21.9: Ácidos Nucleicos

Los ácidos nucleicos son las macromoléculas más importantes para la continuidad de la vida. Contienen el modelo genético de la célula y llevan instrucciones para su funcionamiento.

ADN y ARN

Los dos tipos principales de ácidos nucleicos son el ácido desoxirribonucleico (ADN) y el ácido ribonucleico (ARN). El ADN es el material genético en todos los organismos vivos, desde las bacterias unicelulares hasta los mamíferos pluricelulares. Está en el núcleo de los eucariotas y en los organelos, cloroplastos y mitocondrias. En los procariotas, el ADN no está encerrado en una envoltura membranosa.

Todo el contenido genético de la célula es su genoma, y el estudio de los genomas es la genómica. En las células eucariotas pero no en las procariotas, el ADN forma un complejo con proteínas histonas para formar cromatina, la sustancia de los cromosomas eucarióticos. Un cromosoma puede contener decenas de miles de genes. Muchos genes contienen la información para producir proteínas. Otros genes codifican para productos de ARN. El ADN controla todas las actividades celulares activando o desactivando los genes.

El otro tipo de ácido nucleico, el ARN, está implicado principalmente en la síntesis de proteínas. Las moléculas de ADN nunca salen del núcleo, sino que utilizan un intermediario para comunicarse con el resto de la célula. Este intermediario es el ARN mensajero (ARNm). Otros tipos de ARN—como el ARNr, el ARNt y el microARN— estan compuestos por monómeros llamados nucleótidos. Tres componentes comprenden cada nucleótido: Una base nitrogenada, un azúcar pentosa (de cinco carbonos) y un grupo fosfato. Cada base nitrogenada en un nucleótido se une a una molécula de azúcar, que se une a uno o más grupos fosfato. Las bases nitrogenadas, componentes importantes de los nucleótidos, son moléculas orgánicas y se denominan así porque contienen carbono y nitrógeno. Son bases porque contienen un grupo amino que tiene el potencial de unirse a un hidrógeno adicional, y así disminuir la concentración de iones hidrógeno en su entorno, haciéndolo más básico. 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 se clasifican como purinas. La estructura primaria de la purina consiste en dos anillos de carbono-nitrógeno. La citosina, la timina y el uracilo se clasifican como pirimidinas que tienen un solo anillo de carbono-nitrógeno como estructura primaria. Cada uno de estos anillos básicos de carbono-nitrógeno tiene diferentes grupos funcionales unidos a él. En biología molecular, conocemos las bases nitrogenadas por sus símbolos A, T, G, C y U. El ADN contiene A, T, G y C, mientras que, El ARN contiene A, U, G y C.

El azúcar pentosa en el ADN es la desoxirribosa, y en el ARN, el azúcar es la ribosa. La diferencia entre los azúcares es la presencia del grupo hidroxilo en el segundo carbono de la ribosa y el hidrógeno en el segundo carbono de la desoxirribosa. El residuo fosfato se une al grupo hidroxilo del carbono 5′ de un azúcar y al grupo hidroxilo del carbono 3′ del azúcar del siguiente nucleótido, que forma un enlace fosfodiéster de 5′–3′.

Estructura de doble hélice de ADN

El ADN tiene una estructura de doble hélice. El azúcar y el fosfato se encuentran en el exterior de la hélice, formando la columna vertebral del ADN. Las bases nitrogenadas se apilan en el interior, como un par de escaleras. Los puentes de hidrógeno unen los pares entre sí. Cada par de bases de la doble hélice está separado del siguiente par de bases por 0,34 nm. Las dos hebras de la hélice se dirigen en direcciones opuestas, lo que significa que el extremo 5′ de carbono de una hebra estará frente al extremo 3′ de carbono de su hebra complementaria. Sólo se permiten ciertos tipos de emparejamiento de base: A puede emparejarse con T y G con C. Esta es la regla de base complementaria. En otras palabras, las cadenas de ADN son complementarias entre sí.

ARN

El ácido ribonucleico, o ARN, está implicado principalmente en el proceso de síntesis proteica bajo la dirección del ADN. El ARN suele ser monocatenario y consiste en ribonucleótidos que están unidos por enlaces fosfodiéster.

Existen cuatro tipos principales de ARN: ARN mensajero (ARNm), ARN ribosomal (ARNr), ARN de transferencia (ARNt) y microARN (mARN). El primero, el ARNm, lleva el mensaje del ADN, que controla todas las actividades celulares en una célula. Si una célula requiere una determinada proteína, el gen se activa y el ARN mensajero se sintetiza en el núcleo. La secuencia de base de ARN es complementaria a la secuencia de codificación del ADN de la que se ha copiado. En el citoplasma, el ARNm interactúa con los ribosomas y otros organelos celulares.

El ARNm se lee en grupos de tres bases, conocidos como codones. Cada codón codifica un solo aminoácido. De esta manera, se lee el ARNm y se fabrica el producto proteico. El ARN ribosomal (ARNr) es un componente importante de los ribosomas en los que se une el ARNm. El ARNr asegura el alineamiento apropiado del ARNm y los ribosomas. El ARNr del ribosoma también tiene una actividad enzimática (peptidil transferasa) y cataliza la formación de enlaces peptídicos entre dos aminoácidos alineados. El ARN de transferencia (ARNt) es uno de los cuatro tipos más pequeños de ARN, generalmente de 70 a 90 nucleótidos de largo. Lleva el aminoácido correcto al sitio de síntesis proteica. Es el emparejamiento de base entre el ARNt y el ARNm que le permite al aminoácido correcto insertarse a sí mismo en la cadena polipéptidica. Los microARN son las moléculas de ARN más pequeñas, y su papel implica regular la expresión génica al interferir con la expresión de ciertos mensajes de ARNm.

Aunque el ARN es monocatenario, la mayoría de los tipos de ARN muestran una extensa combinación de bases intramoleculares entre secuencias complementarias, creando una estructura tridimensional predecible esencial para su función.

Este texto es adaptado de Openstax, Biología 2e, Capítulo 3.5: Ácidos Nucleicos.

Los ácidos nucleicos son polímeros de nucleótidos, moléculas compuestas por un azúcar pentosa, una base que contiene nitrógeno y un grupo fosfato. Hay dos tipos de ácidos nucleicos:ácido desoxirribonucleico, ADN y ácido ribonucleico, ARN. Sus estructuras químicas difieren según el azúcar pentosa y las bases nitrogenadas que contienen.

El azúcar pentosa en el ARN es la ribosa, que tiene un grupo hidroxilo unido al carbono-2. El azúcar en el ADN es la desoxirribosa, que solo tiene un átomo de hidrógeno pero no tiene oxígeno en el carbono-2. La base nitrogenada se une al carbono-1 y el fosfato al carbono-5.

Tanto el ARN como el ADN contienen las bases adenina, citosina y guanina;pero el ADN tiene timina, mientras que el ARN tiene uracilo. En el ADN y el ARN, la guanina y la citosina forman pares de bases complementarios, unidos por tres enlaces de hidrógeno. La adenina y la timina forman pares de bases en el ADN, mientras que la adenina y el uracilo se emparejan en el ARN, ambos unidos por dos enlaces de hidrógeno.

Varias enzimas polimerasas de ADN o ARN catalizan la polimerización de nucleótidos. Se forma un enlace fosfodiéster entre un grupo hidroxilo unido al carbono-3 y el grupo fosfato unido al carbono-5 del siguiente nucleótido. Esta reacción deja un extremo 5'sin unir con un grupo fosfato libre y un extremo 3'sin unir con un grupo hidroxilo libre.

Cuando se emparejan con una hebra complementaria, las dos moléculas son antiparalelas, es decir, el extremo 5'de una hebra se empareja con el extremo de 3'de la otra. Las hebras se mantienen unidas por fuerzas intermoleculares, incluidos los efectos hidrófobos, las interacciones de van der Waals y los enlaces de hidrógeno específicos que se forman entre las bases nitrogenadas. El ADN es una doble hélice compuesta por dos cadenas de polinucleótidos enrolladas una alrededor de la otra.

Por el contrario, el ARN se encuentra a menudo como una molécula monocatenaria. Sin embargo, el ARN puede unirse a un ARN o ADN complementario. También puede exhibir apareamiento de bases complementarias intracatenarias que dan como resultado diferentes tipos de estructuras secundarias de ARN que tienen funciones distintas dentro de la célula.