble (bicatenario)* | Generalmente de cadena sencilla (monocatenario)* | | Función | Portador de la información genética (almacenamiento, conservación y trasmisión). | Interviene en la transcripción y la traducción de la información genética permitiendo el flujo de información. | * Aunque generalmente tienen esta estructura, ya veremos más adelante que hay variantes en las que el ADN puede aparecer monocatenario (como ocurre en algunos virus) y el ARN puede aparecer con apareamiento en algunas regiones de su estructura (ARN transferente por ejemplo) o totalmente bicatenario (algunos virus). Por otro lado, en las células eucarióticas (y algunos virus), el ADN nuclear es una cadena lineal mientras que en células procarióticas, mitocondrias y cloroplastos (además de algunos virus), la molécula de ADN es circular. #### Ácido desoxirribonucleico (ADN) El ADN es un ácido nucleico compuesto por nucleótidos (desoxirribonucleótidos) en el que se encuentran las bases nitrogenadas adenina, guanina, citosina y timina. En células eucarióticas, el ADN se localiza en el núcleo, mitocondrias y cloroplastos donde realiza la función de portador de la información genética (almacenamiento, conservación y transmisión). Como veremos en el tema 9, en la reacción de polimerización que se produce durante la replicación, interviene la enzima ADN polimerasa. La estructura del ADN es generalmente bicatenaria. Su estructura secundaria, conocida como modelo de doble hélice, establece que el ADN es una doble hélice formada por dos cadenas de polinucleótidos que cumplen las siguientes características: * Dextrohelicoidal. Dos cadenas enrolladas helicoidalmente hacia la derecha, dextrógira. * Coaxial. Ambas cadenas están enrolladas alrededor de un mismo eje imaginario. * Enrollamiento plectonémico. Para separar una cadena de la otra hay que desorganizar la estructura. Es decir, "desenrollar" la doble hélice primero. Ello requiere un gran aporte de energía. * Antiparalelas. Los enlaces 5'→ 3' de las dos cadenas de polinucleótidos están orientados en sentidos opuestos. * Complementarias. Las bases de una cadena de polinucleótidos se unen a las de la otra cadena formando las siguientes parejas púricas-pirimidínas: A-T y G-C. Las parejas de bases nitrogenadas adenina-timina establecen dos enlaces de hidrógeno entre ellas mientras que las parejas de bases nitrogenadas guanina-citosina establecen tres enlaces de hidrógeno entre ellas: Los procesos relacionados con el ADN (replicación) los veremos en el tema 9. #### Las reglas de Chargaff Chargaff demostró que las proporciones de las bases nitrogenadas cumplían regularidades: * La cantidad de adenina (A) es igual a la de timina (T). A=T * La cantidad de guanina (G) es igual a la de citosina (C). G=C * La proporción de bases púricas (A+G) es igual a la de las bases pirimidínicas (T+C) de lo que se deduce que: (A+G)/ (T+C)=1 #### Ácido ribonucleico (ARN) El ARN es un ácido nucleico compuesto por nucleótidos (ribonucleótidos) en el que se encuentran las bases nitrogenadas adenina, guanina, citosina y uracilo. Su función es permitir el flujo de información (interviene en los procesos de transcripción y traducción de la información genética). Su estructura es generalmente monocatenaria: Podemos diferenciar los siguientes tipos de ARN (que explicaremos con detalle en el tema 9): | **Tipos de ARN** | **Estructura** | **Síntesis, localización y función** | |---|---|---| | ARN mensajero (ARNm) | Monocatenario | El ARNm se sintetiza en el núcleo y se exporta al citoplasma para transferir la información genética hasta el ribosoma donde se sintetizarán las proteínas mediante el proceso de traducción. | | ARN de transferencia (ARNt) | Monocatenario y regiones de doble hélice o apareamiento interno. | El ARNt se sintetiza en el núcleo y realiza su función en el citoplasma mediante la identificación del codón del ARNm y el transporte del aminoácido correspondiente hasta los ribosomas durante la traducción. | | ARN ribosómico (ARNr) | Monocatenario y regiones de doble hélice o apareamiento interno, asociado a proteínas. | El ARNr se sintetiza en el nucléolo y se transporta al citoplasma asociándose al componente proteico del ribosoma para realizar su función estructural y haciendo posible la unión del ARNm para realizar la traducción. | Los procesos relacionados con el ARN (transcripción y traducción) los veremos en el tema 9. ### 3. Cuestiones de razonamiento 1. Los nucleótidos son monómeros cuya función más conocida es la de formar los ácidos nucleicos. Sin embargo, un déficit de alguno de ellos puede provocar problemas en el metabolismo. Justifique la afirmación anterior. Los nucleótidos tienen importantes funciones coenzimáticas (NAD, NADP, etc.) y energéticas (ATP, GTP, etc.) que son cruciales en el metabolismo. 2. Tenemos dos muestras de ADN (A y B) de igual tamaño y procedentes de dos especies diferentes. Tras someterlas a un aumento de temperatura para desnaturalizarlas, la muestra A se desnaturaliza a 80°C, y la B a 90°C. Explique razonadamente a qué puede deberse esa diferencia de temperatura en la desnaturalización de las dos muestras. La diferencia puede deberse a que la muestra A presenta una menor proporción de pares de bases G-C y la muestra B tenga una mayor proporción de pares de bases G-C (unidas por tres enlaces de hidrógeno). Por tanto, al tener la muestra B más enlaces de hidrógeno que la A, se necesita más temperatura para desnaturalizarla. 3. Las moléculas de ADN son muy estables en condiciones fisiológicas. Sin embargo, la estructura de doble hélice se puede perder al separarse las dos hebras cuando se alteran las condiciones de pH o se somete a temperaturas superiores a 100°C. ¿Por qué ocurre este hecho y sin embargo, en las mismas condiciones, no se separan los nucleótidos de una misma hebra? Al alterarse el pH o la temperatura, se desorganiza la doble hélice por rotura de los enlaces de hidrógeno que se establecen entre las bases nitrogenadas que unen las dos hebras del ADN. Sin embargo, los nucleótidos de una misma hebra están unidos por enlaces fosfodiéster que, al ser enlaces covalentes, son más fuertes y los mantendrán unidos en estas condiciones. 4. A partir de una célula vegetal se ha aislado un fragmento de ácido nucleico bicatenario con un 27% de adenina. Indique: a) el tipo de ácido nucleico al que corresponde; b) los porcentajes esperados de U, T, G y C. a) Puesto que es bicatenario, en una célula vegetal, concluimos que el ácido nucleico es ADN. b) Teniendo en cuenta las reglas de Chargaff: A=27% T= 27% El 46% restante debe estar repartido por igual entre Gy C → G=23%; C=23% U→ 0% ya que no está presente en la molécula de ADN. 5. Considere una célula en la que una determinada molécula de ADN de cadena doble presenta una proporción de adenina del 30%. a) ¿Cuál será en dicha molécula la proporción de: timina, guanina, citosina, bases púricas y bases pirimidínicas? b) Indique si todas las moléculas de ADN de dicha célula presentarán los mismos porcentajes de: adenina, timina, guanina, citosina, bases púricas y bases pirimidínicas. c) Indique qué valor tomará la relación bases púricas/bases pirimidínicas en dicha molécula. d) ¿Cuál sería el porcentaje de cada base si el ADN fuera monocatenario? a) Teniendo en cuenta las reglas de Chargaff: A=30% T= 30% El 40% restante debe estar repartido por igual entre Gy CG=20%; C=20% Bases púricas (A+G) = pirimidínicas (T+C) → Bases púricas = 50%; bases pirimidínicas = 50% b) La secuencia será diferente y variarán los porcentajes de cada base, pero no los porcentajes de bases púricas y pirimidínicas que seguirán siendo del 50% cada una. c) Relación bases púricas/bases pirimidínicas = 1 d) No se puede saber ya que no hay complementariedad de bases. Por azar, podría ser el mismo porcentaje que en el caso anterior, pero también podría ser diferente para cada tipo de base. 6. ¿Se dan en el ADN emparejamientos entre bases del tipo: adenina-guanina y timina-citosina? ¿Y adenina-uracilo? A-G y T-C no son posibles ya que debido a la estructura y tamaño de las bases púricas y pirimidínicas, tales emparejamientos producirían distorsiones en el tamaño de la hélice e inestabilidad en los enlaces de hidrógeno. A-U no es posible porque el ADN no contiene uracilo. ### 4. Remix del bloque de biomoléculas 1. Las moléculas aquí esquematizadas pueden ser monómeros o constituyentes de biomoléculas más complejas. Identifique cada uno de estos monómeros e indique de qué biomolécula o biomoléculas pueden formar parte. | Monómero o constituyente | Biomolécula/s | |---|---| | 1. Ácido fosfórico | Ácidos nucleicos y fosfolípidos | | 2. Desoxirribosa | ADN | | 3. Ácido graso saturado | Acilglicéridos y fosfolípidos | | 4. Base nitrogenada | Ácido nucleico | | 5. y 8. Aminoácidos | Proteínas | | 6. Glucosa | Disacáridos y polisacáridos | | 7. Glicerol | Acilglicéridos y fosfolípidos | | 9. Fructosa | Sacarosa | ¡CUIDADO! En este ejercicio (sacado de Selectividad) hay un error en la estructura de dos de las moléculas. Lo he dejado adrede para que veáis que todos cometemos errores y por eso hay que estar siempre muy pendiente de todo... ¿eres capaz de detectar esas dos moléculas? ¡Efectivamente! Al carbono 2 de la molécula 7 (glicerol) le sobra un hidrógeno y al carbono 5 de la molécula 9 (fructosa) le sobra un oxígeno. Si te habías dado cuenta... ¡Eres un máquina! 2. En la siguiente imagen aparecen representadas 8 biomoléculas. a) Identifique cada una de ellas. b) ¿Qué tipo de enlace forman la molécula 3 con la molécula 5? Esquematice la reacción. c) Dé una explicación de por qué las moléculas 6 y 7 no son hidrolizables mientras que la 2 y la 4 sí lo son. d) Indique tres funciones de la molécula 1. e) ¿De qué vitamina es precursor la molécula 8? f) ¿De qué tipo de biomolécula más compleja puede formar parte la molécula 7? a) Biomoléculas 1. Triacilglicérido 2. Polisacárido 3. Ácido graso insaturado 4. Disacárido (sacarosa) 5. Glicerol 6. Glucosa 7. Ribosa 8. Esteroide (colesterol) b) La molécula 3 es un ácido graso que se unirá a partir del grupo carboxilo a un alcohol de la molécula de glicerol (molécula 5) mediante una reacción de esterificación, formándose un enlace éster y liberándose una molécula de agua. La molécula resultante sería un monoacilglicérido. Veamos la reacción correspondiente: c) Las moléculas 6 y 7 son monómeros mientras que las moléculas 2 y 4 son más complejas, están formadas por la unión de estos monómeros por enlace O-glucosídico. El enlace O-glucosídico se puede hidrolizar. d) La molécula 1 es un triacilglicérido. Como funciones de esta molécula podemos citar: función de reserva energética, aislamiento térmico, flotabilidad, protección o función de amortiguación mecánica en animales. e) La molécula 8 corresponde al colesterol el cual es precursor de la vitamina D. f) La molécula 7 corresponde a la ribosa, por lo que la podemos encontrar en el ácido ribonucleico, es decir, en el ARN. Forma parte de los nucleótidos que van a formar el ARN junto con la base nitrogenada correspondiente (A, G, C, U) y el ácido fosfórico.