Composición química y estructura de los ácidos nucleicos

ÁCIDOS NUCLEICOS

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INTRODUCCIÓN

Todas las células contienen la información necesaria para realizar distintas reacciones químicas mediante las cuales las células crecen, obtienen energía y sintetizan sus componentes. Está información está almacenada en el material genético, el cual puede copiarse con exactitud para transmitir dicha información a las células hijas. Sin embargo estas instrucciones pueden ser modificadas levemente, es por eso que hay variaciones individuales y un individuo no es exactamente igual a otro de su misma especie (distinto color de ojos, piel, etc.). De este modo, podemos decir que el material genético es lo suficientemente maleable como para hacer posible la evolución.

La información genética o genoma, está contenida en unas moléculas llamadas ácidos nucleicos. Existen dos tipos de ácidos nucleicos: ADN y ARN. El ADN guarda la información genética en todos los organismos celulares, el ARN es necesario para que se exprese la información contenida en el ADN; en los virus podemos encontrar tanto ADN como ARN conteniendo la información (uno u otro nunca ambos).

COMPOSICIÓN QUÍMICA Y ESTRUCTURA DE LOS ÁCIDOS NUCLEICOS

Los ácidos nucleicos resultan de la polimerización de monómeros complejos denominados nucleótidos.

Un nucleótido está formado por la unión de un grupo fosfato al carbono 5’ de una pentosa. A su vez la pentosa lleva unida al carbono 1’ una base nitrogenada.

Fig. 2.36 - Estructura del nucleotido monofosfato de adenosina (AMP)

Las bases nitrogenadas son moléculas cíclicas y en la composición de dichos anillos participa, además del carbono, el nitrógeno. Estos compuestos pueden estar formados por uno o dos anillos. Aquellas bases formadas por dos anillos se denominan bases púricas (derivadas de la purina). Dentro de este grupo encontramos: Adenina (A), y Guanina (G).

Si poseen un solo ciclo, se denominan bases pirimidínicas (derivadas de la pirimidina), como por ejemplo la Timina (T), Citosina (C), Uracilo (U).

Estos derivados de la purina y la pirimidina son las bases que se encuentran con mayor frecuencia en los ácidos nucleicos.

Fig. 2.37- Bases púricas y pirimídicas

Fig. 2.38 - Bases menos frecuentes

Existen otras bases nitrogenadas que son menos frecuentes, algunas de ellas están metiladas. En eucariontes estas bases metiladas participan del control de la expresión genética.

Nucleótidos de importancia biológica

ATP (adenosin trifosfato): Es el portador primario de energía de la célula. Esta molécula tiene un papel clave para el metabolismo de la energía. La mayoría de las reacciones metabólicas que requieren energía están acopladas a la hidrólisis de ATP.

Fig. 2.39 - ATP (Adenosin trifosfato)

Fig. 2.40 - Estructura del AMPC

Este nucleótido posee tres grupos fosfatos unidos entre sí. Estos grupos fosfatos dado el pH celular se encuentran desprotonados, de manera que poseen cargas negativas. Como estas cargas están muy cerca se repelen fuertemente. Para mantenerlos juntos, se establecen uniones de alta energía entre los fosfatos, por lo tanto, cuando la molécula se hidroliza la energía se libera. Del mismo modo para sintetizar una molécula de ATP se requiere energía.

AMP cíclico: Es una de las moléculas encargadas de transmitir una señal química que llega a la superficie celular al interior de la célula. segundo mensajero)

NAD+ y NADP+: (nicotinamida adenina dinucleótido y nicotinamida adenina dinucleótido fosfato). Son coenzimas que intervienen en las reacciones de oxido-reducción, son moléculas que transportan electrones y protones. Intervienen en procesos como la respiración y la fotosíntesis.

Fig. 2.41 - Estructura del NAD+, La nicotinamida acepta hidrogeniones, proceso denominado reducción

FAD+: También es un transportador de electrones y protones. Interviene en la respiración celular.

Coenzima A: Es una molécula que transporta grupos acetilos, interviene en la respiración celular, en la síntesis de ácidos grasos y otros procesos metabólicos.

POLINUCLEÓTIDOS

Existen dos clases de nucleótidos, los ribonucleótidos en cuya composición encontramos la pentosa ribosa y losdesoxirribonucleótidos, en donde participa la desoxirribosa.

Los nucleótidos pueden unirse entre sí, mediante enlaces covalentes, para formar polímeros, es decir los ácidos nucleicos, el ADN y el ARN.

Dichas uniones covalentes se denominan uniones fosfodiéster. El grupo fosfato de un nucleótido se une con el hidroxilo del carbono 5’ de otro nucleótido, de este modo en la cadena quedan dos extremos libres, de un lado el carbono 5’ de la pentosa unido al fosfato y del otro el carbono 3’ de la pentosa.

Fig. 2.42 - Estructura de un polirribonucleótido

ADN – ÁCIDO DESOXIRRIBONUCLEICO

Los ácidos nucleicos fueron aislados por primera vez en 1869, sin embargo no fue hasta mucho después que se conoció su función. A principio de siglo los científicos que querían explicar como se transmitía y se almacenaba la información genética se enfrentaron a un problema, era el ADN o las proteínas de los cromosomas los que portaban la información genética.

Se sabía que el ADN constaba de solo cuatro tipo de monómeros, frente a los 20 aminoácidos que se encuentran formando parte de las proteínas, de manera que se pensaba que era demasiado sencillo como para guardar la información, por lo cual se le asignaba una función estructural.

La evidencia que ha servido para esclarecer la función del ADN, ha procedido, por un lado, del hecho que la cantidad de ADN de una especie es constante, sin importar la edad, sexo, factores nutricionales o ambientales.

Por otra parte, la cantidad de ADN tiene mayoritariamente una relación directa con la complejidad del organismo, así como también se observa que las gametas de los individuos con reproducción sexual poseen solo la mitad del ADN que posee cualquier de sus células somáticas.

Sin embargo esto por si solo no confirmó la función del ADN. Por ello se llevaron a cabo una serie de experimentos que lo demostraron en forma concluyente.

En 1928, Griffith experimentó con distintas cepas de bacterias, una de ellas era la forma llamada lisa (L), rodeada de una cápsula de polisacáridos y causante de neumonía en los ratones. En contraste las cepas rugosas, no contenía el polisacárido y no era virulenta.

Griffith experimentó con ratones. A unos inyectándoles cepas lisas muertas por calor, a otras cepas rugosas vivas y a otros una mezcla de cepa R viva con cepa L muertas por calor, en este último caso los ratones morían de neumonía, es decir que las células rugosas se habían transformado en cepas virulentas. En 1944 se demostró que ese principio transformador era el ADN y no las proteínas.

Fig. 2.43 - Experimento de Griffith

Otra serie de experimentos realizados en 1952 por Hershey y Chase, demostraron en forma indiscutible que el ADN es el material genético. Trabajaron con virus llamados bacteriofagos; los bacteriofagos, están formados por ADN y proteínas, las proteínas forman una cubierta y en su interior se aloja el ADN. Se cultivaron virus en un medio que contenía fósforo radiactivo, de manera que al sintetizar su ADN, la molécula quedaba marcada radiactivamente. Otros virus se hicieron crecer en medio con azufre radiactivo, quedando marcadas radiactivamente las proteínas. Los virus tienen un mecanismo de acción muy particular, ya que no ingresan a la célula que infectan sino que solo inyectan su material genético. Luego se pusieron en contacto los virus que poseían las proteínas radiactivas con un cultivo de bacterias y lo mismo se hizo con los virus que tenían el ADN marcado.

Fig. 2.44 - Experimento de Hershey y Chase

Si la información genética estaba contenida en el ADN la marca radiactiva debía estar en el interior de las bacterias de este último grupo, por el contrario si eran las proteínas las que cumplían dicha función la marca radiactiva estaría adentro de las bacterias del primer grupo. El resultado del experimento confirmó que el ADN era la molécula que buscaban, ya que se encontraba la marca radioactiva en el interior de las bacterias que se pusieron en contacto con ADN marcado.

Una vez establecida su función faltaba determinar su estructura, como era posible que esa estructura repetitiva almacenara las distintas instrucciones.

En 1953 Watson y Crick propusieron el modelo de doble hélice, para esto se valieron de los patrones obtenidos por difracción de rayos X de fibras de ADN, y de los postulados enunciados por Chargaff que estableció que la cantidad de adenina de una molécula de ADN era igual a la cantidad de timina de la misma molécula y que la cantidad de guanina era igual a la cantidad de citosina, es decir que el contenido de purinas era igual al de pirimidinas.

Fig. 2.45 - Pares de bases del ADN: La formación específica de enlaces de hidrógeno entre G y C y entre A y T genera los pares de bases complementarias

El modelo de la doble hélice establece que las bases nitrogenadas de las cadenas se enfrentan y establecen entre ellas uniones del tipo puente de hidrógeno. Este enfrentamiento se realiza siempre entre una base púrica con una pirimídica, lo que permite el mantenimiento de la distancia entre las dos hebras. La Adenina se une con la timina formando dos puentes de hidrógeno y la citosina con la guanina a través de tres puentes de hidrógeno. Las hebras son antiparalelas,

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