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Tema 5. Ácidos nucleicos 1. Ácidos nucleicos Los ácidos nucleicos son moléculas fibrilares gigantes, no ramificadas que contienen información genética que permite a los organismos desarrollar sus ciclos biológicos. Son biopolímeros formados por monómeros llamados nucleótidos. Los nucleótidos están formados por: Una pentosa en forma cíclica B-D-Ribosa: ARN B-D-desoxiribosa: ADN Una base nitrogenada (su presencia aumenta el pH en una disolución). Tiene estructura en forma de anillo que contiene átomos de carbono y nitrógeno: Púrica (derivada de la Purina): estructura de doble anillo. Adenina(A) y Guanina(G). Pirimídica (derivada de la primidina): estructura con un solo anillo.
Citosina (C), timina(T) y uracilo(U). una molécula de ácido fosfórico (grupo fosfato). 1.1 Nucleósidos: Pentosa y una base nitrogenada unidas por enlace N-glucosídioco entre el -OH hemiacetálicos del carbono 1 de la pentosa y el hidrógeno del nitrógeno de la base, el 1 (pirimídicas) o 9 (púricas), desprendiendo una molécula de agua. AG;TC y la desoxiribosa forman desoxiribonucleósidos. A G C y U y la ribosa forman ribonucleósidos. 1.2 nucleótidos: Unión de el nucleótido con una molécula de ácido fosfórico (en forma de grupo fosfato) mediante un enlace éster con el -OH de carbono 5 de la pentosa.
Tipos de nucleótidos: Al unirse los nucleótido-5´-monofosfato a otros grupos desempeñan diferentes funciones: Unión co otros grupos fosfato: nucleótidos difosfato (ADP) y trifosfato (ATP) que transportan energía almacenada en sus enlaces (fácilmente hidrolizables) Enlace Ester con el -OH en posición 3´ que da lugar a un puente intramolecular formando el AMP cíclico (AMPc), que actúa de segundo mensajero entre las moléculas extracelular es portadoras de información (neurotransmisores, hormonas …) y el interior de la célula. Unión con el grupo fosfato de otro mononucleótido u otra sustancia: nucleótidos no nucleicos que actúan como coenzimas.
Ej: coenzimas A, FAD ( flavín adenín dinucleótido) y NAD+(nicotín adenín dinucleótido). Enlace éster con el -OH en posición 3´ de otro nucleótido que a su vez se une con otro hasta originar cadenas de polinuclótidos que forman ácidos nucleicos. 2. Ácido desoxirribonulceico ADN Las moléculas de ácido desoxirribonucleico (ADN) son biopolímeros lineales formados por la polimerización de desoxirribonucleótidos-5'-monofosfato de adenina (A), guanina (G), citosina (C) y timina (T). El ADN al estar en el medio acusó celular adopta una estructura primaria y secundaria, pero al asociarse a proteínas puede alcanzar niveles de gran complejidad estructural.
2.1 Estructura primaria del ADN La estructura primaria del aADN consiste en la formación de largas cadenas de polinucleótidos formados por desoxirribonucleótidos-5´-monofosfato. Los nucleótidos se unen mediante enlaces éster en los que el grupo fosfato en la posición 5´de un nucleótido esterifica al -OH en posición 3´del nucleótido siguiente, de manera que cadamolécula de grupo fosfato forma un puente fofodiéstr entre dos moléculas de desoxirribosa. Parte del polinucleótidos: Esqueleto de polidesoxiribosa-fosfato común a todas las clases de ADN. Cada cadena tien un extremo 5´(con el grupo fosfato libre) y 3' (-OH en el carbono 3´libre).
Diferentes bases A, G, C, T que diferencian entre las distintas clase de ADN. Por ello, se nombran indicando los extremas y la secuencia de bases. Las moléculas de ADN se caracterizan por la composición o porcentajes de las bases y su secuencia que determinan la información necesaria para sintetizar proteínas. 2.2 Estructura secundaria del ADN Es una doble hélice formada por dos cadenas de polinucleótidos enfrentadas por sus bases y unidas mediante puentes de hidrógeno. Modelo doble hélice ADN-B: el modelo de la doble hélice dextrogira (ADN-b) fue propuesto por Watson y Crik y se caracteriza por: Cadenas antiparalelas: una en dirección 5´-3´y otra 3´-5´ de manera que se enfrentan las bases.
Secuencias de bases complementarias: existe una correspondencia entre las bases de las cadenas, adenina con timina, guanina con citosina, bases púricas (+grandes) con pirimidínicas(+pequeñas). Las base se unen mediante puentes de hidrógeno dos entre A y T y tres entre G Y C. El enrollamiento es dextrógiro y plectonémico, parece como si estuvieran trenzadas. Los pares de bases están casi horizontales y el eje los atraviesa casi por el centro. 2.3 Desnaturalización del ADN. Se produce cuando aumenta la temperatura, varia el pH o las condiciones iónicas rompen los puentes de hidrógeno y se separan las cadenas. Si se desnaturaliza por temperatura se llama fusión.
Al alcanzar el punto de fusión (Tm) la agitación térmica separa las dos hebras. El punto de fusión es la temperatura al que se han desnaturalizado la mitad de las moléculas. La desnaturalización es reversible, el ADN se renaturaliza si las cadenas son complementarias o tienen tramos suficientemente largos complementarios. Hibridación: técnica de biotecnología que utiliza la reversibilidad de al desnaturalizaicón del ADN. Se utiliza en reacción en cadena de la polimerasa (PCR). Permite conocer el grado de ralción genética entre dos ADN. Permite la elaboración de sondas, fragmentos monocatenarios de secuencia conocida que se utilizan para detectar fragmentos de ADN complementarios. 3.
Otros niveles de complejidad del ADN 3.1 Empaquetamiento en procariotas: El ADN de la mayoría procariotas (y cloroplastos y mitocondrias) es una doble hélice circular (excepto en algunas bacterias). El cromosoma está asociado a un pequeño número de proteínas que junto con moléculas de ARN mentían su estructura y permiten su empaquetamiento en la región del nucleoide. El cormosoma bacterio puede plegarse como una superhélice en forma de ochos y da lugar a dominios o bucles que le permiten ocupar un espacio mínimo. El máximo grado de empaquetamiento se consigue gracias a topoenzimas, como la ADN- girasa que también participa en su descondensación durante la transcirpción y replicación.
3.2 empaquetamiento en eucariotas: El ADN se asocia a unas proteínas llamadas histonas (aunque en los espermatozoides hay protaminas). La forma compacta del ADN con histonas del núcleo de células es la cromatina que tiene diferentes niveles de organización estructural: En el núcleo interfásico: Nucleosoma y collar de perlas: la doble hélice se enrolla periódicamente alrededor de las histonas y forma estructuras llamadas nucleosomas que forman a su unidad fundamental de la cromatina. Cada nucleosoma (11nm diámetro) está formado por un octámero de histonas alrededor del cual se enrollan dos vueltas de ADN bicatenario. Los diferentes nucleosomas se unen por segmentos de ADN bicatenario.
(Collar de perlas). Fibra de 30nm o fibra cormatínica: enrollamiento del collar de persas sobre sí mismo para formar solenoides (de 6 nucleosomas aprox). Los segmentos de ADN entre nucleosomas interaccionan con histonas H1 dispuestas en el núcleo de los solenoides formando la fibra de cromatina (30 nm de diámetro). En el núcleo mitótico: En mitosis o meiosis la cromatina se empaqueta aun más. La fibra de 30 nm se pliega formado bucles o lazos radiales que se enrollan para formar rosetones de bucles (300nm), espirales de rosetones(700nm) y al final las comátidas de cada cormosoma (1400 nm).
Los bucles radiales están relacionados con transcripción ya que ciertas zonas se descondensan y se convierten en regiones ativas para la transcripción al final de la interfase y el comienzo de la mitosis o meiosis. ADN en los organismos: Lineal monocatenario: algunos virus. Lineal bicatenario: algunos virus bacteriófagos y el cromosoma de algunas bacterias, núcleo células eucariotas. Circular monocatenario: algunos virus. Circular bicatenario cromosoma desnudó y plásmidos de bacterias, algunos virus y mitocondrias y cloroplastos. 4. ARN Biopolimeros formados por ribonucleótidos-5´-monofosfato. Estructura primaria: similar l ADN formado pour unión e sfosfodiéster 5´-3 de ribonucleótidos.
Queda definida por a naturales y secuencia de las bases nitrogenadas. Diferencias ADN: Los nucleótidos poseen Ribosa. Los grupos -OH 2' quedan libres en el ARN lo que le hace menos estable. El ARN se hidroliza con mayor a facilidad El ARN contiene uracilo y no timina. Puede tener otros componentes nitrogenados como ocurre en el ARN de trasferencia. Las moléculas de ARN suelen tener sólo estructura primaria. Aunque en los retrovirus y algunas regiones de una cadena con secuencias complementarias forman estructuras secundarias (doble hélice ) y terciarias. 4.1 Clases de ARN Viríco: el ARN constituye el genoma de retrovirus.
ARN percursores: ARN primarios que se trasforman en toros tíos de ARN tras su maduración. ARN heterogéneo nucleolar (ARNhn) que se transforma en ARN mensajero tras eliminar intrones en eucariotas. ARN nucleolar; con elevado peso molecular, estructura secundaria y terciaria en algunas regiones, sintetizado en el nucleolo de eucariotas. Es precursor de ARN ribosómico (ARNr). ARN reguladores: pequeñas moléculas de ARN interferente (ARNi) que agrupan a los micro ARN (ARNmi), ARN interferentes pequeño (ARNsi) y ARN asociado a Piwi (ARNpi)participan en el contor de procesos e desarrollo y diferenciación celular a, induciendo el corte y degradción de ARNm o inhibiendo su traducción.
Tambien participan en la defensa antiviral. ARN con actividad catalítica: se comportan como enzimas y se llaman ribozimas. Intervienen en : Catálisis del enlace peptídico en ribosomas. ARN pequeños nuclecleares (ARNpn): maduración cadenas ARNm La hipótesis del mundo ARN propone que la vida surgió a parti de moléculas de ARN similares a los ribozimas que pueden autorreplicarse y catalizar reacciones. 4.2 ARNm Cadena de plinucleótidos de aspecto filamentos con estructura primaria. Conciten la informaición necesaria para la síntesis de una proteínas (las sea ácidas de bases de ARNm corresponden a secuencias determinadas de aminoácidos).
Es codificante al contrario que los demás ARN que son no codificante ya que no se traducen. En procariotas los ARNm tien en el extremo 5' un grupo trifosfato. En eucariotas: extremo 5´: caperuza compuesta por un residuo de metil-guanosina unida al grupo tifosfato Extremo 3´: cola formada por un fragmento de nucleótidos de adenina llamada cola de poli A. Exones: secuencias de base que codifican para la síntesis de proteínas. Intrones: secuencias no codifica tés que deben ser eliminadas medir ante la maduración para formar ARNm funcionales.
4.3 ARNr Moléculas de distintivos tamaños con estructuras secundaria y terciaria en algunas regiones que participan en la formación de las subunidades ribosómicas al unirse a más de 70 proteínas. En procariotas: ARNr 23 S (con actividad de ribozimas), 16 S y 5 S. En eucaritas : 28 S ( con actividad de ribozimas) , 18 S, 5,8 S y 5 S. Al existir distintos tipos la subunidades de los ribosomas poseen una estructura acanalado con sitos capaces de albergar una molécula de ARNm (en la subunidad pequeña) y los aminoácidos unidos al ARNt que participen en la síntesis de una cadena polipeptídica (subunidad grande).
4.4 ARNt Los ARNt son moléculas pequeñas (entre 80 y 100 nucleótidos), con estructuras secundaria y terciaria, encargadas del transporte de los aminoácidos hasta los ribosomas durante la síntesis de las proteínas. Los ARN de transferencia contienen, aproximadamente, un 10 % de bases procedentes de modificaciones en las cuatro bases normales (A, G, C y U), como el pseudouracilo Estructura secundaria. en algunas regiones de su molécula que contienen secuencias de bases complementarias y permiten el apareamiento y la formación de una doble hélice; las zonas que no se aparean adoptan el aspecto de bucles, como una hoja de trébol.
En la estructura secundaria se distinguen las siguientes características: Brazo aceptor. Está formado por el extremo 5' y el extremo 3' , que en todos los ARNt posee la secuencia CCA, cuyo grupo –OH terminal sirve de lugar de unión con el aminoácido. Bucle (o brazo) TΨC. Actúa como lugar de reconocimiento del ribosoma. Bucle (o brazo) D. Su secuencia es reconocida de manera específica por una de las 20 enzimas, llamadas aminoacil-ARNt-sintetasas, encargadas de unir cada aminoácido con su correspondiente molécula de ARNt. Bucle del anticodón. Está situado en el extremo del brazo largo del trébol y contiene una secuencia de tres bases llamada anticodón.
Cada ARNt «cargado» con su correspondiente aminoácido se une, mediante la región del anticodón, con tripletes de bases del ARNm (tres bases del ARNm definen un triplete o codón) en el proceso de la traducción de la información genética que conduce a la síntesis de las proteínas. Estructura terciaria. plegamiento mucho más complejo, adopta la estructura terciaria que tiene forma de L, más parecida a un bumerán.