Acidos Nucleicos

Ácidos Nucleicos

El descubrimiento, en 1869, de la sustancia que resultó ser ácido desoxirribonucleico (ADN) fue de Friedrich Miescher, joven médico suizo que trabajaba en el laboratorio de Felix Hoppe-Seyler, químico fisiólogo alemán. Miescher trató glóbulos blancos (contenidos en la pus de vendas quirúrgicas desechadas) con ácido clorhídrico para obtener núcleos para estudio. Cuando después se trataron los núcleos con ácido, se formó un precipitado que contenía carbono, hidrógeno, oxígeno y un alto porcentaje de fósforo. Miescher llamó “nucleína” al precipitado, porque provenía de núcleos. Después, cuando se vio que era fuertemente ácido, su nombre cambió a ácido nucleico. Aunque no lo supo, Miescher había descubierto el ADN. Poco después, Hoppe-Seyler aisló una sustancia parecida de las células de levadura. Hoy se sabe que esa sustancia es ácido ribonucleico (ARN). Tanto ADN como ARN son polímeros de nucleótidos, o polinucleótidos. En 1944, Oswald Avery, Colin MacLeod y Maclyn McCarty demostraron que el ADN es la molécula que contiene la información genética

Gracias a aquellos cientificos ahora se sabe que un organismo vivo contiene un conjunto de instrucciones para cada paso necesario para formar una réplica de sí mismo. Esa información reside en el material genético o genoma del organismo. Los genomas de todas las células están formados por ADN. Algunos genomas virales están formados por ARN. Un genoma puede consistir en una sola molécula de ADN, como en muchas especies de bacteria.

•  Los Acidos Nucleicos

Los ácidos nucleicos son polinucleótidos, o polímeros de nucleótidos. Como se vio en el capítulo anterior, los nucleótidos tienen tres componentes: un azúcar con cinco carbonos, uno o más grupos fosfato y un compuesto nitrogenado débilmente básico llamado base. Estos se dividen en lo siguiente:

-  Ribosa y Desoxirribosa

Estos azúcares aparecen como proyecciones de Haworth de la configuración b de las formas de anillo de furanosa. Es la configuración estable que existe en los nucleótidos y polinucleótidos. Cada uno de esos anillos de furanosa puede adoptar conformaciones diferentes, como las formas de sobre descritas en el capítulo 8. La conformación de la desoxirribosa predomina en el ADN de doble hebra.

- Purinas y pirimidinas

Las bases que se encuentran en los nucleótidos son derivados de pirimidina o de purina. 

 La pirimidina tiene un solo anillo de cuatro átomos de carbono y dos de nitrógeno. La purina tiene un sistema de anillos fundidos de pirimidina y de imidazol. Los dos tipos de bases son no saturados, con dobles enlaces conjugados. Esta propiedad hace que los anillos sean planos, y también explica su capacidad de absorber la luz ultravioleta. 

Las purinas y las pirimidinas son bases débiles relativamente insolubles en agua al pH fisiológico. Sin embargo, dentro de las células la mayor parte de bases pirimidina y purina se encuentran como constituyentes de nucleótidos y polinucleótidos, compuestos que son muy hidrosolubles. 

- Nucleosidos

Un nucleósido es una molécula monomérica orgánica que integra las macromoléculas de ácidos nucleicos que resultan de la unión covalente entre una base nitrogenada con una pentosa que puede ser ribosa o desoxirribosa. 

Se encontró que el ácido nucleico que era tratado con otro ácido, se podía desdoblar en pequeñas unidades, al igual que lo podían hacer otras grandes moléculas de los tejidos vivientes, en el caso de los ácidos nucleicos lo llamaron nucleósidos, que eran las unidades constitutivas. 

Los nucleósidos pueden combinarse con un grupo fosfórico (ácido fosfórico: H₃PO₄) mediante determinadas quinasas de la célula, produciendo nucleótidos, que son los componentes moleculares básicos del ADN y elARN.

Los nucleósidos pueden ser de dos tipos, dependiendo de la pentosa que contengan:

-  Ribonucleósidos: la pentosa es la ribosa

- Desoxirribonucleósidos: la pentosa es la 2-desoxirribosa

-  Nucleotidos

Los nucleótidos son derivados fosforilados de los nucleósidos. Los ribonucleósidos contienen tres grupos hidroxilo que se pueden fosforilar (2 , 3 y 5 ), y los desoxirribonucleósidos contienen dos de esos grupos hidroxilo (3 y 5 ). En los nucleótidos naturales, los grupos fosforilo suelen estar unidos al átomo de oxígeno del grupo 5 -hidroxilo. Por convención, siempre se supone que un nucleótido es un éster de 5 -fosfato, a menos que se indique otra cosa. Los nucleósidos monofosfato, que son derivados del ácido fosfórico, son aniónicos a pH fisiológico. Son ácidos dibásicos con valores de pKa aproximados entre 1 y 6. Los átomos de nitrógeno de los anillos heterocíclicos también se pueden ionizar. Los nucleósidos monofosfato se pueden seguir fosforilando y formar nucleósidos difosfato y nucleósidos trifosfato.

• La Doble Hebra del ADN

 - Unión de nucleótidos por enlaces de 3 ,5 fosfodiéster

La estructura primaria de una proteína se refiere a la secuencia de sus residuos de aminoácido unidos por enlaces peptídicos; en forma parecida, la estructura primaria de un ácido nucleico es la secuencia de sus residuos de nucleótido unidos por enlaces 3 ,5 -fosfodiéster. Un tetranucleótido que representa un segmento de una cadena de ADN ilustra. El esqueleto de la cadena de polinucleótidos consiste en los grupos fosforilo y los átomos de carbono 3 , 4 y 5 , y el átomo de oxígeno 3 de cada desoxirribosa. Como se ve en l, esos átomos del esqueleto están arreglados en una conformación extendida. Eso hace que el ADN de doble cadena sea una molécula larga y delgada, a diferencia de las cadenas de polipéptido que con facilidad se pueden doblar sobre sí mismas hacia atrás. Todos los residuos de nucleótido dentro de una cadena de polinucleótido pueden tener la misma orientación. Entonces, las cadenas de polinucleótido tienen direccionalidad, igual que las de polipéptido. Se dice que un extremo de una cadena lineal de polinucleótido es 5 (porque no hay residuo unido a su carbono 5 ) y que el otro es 3 (porque no hay residuo unido a su átomo de carbono 3 ). Por convención, la dirección de una hebra de ADN se define leyendo los átomos que forman el residuo de azúcar. Así, al ir de arriba abajo de la hebra, se define como 5 → 3 (“cinco prima a tres prima”) porque se cruza el residuo de azúcar encontrando los carbonos 5 , 4 y 3 en ese orden. De igual modo, al ir de abajo arriba de la hebra quiere decir moverse en la dirección 3 → 5

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Entonces, las bases G/C tienen tres puentes de hidrógeno, y los pares de bases A/T tienen dos. Esta propiedad del ADN de doble hebra explica el descubrimiento de Chargaff, de que la relación de A con T y de G con C es 1:1 para una gran variedad de moléculas de ADN. Como A en una hebra se aparea con T en la otra, y G se aparea con C, las hebras son complementarias, y una puede servir como plantilla para la otra.

La doble hélice tiene dos surcos de ancho desigual, por la forma en que se apilan los pares de bases y en que se tuercen los esqueletos de azúcar-fosfato. Esos surcos se llaman surco mayor y surco menor (figura 19.14). Dentro de cada surco, los grupos funcionales en las orillas de los pares de bases quedan expuestos al agua. Cada par de bases tiene una pauta distintiva de grupos químicos en los surcos. Como los pares de bases son accesibles en los surcos, las moléculas que interactúan con determinados pares de bases pueden identificarlos sin alterar la hélice. Esto tiene importancia particular en las proteínas que deben unirse al ADN de doble hebra y “leer” determinada secuencia. El B-ADN es una hélice derecha con 2.37 nm de diámetro. El ascenso de la hélice es la distancia entre un par de bases y el siguiente, a lo largo del eje de la hélice, y es de 0.33 nm en promedio; el paso de la hélice es la distancia para completar una vuelta, aproximadamente 3.40 nm. Esos valores varían dentro de ciertos límites que dependen de la composición en bases. Ya que hay unos 10.4 pares de bases por vuelta de la hélice, el ángulo de rotación entre nucleótidos adyacentes en cada hebra es de unos 34.6° (360/10.4).

 - Estabilización de la doble hélice por fuerzas débiles

Las fuerzas que mantienen las conformaciones nativas de las estructuras celulares complejas tienen la fuerza suficiente para mantener las estructuras, pero la debilidad suficiente para permitir que haya flexibilidad de conformación. Los enlaces covalentes entre los residuos adyacentes determinan las formas tridimensionales de esas macromoléculas. Hay cuatro clases de interacciones que afectan la conformación del ADN de doble hebra.

1. Interacciones de apilamiento Los pares de bases apilados forman contactos de van der Waals. Aunque las fuerzas entre los pares de bases individuales apilados son débiles, son aditivas, por lo que en las moléculas grandes de ADN los contactos de van der Waals son una fuente importante de estabilidad.

 2. Puentes de hidrógeno. Los puentes de hidrógeno entre pares de bases forman una importante fuerza estabilizadora

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3. Efectos hidrofóbicos. Al sepultar los anillos hidrofóbicos de purina y pirimidina en el interior de la doble hélice aumenta la estabilidad de la hélice.

4. Interacciones entre cargas. La repulsión electrostática de los grupos fosfato con carga negativa en el esqueleto es una fuente potencial de inestabilidad de la hélice de ADN. Sin embargo, la repulsión se minimiza por la presencia de cationes como y proteínas catiónicas (que contienen abundancia de los residuos básicos arginina y lisina).

Bajo condiciones fisiológicas, el ADN de doble hebra es termodinámicamente más estable que las hebras separadas, lo cual explica por qué predomina la forma de doble hebra in vivo. Sin embargo, a veces se puede alterar la estructura de regiones localizadas de la doble hélice al desenrollarse. Esa alteración sucede durante la replicación, reparación, recombinación y transcripción del ADN. Al desenrollamiento y la separación completos de las hebras individuales complementarias se le llama desnaturalización. La desnaturalización sólo sucede in vitro.

- Conformaciones de la doble

Bajo condiciones fisiológicas, el ADN de doble hebra es termodinámicamente más estable que las hebras separadas, lo cual explica por qué predomina la forma de doble hebra in vivo. Sin embargo, a veces se puede alterar la estructura de regiones localizadas de la doble hélice al desenrollarse. Esa alteración sucede durante la replicación, reparación, recombinación y transcripción del ADN. Al desenrollamiento y la separación completos de las hebras individuales complementarias se le llama desnaturalización. La desnaturalización sólo sucede in vitro.

El ADN de doble hebra puede asumir distintas conformaciones bajo condiciones diferentes. Los estudios cristalográficos con rayos X de diversos oligodesoxirribonucleótidos sintéticos, de secuencia conocida, indican que las moléculas dentro de la célula no existen en una conformación B “pura”. En vez de ello, el ADN es una molécula dinámica cuya conformación exacta depende hasta cierto grado de las secuencia de nucleótidos. La conformación local también se afecta por dobleces en la molécula de ADN, y de si está unida a una proteína. El resultado es que la cantidad de pares de bases por vuelta en el B-ADN puede fluctuar de 10.2 a 10.6.

• Superenrrollamiento del ADN

Una molécula circular de ADN con la conformación B tiene un promedio de 10.4 pares de bases por vuelta. Se dice que está relajada si tal molécula puede reposar plana sobre una superficie. Esta doble hélice relajada se puede seguir envolviendo o desenvolviendo si se rompen las hebras del ADN y se tuercen los dos extremos de la molécula lineal en direcciones opuestas. Cuando se vuelven a unir las hebras para crear un círculo, ya no hay 10.4 pares de bases por vuelta, las necesarias para mantener la conformación B estable. La molécula circular se compensa por el envolvimiento o desenvolvimiento formando superenrollamientos que restauran 10.4 pares de bases por vuelta de la doble hélice . Una molécula superenrollada de ADN no quedaría plana en una superficie. Cada superenrollamiento se compensa por una vuelta de la doble hélice.  

La mayor parte de las moléculas de ADN circular están superenrrolladas en las células, pero hasta las moléculas lineales largas de ADN contienen regiones localmente sobretorcidas. Los cromosomas bacterianos, en forma típica, tienen unos cinco superenrollamientos por 1 000 pares de bases de ADN.  Todos los organismos tienen enzimas que pueden romper al ADN, destorcer o sobretorcer la doble hélice y volver a unir las hebras para alterar la topología. Esas enzimas se llaman topoisomerasas,y se encargan de agregar y eliminar superenrollamientos.

• Las Moleculas del ARN

Los ARN son moléculas de una hebra, pero con frecuencia tienen estructura secundaria compleja. Bajo condiciones fisiológicas, la mayor parte de los polinucleótidos de una cadena se doblan hacia atrás sobre sí mismos para formar regiones estables de ARN de doble hebra, con bases apareadas.  Estas pueden ser las siguientes:

1. ARN ribosómico (ARNr); moléculas que son parte integral de los ribosomas (ribonucleoproteínas intracelulares que son sitios de síntesis de proteínas). El ARN ribosómico es la clase más abundante de ácido ribonucleico, que forma 80% del ARN celular total. 

2. ARN de transferencia (ARNt); son moléculas que llevan a los aminoácidos activados a los ribosomas para su incorporación a las cadenas de péptidos en crecimiento durante la síntesis de proteínas. Las moléculas de ARNt sólo tienen de 73 a 95 residuos de nucleótidos de longitud. Forman un 15% del ARN celular total. 

3. ARN mensajero(ARNm); moléculas que codifican las secuencias de aminoácidos en las proteínas. Son los “mensajeros” que llevan la información del ADN al complejo de traducción, donde se sintetizan las proteínas. En general, el ARNm sólo forma el 3% del ARN celular total. Estas moléculas son las menos estables de los ácidos ribonucleicos celulares. 

4. ARN pequeño; moléculas presentes en todas las células. Algunas moléculas pequeñas de ARN tienen actividad catalítica o contribuyen a la actividad catalítica, asociadas a proteínas. Muchas de esas moléculas de ARN se relacionan con eventos de procesamiento que modifican al ARN después de que se ha sintetizado.

• El ADN  y sus fases

- Replicación: copia del DNA molde para formar moléculas de DNA hijas con idéntica secuencia de nucleótidos. 

- Transcripción: parte del mensaje genético codificado por el DNA es copiado en forma precisa en RNA. 

- Traducción: interpreta el mensaje copiado por el ARN en los ribosomas para dar origen a una cadena de aminoácidos con una secuencia específica.

Procesos del ADN Comprendido en los videos

•  Replicacion

La replicación del DNA  comienza en el origen y es bidireccional. Lo primero que ocurre es el desenrrollamiento de la doble helice por parte de la enzima helicasa. Segundo, las proteínas SSB estabilizan las cadenas molde desenrolladas.  Tercero, la hebra adelantada se sintetiza en forma continua en la dirección 5´a  3´ por medio de la DNA polimerasa  III.  Cuarto,  la primasa comienza la síntesis del cebador de RNA para el quinto fragmento de Okazaki. Quinto,  la DNA polimerasa  III está completando la síntesis de l cuarto fragmento. Cuando alcance el Cebador del RNA del tercer fragmento se disociará, se moverá hacia la horquilla de replicación y añadirá nucleótidos de DNA al extremo 3´del cebador del quinto fragmento.  Luego,la DNA pol I elimina el cebador del extremo 5´ del segundo fragmento, para reemplazarlo con nucleótidos de DNA que agrega de a uno al extremo 3´ del tercer fragmento. El reemplazo del último nucleótido de RNA con DNA deja el esqueleto de azúcar-fosfato con un extremo 3´ libre y por ultimo La DNA ligasa enlaza el extremo 3´ del segúndo fragmento al 5´ del primer fargmento.

• Transcripción

La transcripcion es un proceso mediante el cual el el ADN se copia en ARN durante la primera etapa de la exprersion genica. Empieza con el ensamblaje de un conjunto de factores en el inicio del gen que lleva una secuencia lineal de instrucciones de DNA. Entre los factores que se encuentran es la RNA Polimerasa la cual es liberada  y se desplaza a lo largo de la cadena leyendo el gen y a medida que va desenrrollando una de las dos helices va copiando una de las dos hembras. Luego los bloques de nucleotidos entrantes que se utilizan para hacer el RNA entran a traves de un tunel en la polimeras. La unica diferencia que existe en este proceso es que las timinas son reemplazadas por uracilos.

• Traducción

 El proeso ocurre cuando el RNAm se une a una subunidad ribosomica pequeña, y a esta se une un tRNA iniciador con el anticodón UAC, apareando las bases del codón de inicio AUG. Este tRNA lleva el aminoácido metionina (MET).  La llegada de una subunidad ribosómica grande completa el complejo de iniciación. Las proteínas llamadas factores de iniciación se requieren para reunir todos los componentes de la traducción. El GTP aporta la energía para el ensamblaje. El tRNA iniciador está en el sitio P del ribosoma; el sitio A está disponible para el tRNA que carga el aminoácido siguiente. Luego se da el reconocimiento del codon. El anticodón de un aminoacil tRNA entrante aparea sus bases con el codón complementario de mRNA en el sitio A. La hidrólisis del GTP aumenta la precisión y la eficiencia de este paso. luego se da la formación del enlace peptídico: una molécula de RNAr de la subunidad grande cataliza la formación de un enlace peptídico entre el aminoácido nuevo en el sitio A y el extremo carboxilo del polipéptido en crecimiento en el sitio P.

 Pasa por una fase llamada translocacion donde el ribosoma transloca el tRNA del sitio A al sitio P . El tRNA vacío en el sitio P se mueve al sitio E, donde se libera. El mRNA avanza con sus tRNA unidos, ubicando el siguiente codón para ser traducido en el sitio A. Cuando un ribosoma alcanza un codón de terminación en el mRNA, el sitio A del ribosoma acepta una proteína llamada factor de liberación en lugar del tRNA. 2. El factor de liberación hidroliza el enlace entre el tRNA en el sitio P y el último aminoácido de la cadena polipeptídica. De este modo se libera el polipéptido del ribosoma y se disocian las dos subunidades ribosómicas y los otros componentes del complejo.

  

• Aplicaciones del ADN y ARN en el area de las ciencias de la salud

-  Electroforesis en gel

 La electroforesis se usa en una gran mayoría en la materia del ADN recombinante ya que nos permite saber la carga que poseen los polipéptidos, y separar los diferentes polipeptidos resultantes de las variaciones del experimento del ADN recombinante. La variante de uso más común para el análisis de mezclas de proteínas o de ácidos nucleicos utiliza como soporte un gel, habitualmente de agarosa o de poliacrilamida. Los ácidos nucleicos ya disponen de una carga eléctrica negativa, que los dirigirá al polo positivo, mientras que las proteínas se cargan al unirse con sustancias como el SDS (detergente) que incorpora cargas negativas de una manera dependiente de la masa molecular de la proteína.

-  Tecnica del PCR

Esta técnica se utiliza para amplificar el ADN un millón de veces. Esta técnica tiene aplicación en la detección de enfermedades, comparación de la expresión génica, análisis de ADN y mutagenesis.

- Técnica de RFLP (Polimorfismos de longitud de fragmentos de restricción

El análisis RFLP fue la base de las modernas técnicas de análisis de huellas genéticas, útiles en la identificación de muestras recuperadas de la escena de un crimen, en pruebas de paternidad, y en el estudio de la biodiversidad en poblaciones animales.

- Medicamentos antiretrovirales