Introducción a la Medicina: Biomoléculas y Ácidos Nucleicos (PDF)

Universidad Nacional de Tucumán Facultad de Medicina INTRODUCCIÓN A LA MEDICINA Unidad I Tema 1: Nivel Molecular: Biomoléculas. Ácidos nucleicos. Contenidistas: Dra. Silvina Aguirre Dra. Ana Carolina Muro  FICHA 6 NIVEL MOLECULAR: BIOMOLÉ...

Universidad Nacional de Tucumán Facultad de Medicina INTRODUCCIÓN A LA MEDICINA Unidad I Tema 1: Nivel Molecular: Biomoléculas. Ácidos nucleicos. Contenidistas: Dra. Silvina Aguirre Dra. Ana Carolina Muro  FICHA 6 NIVEL MOLECULAR: BIOMOLÉCULAS. ÁCIDOS NUCLEICOS Todos las biomoléculas son importantes, pero el papel de los ácidos nucleicos en la regulación y coordinación de las funciones celulares es tan clave que es fundamental su estudio. Son las moléculas encargadas del almacenamiento, transmisión y expresión de la información genética. Son compuestos que originalmente se aislaron en núcleo celular y de allí su nombre. Contienen carbono, hidrógeno, oxígeno, nitrógeno y fósforo. Químicamente poseen carácter ácido y se encuentran en todos los seres vivientes. Al igual que las proteínas y los polisacáridos, los ácidos nucleicos son macromoléculas formadas por polimerización, en cadenas lineales, de unidades estructurales (monómeros) llamadas nucleótidos. Los ácidos nucleicos son sustancias del más alto valor biológico; ya que a ellos se le asignan importantísimas funciones: a) Son depositarios de la información genética y responsables de su transmisión de padres a hijos y de una generación celular a otra. b) Tienen un papel fundamental en la síntesis de proteínas celulares y dirigen el ensamble correcto de aminoácidos en secuencias definidas. En última instancia, la individualidad y el potencial funcional de cada ser vivo son determinados por la información contenida en sus ácidos nucleicos. Es muy importante comprender la naturaleza química de los ácidos nucleicos para poder relacionar su estructura con su función en la célula. El conocimiento de la estructura y función de los ácidos nucleicos te permitirá comprender, más adelante, el flujo de la información genética. En primer término describiremos la estructura de los monómeros constituyentes de la biomolécula, los nucleódidos. NUCLEÓTIDOS Los nucleótidos, unidades cuya polimerización forma los ácidos nucleicos, son sustancias que están constituidas por: a) una base nitrogenada, b) un monosacárido de cinco carbonos (aldopentosa) y c) ácido fosfórico. 1 BASES NITROGENADAS Las bases nitrogenadas son sustancias que derivan de los núcleos heterocíclicos de pirimidina y purina y se trata, entonces, de bases pirimidínicas o pirimídicas y bases purínicas o púricas respectiva- mente. La purina se considera derivada de la pirimidina por fusión a ésta de un núcleo imidazol. Ambos ciclos tienen todos sus átomos ubicados en el mismo plano. Pirimidina Imidazol Pirimidina Purina Cinco bases derivadas de estos núcleos participan en la composición de los ácidos nucleicos: tres de ellas son pirimídicas y dos púricas. Las bases pirimídicas son: timina (5-metil-2,4-dioxipirimidina) citosina (2-oxo-4-aminopirimidina) uracilo (2,4-dioxipirimidina) Las bases púricas son: adenina (6-aminopurina) guanina (2-amino-6-oxipurina) 2 Eventualmente, los ácidos nucleicos pueden contener una pequeña cantidad de otras bases que en general derivan de las anteriores, como la 5-metil-citosina. Las bases púricas y pirimídicas tienen la propiedad de absorber radiaciones en la región ultravioleta del espectro, con un máximo de absorción a la longitud de onda de 260 nm. Esta característica, debida a la naturaleza aromática de las bases, permite detectar su presencia en una muestra y estimar su concentración por espectrofotometría, un método de estudio que aprenderás más adelante y que ahora solo vamos a mencionar. ALDOPENTOSAS El monosacárido que integra la molécula de ácidos nucleicos es una aldopentosa. Ésta puede ser D-ribosa o D-2-desoxirribosa. Según la pentosa presente, se distinguen dos clases de ácidos nucleicos; los ácidos ribonucleicos (ARN o RNA en las siglas inglesas) y los ácidos desoxirribonucleicos (ADN o DNA en las siglas inglesas). Ambas aldopentosas adoptan la forma furanosa, y en los ácidos nucleicos se encuentran en forma ß. ¿Recordás la forma furanosa de los mosacáridos, vistos en la ficha de hidratos de carbono? β-D-ribosa β-D-2-desoxirribosa La ribosa o la desoxirribosa se unen al nitrógeno 9 de las bases púricas o al nitrógeno 1 de las bases pirimídicas mediante enlace N-glicosídico del tipo β (está involucrado el C1 de la pentosa, el C anomérico, en configuración β). La unión glicosídica permite la libre rotación. El compuesto formado por una base nitrogenada, púrica o pirimídica, y una de las dos aldopentosas mencionadas se llama nucleósido. 3  A los átomos de las pentosas se les añade el signo "prima" (por ejemplo 2') para distinguirlos de los átomos de las bases nitrogenadas para las que se usa directamente el número correspondiente. Base nitrogenada + Azúcar = NUCLEÓSIDO Citosina + Desoxicitidina H H H H H H H H Desoxirribosa H Adenina + Adenosina H H H H H H H H OH Ribosa OH Nucleósidos. En la figura se ilustra con dos ejemplos el proceso de formación de un nucleósido (base nitrogenada + azúcar) mediante enlace N-glicosídico. El tercer componente de los ácidos nucleicos es el ácido fosfórico que se une por esterificación del hidroxilo del carbono 5 de la ribosa o desoxirribosa de un nucleósido. El compuesto resultante es un nucleótido (base, azúcar y el fosfato). 4  En la siguiente imagen se muestra un ejemplo de la formación y estructura del nucleótido guanosina-5'-monofosfato o ácido guanílico. Base nitrogenada + Azúcar + Ácido fosfórico = NUCLEÓTIDO - - - -+ Ácido fosfórico H H H H H H H H OH OH Guanosina Guanosina monofosfato (GMP) Nucleótido. En la figura se ilustra con un ejemplo el proceso de formación de un nucleótido (nucleósido + ácido fosfórico) mediante enlace éster. En la siguiente tabla se presentan los nucleósidos y nucleótidos más comunes: 5 A continuación, te mostramos las estructuras de los cuatro desoxirribonucleótidos principales (desoxirribonucleósidos 5'- monofosfato) que forman parte del DNA y los cuatro ribonucleótidos principales (ribonucleósidos 5'-monofosfato) que forman parte del RNA. Ribonucleótidos y desoxirribonucleótidos de los ácidos nucleicos. Los nucleótidos que forman parte de los ácidos nucleicos se encuentran en forma monofosfato, situándose el grupo fosfato en posición 5'. ÁCIDOS NUCLEICOS Para formar polímeros, los nucleótidos se unen entre sí por enlaces éster; el fosfato establece un "puente" desde carbono 5' de la pentosa de un nucleótido con el carbono 3' de la pentosa del nucleótido al que se encuentra unido. En realidad, el enlace es "fosfodiéster" (acordate que vimos este tipo de enlace en los fosfolípidos). 6 La primera unidad de la cadena tiene libre su fosfato, mientras que la pentosa del último nucleótido tiene libre el hidroxilo del carbono 3'. Se habla entonces de extremos 5' y 3' de la cadena, siendo esta estructura básica válida para los dos tipos de ácidos nucleicos. Recordá que la notación cinco prima (5') y tres prima (3'), referida a los nucleótidos (y nucleósidos), indica la numeración de los carbonos de la pentosa. Para átomos de las bases nitrogenadas se usa directamente el número correspondiente. Cadena polinucleotídica. En la figura se representa la formación de una cadena polinucleotídica mediante un enlace fosfodiéster. Observar que la cadena tiene un extremo 3' (el que tiene libre el -OH del C3' de la pentosa) y otro extremo 5' (el que posee libre el fosfato unido al C5' de otra pentosa). El producto de este ejemplo es un dinucleótido. Según la pentosa integrante de la molécula, se distinguen ácidos desoxirribonucleicos (ADN o DNA) y ribonucleicos (ARN o RNA). Entre estos dos tipos de compuestos existen diferencias estructurales que exigen su consideración por separado En la siguiente imagen se muestra un segmento de una cadena polinucleotídica. En este caso, el segmento consta de cuatro nucleótidos. 7 Cadena polinucleotídica. Estruc- tura básica de una cadena polinu- cleotídica. Sobre fondo gris, fosfatos y pentosas que forman la "columna vertebral" o hebra continua del ácido nucleico. Antes de avanzar, te proponemos que escribas la estructura de un trinucleótido formado por los nucleótidos. AMP, GMP y UMP. Como dato, tené en cuenta que el AMP está en el extremo 5' y el UMP en el 3'. ÁCIDO DESOXIRRIBONUCLEICO (ADN) El ácido desoxirribonucleico se encuentra casi en su totalidad en núcleos celulares, más precisamente en el material que forma la cromatina. Hay también una pequeña cantidad de ADN en mitocondrias y cloroplastos, pero sus funciones no son tan relevantes como la del material nuclear. Todas las células somáticas del individuo de una misma especie tienen igual contenido de ADN. En los seres humanos, la cantidad de ADN por célula es de 6. 10-6 µg (microgramo) o 6 pg (picogramo). Los gametos (células germinales) masculino y femenino poseen la mitad del contenido de ADN de una célula somática. Estas cantidades permanecen constantes y no se modifican con la edad ni por factores ambientales o nutricionales. El ADN es una molécula lineal de gran longitud (de algunos metros), solo que a veces alcanza a medir centímetros en ciertos estadios celulares, pero igualmente sigue siendo de magnitudes macroscópicas. 8  En cambio, su eje transversal, es de tan solo de 2 nm, lo que hace que la hebra se corte fácilmente durante los procedimientos de separación y purificación. En la célula se encuentra densamente empaquetada en una estructura celular llamada cromosoma. Esto permite que, por ejemplo, en el cromosoma humano más pequeño (de tan solo 2 μm de longitud) se aloje una molécula de ADN de 30 millones kDa y 1,4 cm de largo. Pero si consideramos que en todas las células somáticas del ser humano existen 46 cromosomas, y si pudiéramos colocar extendidas, una al lado de la otra, las moléculas de ADN de los 46 cromosomas, la longitud alcanzada sería de casi 2 metros, demostrando la importancia de su estructura y condensación del material genético. Por hidrólisis del ácido desoxirribonucleico se obtienen los nucleótidos que lo constituyen. La hidrólisis de éstos, a su vez, da lugar a las bases púricas y pirimídicas presentes, desoxirribosa y ácido fosfórico. Las bases púricas que participan en la constitución de ADN son adenina James (A) y guanina (G), y las bases pirimídicas son timina (T) y citosina (C) Watson (muchas veces, en notaciones abreviadas, se acostumbra indicar las bases con la letra inicial de su nombre). La proporción de bases en ácido nucleico aislado de distintas especies es característica para cada una de ellas; sin embargo, existen relaciones fijas entre las bases en todas las muestras de ácido desoxirribonucleico, cualquiera sea su origen. Por ejemplo, el contenido molar de bases púricas es siempre igual al de bases pirimídicas, lo que quiere decir que, la suma de moléculas de adenina más las de guanina es igual a la de timina más citosina. (A + G = T + C) Además, las relaciones adenina/timina y guanina/citosina son siempre iguales a la unidad, esto quiere decir que el número de moléculas de adenina es igual al de timina (A = T), y el de guanina, al de citosina Francis (G = C). Esto se cumple en todas las secuencias de ADN. Crik Esta relación fue el resultado de muchas investigaciones (realizadas principalmente por Chargaff, Wilkins y Franklin), que culminaron con el modelo molecular del ADN elaborado por Watson y Crick, en 1953. La estructura del ADN propuesta por ambos biólogos estaba en perfecto acuerdo con todos los hallazgos previos y sigue vigente en la actualidad. 9 Estructura molecular del ADN La molécula de ácido desoxirribonucleico está formada por dos cadenas polinucleotídicas de desoxirribonucleótidos, enrolladas alrededor de un eje común, formando una doble hélice. En cada una de las hélices, la hebra continua está constituida por la sucesión de desoxirribosas y fosfatos, los cuales actúan como puentes entre carbono 5' de una pentosa y carbono 3' de la anterior. En la doble hélice, desoxipentosas y fosfatos, francamente hidrófilos, quedan situados en el exterior de la molécula y toman contacto con el medio acuoso. Las bases púricas y pirimídicas, estructuras planas muy poco polares, escapan del contacto con el solvente acuoso y se orientan hacia adentro de la doble hélice, en dirección perpendicular al eje central. La imagen de la izquierda, imitada de la original de Watson y Crick, es una representación muy esquemática de la doble hélice. En ella están indicadas como dos cintas las cadenas formadas por desoxirribosas y fosfatos. Los "travesaños" perpendiculares al eje central y dispuestos como peldaños de una escalera de caracol representan las bases púricas y pirimídicas. Cada vuelta de hélice tiene una extensión de 3,4 nm y cada base está a 0,34 nm de la siguiente, es decir, una vuelta completa de hélice comprende diez bases nitrogenadas. El diámetro o sección transversal de la molécula es de 2 nm. Si pudiéramos mirar la molécula desde cualquiera de sus extremos comprobarí- Representación esquemá- amos que el enrollamiento se hace en el tica de la doble hélice de sentido de las agujas del reloj; la hélice es ADN. Según modelo de derecha o dextrogira. Watson y Crick. 10 La cadena polinucleotídica se forma, como dijimos, por los "puentes" de fosfato (enlace fosdiéster) entre carbono 5' de una desoxirribosa y el carbono 3' de la pentosa del nucleótido vecino. En el ADN, las dos cadenas son antiparalelas; esto significa que ambas siguen una dirección opuesta. Mientras en una de ellas las uniones fosfato van de carbono 5' a carbono 3' de las pentosas, la otra está orientada en sentido opuesto (del carbono 3' a carbono 5'). En cada punta de la molécula se encuentra el extremo 5' de una cadena y el 3' de la otra. Las bases púricas y pirimídicas de cada cadena ocupan el centro de la hélice y se dirigen perpendicularmente hacia el eje central. En cambio, las cadenas de azúcares y fosfatos se sitúan en el exterior, lo cual minimiza las repulsiones entre los grupos fosfato cargados. Cada base está unida por puentes de hidrógeno a una base de la hebra complementaria, para formar un par de bases plano. El espacio comprendido entre las dos hélices no permite alojar dos bases púricas a la par, pero resulta demasiado grande para dos bases pirimídicas, que quedarían muy alejadas, sin poder establecer uniones o interacciones entre ellas. En cambio, el espacio existente entre las dos hebras es el adecuado para acomodar un par púrica-pirimídica. Así, cada residuo de adenina forma pareja con un residuo de timina y viceversa, y cada residuo de guanina se aparea con un residuo de citosina y viceversa. Estas interacciones por puentes de hidrógeno, conocidas como "apareamiento de bases complementarias", dan como resultado la asociación específica de las dos cadenas en la doble hélice. Adenina y timina forman dos puentes de hidrógeno al aparearse; guanina y citosina establecen entre sí tres enlaces de hidrógeno. Estos son los únicos apareamientos estables posibles: cada adenina de una de las cadenas está siempre enfrentada con la timina de la otra; cada citosina con guanina. 11  Apareamiento de bases complementarias. Se indican los puentes de hidrógeno (línea de puntos sombreadas) entre bases del ADN. Adenina (A) siempre está unida a timina (T) por dos uniones de este tipo. Guanina (G) se enfrenta con citosina (C), a la cual está ligada por tres puentes de hidrógeno. La doble hélice es una estructura muy estable gracias a los puentes de hidrógeno entre las bases. Estas fuerzas, individualmente débiles, resultan importantes al multiplicarse a lo largo de la molécula, constituida por un enorme número de pares de bases. Otras fuerzas contribuyen, aún más significativamente que los puentes de hidrógeno, al mantenimiento de la doble hélice. Se trata de las interacciones generadas por las fuerzas de van der Waals en los pares de bases apilados en el interior de la molécula. Si bien la doble hélice es un conjunto compacto, tiene flexibilidad como para arquearse y hasta enrollarse sobre sí misma o sobre otras estructuras. Esta propiedad le permite interaccionar con otras moléculas y también empaquetarse en muy pequeños volúmenes. Además, su flexibilidad le permite presentar numerosas variaciones estructurales. La estructura de Watson y Crick se conoce también como forma B o conformación B del DNA, la cual es la estructura más estable que pueda adoptar un DNA en condiciones fisiológicas. Si bien no vamos a estudiar las otras conformaciones, es importante que sepas que existen otras, las formas A y Z, las cuales tienen ciertas diferencias con la conformación B. 12 Veamos la siguiente imagen que resume todas las características estructurales de DNA hasta aquí analizadas: Pares de (a) bases complemen- (b) Pares de bases tarias complemen- Extremo tarias Extremo 5' 3' Bases nitrogenadas Fosfato A Pentosa P T Nucleótido P G Columna vertebral pentosa-fosfato A Puente de P hidrógeno G P Extremo Extremo 3' 5' Modelo de Watson y Crick de la estructura del DNA. (a) Representación esquemática de la doble hélice dextrógira. (b) Dos cadenas comple- mentarias de polinucleótidos se asocian mediante el apareamiento de sus bases. Se forman puentes de hidrógeno entre A y T como también entre G y C. Es conveniente que destaquemos dos aspectos relacionados con la estructura y función del ADN: Las dos cadenas constituyentes de una molécula de ADN no son idénticas sino complementarias; los apareamientos A-T y G-C se producen cuando una cadena posee adenina exactamente frente a timina de la otra y guanina frente a citosina. Las cadenas son antiparalelas, una marcha en sentido 5' 3' y la → otra en dirección 3' 5'. → Estos principios de complementariedad y antiparalelismo se aplican en todos los procesos en los cuales estas moléculas participan, como los de duplicación o replicación, transcripción y traducción, procesos que estudiarás más adelante. 13 La estructura primaria de las cadenas de ADN, es decir el ordenamiento o secuencia de nucleótidos, es un aspecto de gran importancia en el estudio de ADN. Dadas las enormes dimensiones de la molécula, frecuentemente constituida por cientos de miles a millones de unidades, las posibilidades de formar ordenamientos diferentes con las cuatro bases A, T, G y C son extremadamente grandes. La información genética está precisamente contenida en la molécula de ADN "cifrada" o "codificada" en su secuencia de bases. Como verás más adelante, el ordenamiento de nucleótidos en un trozo de ADN correspondientes a los genes que codifican proteínas, indica la secuencia con la cual habrán de disponerse los aminoácidos para construir la proteína correspondiente. La secuencia de nucleótidos se suele indicar en forma abreviada con las iniciales de las bases constituyentes, por ejemplo, ATGCAAT... Así como en las cadenas polipeptídicas los aminoácidos se nombran en el sentido que va desde el extremo N-terminal al C-terminal, en los polinucleótidos las unidades se mencionan comenzando desde el extremo 5'. Para aplicar esta información te proponemos que realicés este ejercicio: Sabiendo que la secuencia de un segmento de DNA es AATGCAC, ¿Cuál será la secuencia de su cadena complementaria? (Tené en cuenta lo que se explicó sobre cómo se menciona el orden de los nucleótidos). 14 Desnaturalización y renaturalización del ADN Como dijimos, la doble hélice se mantiene por las uniones puente de hidrógeno entre pares de bases y por interacciones de las bases apiladas en el interior de la molécula, que le dan una estructura compacta. Diversos agentes (calentamiento, ácalis fuertes, urea, formamida, entre otros) debilitan dichas fuerzas y promueven la separación de las cadenas. El proceso es llamado desnaturalización. Las hebras polinucleotídicas desenrolladas tienen una estructura flexible y adoptan disposición al azar. El proceso de desnaturalización de ADN es reversible en condiciones controladas de pH y concentración iónica. Si se disminuye lentamente la temperatura en la solución donde el ADN se había desenrollado completamente, se produce la reasociación de las cadenas y se restablece la estructura original de doble hélice. Este proceso de renaturalización por enfriamiento lento se llama templado del ADN. Al encontrarse cadenas complementarias, reconstituyen la doble hélice. ADN circular , En las bacterias, los cloroplastos y las mitocondrias (una de las organelas de las células), la doble hélice del ADN no tiene extremos libres sino que la molécula se cierra sobre sí misma formando un círculo. En las mitocondrias humanas el ADN circular está constituido por 16 569 pares de bases, cuya secuencia contiene información para la síntesis de ARN y de algunas proteínas propias de la organela. Molécula circular de ADN. La molécula se cierra sobre sí misma formando un círculo. 15 Genoma , Otro concepto que debemos definir es el de genoma. Todos los individuos de una especie tienen la misma cantidad de ADN en cada una de sus células. En organismos dipoloides con reproducción sexual, las células somáticas contienen el doble del existente en células gaméticas (haploides). La totalidad de ADN en cada célula es denominado genoma; éste representa el "capital genético caracterís- tico del individuo. Si bien el tamaño del genoma guarda relación con la complejidad del organismo, dicha relación no es simple. En las células eucariotas, el material genético está distribuido en unidades denominadas cromosomas. El conjunto de cromosomas presentes en organismos de la misma especie posee un número cromosómico y una apariencia característicos. Cada uno de los cromosomas de una célula eucariota contiene una única molécula de ADN muy larga. Además, cada cromosoma eucariótico contiene un conjunto característico de genes. Muchos animales y plantas son diploides, es decir, contienen dos juegos completos de cromosomas, agrupados por parejas. El número de cromosomas del conjunto genómico básico se denomina número haploide y se designa como n. El genoma de una célula haploide humana (espermatozoide u óvulo) está distribuido en 23 cromosomas, 22 autosómicos y 1 sexual (X o Y) y comprende 3000 millones de pares de bases. Las células diploides contienen un total de 46 cromosomas; cada uno de los 22 cromosomas autosómicos tienen un homólogo. La molécula de ADN de cromosomas homólogos son similares, pero no necesariamente idénticas. Un cromosoma de cada par procede del padre y el otro de la madre. Cada célula diploide tiene además 2 cromosomas sexuales; en la mujer 2 X y en el hombre, 1 X y 1 Y. En esta unidad sólo veremos estos conceptos. En otras fichas que verás más adelante se desarrollará el tema genoma con mayor profundidad. 16 ÁCIDO RIBONUCLEICO (ARN) El ácido ribonucleico es también un polinucleótido cuyas principales diferencias estructurales con el ADN son: a) El azúcar presente es D-ribosa en lugar de D-2-desoxirribosa. b) En el ácido ribonucleico no existe la base pirimídica timina; en cambio, se encuentra el uracilo. Las bases restantes son las mismas que en el ADN (adenina, guanina y citosina). c) La molécula de ARN está formada por una cadena polinucleotídica, no dos como en el ADN. Sin embargo, es común que la cadena de ARN se doble en horquilla y se enrolle sobre sí misma generando trozos que imitan la doble hélice de cadenas antiparalelas, siempre y cuando existan segmentos complementarios. Extremo 3' Esquema de la formación de una horquilla en un segmento de ARN: La molécula de ARN se dobla y se produce un emparejamiento de bases intraca- tenario. Solo están representadas las bases nitrogenadas. Extremo 5' Si bien la constitución química del ARN no difiere mucho de la de ADN, existe gran disparidad en cuanto a propiedades funcionales. La molécula de ARN tiene mayor flexibilidad conformacional y capacidad para ejercer diversas funciones. Como la molécula posee sólo una cadena, no es requisito que se cumplan las relaciones molares entre purinas y pirimidinas observadas en ADN. La cantidad de guaninas no es necesariamente igual a la de citocinas, ni la de adeninas a la de uracilos. En las células existen varios tipos de ácidos ribonucleicos: mensajero (ARNm), ribosómico (ARNr), de transferencia (ARNt), ARN nuclear pequeño y micro ARN entre otros. 17 Ácido ribonucleico mensajero (ARNm) El ácido ribonucleico mensajero es el menos abundante de los ARN, representa aproximadamente entre el 5 al 10 % del total del ARN de la célula y se lo encuentra distribuido tanto en el núcleo como en el citoplasma. Su papel fisiológico es transmitir información genética desde ADN nuclear hacia el sistema de síntesis de proteínas en el citoplasma y servir de guía para el ensamble de los aminoácidos en el orden correcto, por lo que su composición y masa molecular dependerá del mensaje que lleve, el cual es muy variado. El ARNm nuclear es muy heterogéneo y alcanza gran tamaño, su masa puede ser a veces mayor a 106 Da. En los organismos eucariotas, el ARNm sintetizado en el núcleo a partir del código genético del ADN (mecanismo llamado transcripción) inicialmente es una molécula de gran tamaño llamada ARNm naciente, pre-ARNm, ARNm primario o transcripto primario. Este transcripto primario debe convertirse en un ARNm "maduro", que en definitiva éste es el que será "traducido" a una molécula proteica mediante un proceso llamado traducción. Entonces, el transcripto primario debe sufrir una serie de modificaciones con el fin de incrementar su estabilidad e impedir su degradación. Estas modificaciones post-transcripcionales son: Adición del cap: en el extremo 5' del pre-ARNm se añade un nucleótido modificado (7-metil-guanosina trifosfato) que hace la función de caperuza, casquete o capuchón (cap en inglés) de la molécula. Este nucleósido trifosfato contribuye a la estabilidad del ARNm protegiendo al extremo 5' de la acción de enzimas hidrolíticas. También, este cap sirve como marcador para el reconocimiento del ARNm por parte del sistema de síntesis de proteínas. Poliadenilación: El extremo 3' terminal fija un polímero constituido por 100 a 250 unidades de ácido adenílico o AMP, al cual se lo llama "cola" de poli-A. Esta "cola" de poli-A otorga también estabilidad al ARNm. 18 Splicing: Una vez modificados sus extremos, o incluso de forma simultánea, el ARNm seguirá su proceso de maduración en el núcleo, mediante un proceso denominado splicing. Los transcriptos primarios contienen porciones de secuencias intermedias llamadas intrones, que no codifican proteínas. Estos intrones se encuentran intercalados entre secuencias codificantes llamadas exones. Durante el splicing se escinden (cortan) y retiran los intrones dejando únicamente los exones unidos. Este proceso no es aleatorio sino que organiza el producto final de acuerdo a la información que desea enviar fuera de la célula. Este ARN sin intrones, con el cap en el extremo 5' y la cola de poli-A en el 3' es el ARN que será exportado al citoplasma como RNAm maduro el cual se traducirá a una determinada proteína. La secuencia de bases púricas y pirimídicas del ARNm maduro provee las directivas para el ordenamiento de aminoácidos. Cada aminoácido es codificado por un conjunto de tres bases consecutivas, denominado codón. Los codones, presentes en el ARNm, están todos consecutivos en el ARNm maduro, como resultado del splicing. Aproximadamente 20 % del ARNm naciente es utilizado para formar ARNm maduro y el resto es degradado, por lo que la longitud final del ARNm maduro es menor a la de su precursor. Procesos de transcripción y traducción. En el flujo de la información genética, el ADN se transcribe a ARN y el ARN se traduce en la síntesis de una proteína. 5' cap cola 3' poli-A grupo metilo ARNm con los extremos 3' y 5' modificados. Los ARNm son modificados en ambos extremos. 19  Proceso de splicing. La maduración del ARN culmina con el proceso de splicing, mediante el cual se cortan los intrones y se empalman los exones. El llamado ARN nuclear heterogéneo (ARNnh) incluye las grandes moléculas precursoras de ARN mensajero (ARNm primario), las intermediarias del splicing y las de los productos finales del procesamiento (los ARN maduros), de longitud mucho menor que la del precursor. El ARNnh se asocia a proteínas para formar ribonucleoproteínas nucleares heterogéneas (RNPnh). El ARNm es el más lábil de los ácidos ribonucleicos, su vida media en células de mamíferos es de unas 6 horas y en bacterias aún más corta. ¡Dato curioso! Si se mezclan en condiciones (desnaturalizado) adecuadas ADN desnaturalizado (sin formar la doble hélice) y el ARN, pueden producirse asociaciones en doble hélice si existen en las cadenas secuencias complementarias. Se produciría hibridación ADN- ARN, con apareamientos G-C, A-U y T-A. 20 Ácido ribonucleico de transferencia (ARNt) Este tipo de ARN, también llamado soluble, es el de menor tamaño molecular; su masa es de unos 25 kDa y su cadena contiene alrededor de 75 nucleótidos. El ARNt tiene una participación activa en la síntesis de proteínas transportando los aminoácidos libres del citosol hasta el lugar de ensamble de la proteína (ribosoma). Actúa como molécula "adaptadora", que asegura la ubicación correcta de cada aminoácido en el sitio correspondiente. En cada célula existen distintas especies de ARNt, específicos para cada uno de los veinte aminoácidos. En estas moléculas es frecuente la presencia de nucleótidos distintos de A, U, G y C, como: dihidrouridina, pseudouridina, inosina y derivados metilados o dimetilados de A, U, G y C. La molécula de ARNt se asemeja, en su disposición general, a una hoja trilobulada (estructura hoja de trébol), debido a la presencia de segmentos complementarios que se aparean antiparalelamente, enfrentándose en cuatro zonas de doble hélice dentro de su cadena polinucleotídica. En estas zonas se establecen puentes de hidrógeno intracatenarios y se forman pares de bases complementarias (A-U y G- C). Existen también porciones desplegadas de la cadena; son los lóbulos o "asas" de la molécula, de los cuales, el asa central contiene un grupo de tres bases denominado anticodón, responsable de la especificidad de aminoácido y de la función de adaptador que cumple este ARN. ¿Recordás que en el ARNm se encuentran los codones? Si bien, más adelante aprenderás con detalles la síntesis proteica, es importante que conozcas la existencia de los codones y los anticodones. Cada codón, que codifica para un determinado aminoácido, tiene su anticodón complementario en un ARNt que transporta el aminoácido correspondiente. Durante el proceso de traducción se produce el apareamiento específico y sucesivo entre los codones del ARNm y su respectivo anticodón presente en un ARNt; ésto es lo que permite que la cadena polipeptídica se forme con los aminoácidos que corresponden y en el lugar preciso en la cadena proteica. 21 El conjunto de esta "hoja de trébol" posee un tallo (uno de los segmentos en doble hélice), en cuyo extremo se encuentran los terminales 5' y 3' de la molécula. En el extremo 5' existe un resto guanosina (G) o citidina (C) y en el 3', todos los ARNt presentan la secuencia CCA para los tres últimos nucleótidos. El aminoácido se une por enlace tipo éster entre el carboxilo del aminoácido y el -OH de carbono 3' (o 2') de ribosa en la última adenosina. Debido a esta función de fijar el aminoácido, el tallo es llamado "brazo aceptor". Hay también un brazo extra como lóbulo adicional, cuya extensión varía en distintos ARNt. Sitio de unión Representación esquemática de del aminoácido una molécula de ARNt. Se muestran las tres asas o lóbulos y los cuatro trozos de doble hélice, en los cuales hay apareamiento de la cadena. El extremo 3' posee la secuencia CCA; a este extremos se une el aminoácido transportado por el ARNt. Lóbulo adicional Anticodón Mediante otros estudios se demostró que, en realidad, la molécula de ARNt tiene, en conjunto, forma de L donde el sitio aceptor del aminoácido está en uno de los extremos de la L y en el otro, el asa anticodón. Si bien esta estructura es más fidedigna, el esquema trilobular sigue siendo útil para representar la molécula. 22 Ácido ribonucleico ribosomal (ARNr) Es la especie más abundante ya que constituye aproximadamente 80 % del ARN contenido en la célula. Es el componente principal de los ribosomas (pequeños gránulos localizados en el citoplasma en forma libre o unidos al retículo endoplasmático rugoso). Aproximadamente el 65 % de la masa del ribosoma corresponde a ARNr; el resto a proteínas. Las moléculas de ARNr suelen ser muy grandes y desempeñan un papel tanto funcional (catalítico) como estructural en la síntesis proteica. ¿Recordás el concepto de proteínas conjugadas? Si retomamos ese concepto, el ARNr es el núcleo prostético de nucleoproteínas componentes de los ribosomas. Tanto en los organismos procariotas como en las eucariotas, un ribosoma consta de dos subunidades, una mayor que la otra. Para la separación de los componentes de los ribosomas, ARN y proteínas, se utiliza una técnica denominada ultracentrifugación analítica. El movimiento de una partícula en esta técnica se caracteriza por un coeficiente de sedimentación expresado en unidades Svedberg (S). En base a esta técnica, los ribosomas de organismos eucariotas tienen un coeficiente de sedimentación de 80 S y las subunidades mayor y menor son 60 S y 40 S, respectivamente. Estas subunidades presentan las siguientes características: subunidad mayor: integrada por 3 moléculas de ARN (de 28 S; 5,8 S y 5 S) y alrededor de 49 proteínas diferentes. Su coeficiente de sedimentación es 60 S. subunidad menor: tiene solo una molécula de ARN (de 18 S) y unas 33 proteínas. Su coeficiente de sedimentación es 40 S. Como podés ver, los valores de los coeficientes de sedimentación no son aditivos porque S depende no sólo del tamaño, sino también de la forma. A pesar de que en un ribosoma hay muchas más moléculas de proteínas que de ARN, como las de ARN son de mayor tamaño, éste representa más de dos tercios de la masa total del ribosoma. 23 Las moléculas de ARNr presentan plegamientos y numerosos segmentos en doble hélice. Al microscopio electrónico es posible detectar conjuntos formados por varios ribosomas unidos a una hebra de ARNm como cuentas de un rosario. Estos conjuntos son denominados polisomas, y en ellos se produce el proceso de traducción. Subunidad mayor 60 S Subunidad menor 40 S Ribosoma eucariota 80 S. Está conformado por la subunidad o partícula menor (40 S) y la subunidad o partícula mayor (60 S). Subunidad mayor 60 S Cadena polipeptídica Subunidad menor 40 S Representación de un polisoma. Los ribosomas se unen a una hebra de ARNm. En esta estructura se realiza la síntesis de proteínas. 24  NUCLEÓTIDOS LIBRES Con el fin de ir cerrando este tema, vamos a mencionar algunas otras sustancias nucleotídicas, con funciones muy importantes en el organismo pero no son constituyentes de los ácidos nucleicos. A estas sustancias se las puede encontrar libres o integradas a moléculas de tamaño relativamente pequeño. En esta categoría se encuentran nucleósidos difosforados y trifosforados, derivados de los ribonucleótidos ya vistos, que por adición de uno o dos restos de ácido fosfórico, dan origen a estas estructuras muy mencionadas en bioquímica. Entre ellos vamos a describir a los siguientes: Adenosina trifosfato o ATP: Es el nucleótido libre más abundante en el organismo y el más importante mediador en reacciones de transferencia de grupos fosforilo acompañadas por notables cambios de energía. La hidrólisis de los enlaces entre el segundo ( β ) y tercer fosfato ( γ ) y entre el primero ( α ) y segundo, se produce con liberación de energía, razón por la cual se dice que el ATP es un compuesto "rico en energía". Al hidrolizarse la unión entre el segundo y tercer fosfato, el ATP se convierte en adenosina difosfato (ADP) y si, a su vez, éste pierde otro resto fosforilo, se obtiene adenosina monofosfato (AMP). Enlaces de alta energía - - - - γ ß α Adenosina monofosfato (AMP) Adenosina difosfato (ADP) Adenosina trifosfato (ATP) Adenosina trifosfato (ATP) 25  Guanosina trifosfato (GTP): Es otro nucleótido que participa en procesos muy importantes. Como el ATP, participa en reacciones de transferencia de grupos fosforilos. CTP y UTP: Tambien son nucleótidos que intervienen en reacciones de transferencia de grupo fosforilo. Tanto los ribonucleótidos como desoxirribonucleótidos trifosforados son compuestos básicos necesarios para la síntesis de ARN y ADN respectivamente. En el organismo, nucleósidos mono y difosforados son convertidos en trifosforados por procesos de captación de la energía liberada durante la oxidación de combustibles ingresados con los alimentos (proceso llamado fosforilación oxidativa) o por transferencia de energía a partir de intermediarios metabólicos ricos en ella (proceso llamado fosforilación a nivel de sustrato). Entre los nucleósidos difosforados hay varios que participan en reacciones de transferencia de moléculas utilizadas en procesos de síntesis o conjugación, por ejemplo: uridina difosfatoglucosa (UDP Glc), uridina difosfatogalactosa (UDP Gal) y uridina difosfatoglucu- rónico (UDP Glu). Otros nucleótidos integran factores indispensables para la acción de enzimas. Estos factores, llamados coenzimas, a menudo presentan estructura nucleotídica. AMP cíclico: Por último, algunos nucleótidos sirven como intermediarios en sistemas de transmisión de señales, por ejemplo, el AMP-3', 5'-cíclico, así llamado porque el fosfato forma un ciclo entre carbonos 3' y 5' de la ribosa. Este compuesto se forma en el organismo a partir de ATP por acción de adenilato ciclasa, enzima regulada por distintas hormonas. El AMP cíclico es un mensajero químico, intermediario de esas hormonas. GMP cíclico: El guanosina monofosfato-3',5'-cíclico es otro importante nucleótido que actúa como mensajero intracelular. 26  5' 1' Estructura del AMP cíclico. el 3' fosfato forma un ciclo entre carbonos 3' y 5' de la ribosa. A modo de repaso de los ácidos nucleicos, mirá la siguiente imagen: Diferencias estructurales entre el ADN y el ARN. La imagen resume todas las características de ambos ácidos nucleicos, y permite destacar las principales diferencias. 27 Antes de terminar este tema de los ácidos nucleicos, mirá este video sobre el verdadero papel que cumplió Rosalind Franklin en el descubrimiento de la estructura del ADN ¡Llegamos al final de esta ficha! Completamos el estudio de las cuatro biomoléculas más importantes del organismo. Su aprendizaje te va a facilitar comprender todas las reacciones metabólicas que ocurren en nuestro organismo, las cuales estudiarás más adelante en otros espacios curriculares. 28  BIBLIOGRAFÍA Blanco A, Blanco G. Química Biológica. 10° edición. Argentina. El Ateneo. 2017. Feduchi Canosa E, Romero Magdalena C, Yáñez Conde E, García- Hoz Jiménez C. Bioquímica. Conceptos esenciales. 3° edición. España. Editorial Médica Panamerica. 2021. Voet D, Voet J, Pratt C W. Fundamentos de Bioquímica. La vida a nivel molecular. 2° edición. España. Editorial Médica Panamericana. 2006. Wade L G Jr. Química Orgánica. Volumen 2. 7° edición. México. Pearson. 2011. 29 Universidad Nacional de Tucumán Facultad de Medicina INTRODUCCIÓN A LA MEDICINA