Componentes de los ácidos nucleicos

Composición química: Los ácidos nucleicos son polímeros formados por la unión de nucleótidos. Los nucleótidos son las unidades sencillas que se van repitiendo a lo largo de una cadena. Cada una de estas unidades está formada por la siguiente asociación de moléculas:

• Ácido fosfórico (H₃PO₄)
• Pentosa: Puede ser de dos tipos: La ribosa, que es la que se encuentra en los nucleótidos del ácido ribonucleico (ARN), o la 2-desoxirribosa, que forma parte del ácido desoxirribonucleico (ADN). En ningún caso, se encuentran los dos tipos de pentosas en la misma cadena.
• Base nitrogenada: Según su estructura existen dos tipos de bases:
  • Púricas: Derivan de una molécula de purina y son: la adenina (A) y la guanina (G).
  • Pirimidínicas: Derivan de una molécula de pirimidina y son: la citosina (C), la timina (T), que es exclusiva del ADN, y el uracilo (U), que es exclusivo del ARN.

Nucleósidos

Se forman por la unión de una pentosa con una base nitrogenada.

Nucleótidos

Se forman por la unión de un nucleósido y un ácido fosfórico, mediante un enlace entre el grupo hidroxilo del carbono 5’ de la pentosa y el ácido fosfórico.

Cadenas de ácidos nucleicos

Presentan dos extremos: el extremo 5’, donde hay un grupo fosfato unido al carbono 5’ del primer nucleótido, y el extremo 3’, donde hay un radical hidroxilo unido al carbono 3’ del último nucleótido. Los ácidos nucleicos se sintetizan mediante enzimas capaces de añadir nucleótidos al extremo 3’.

El ácido desoxirribonucleico (ADN)

El ácido desoxirribonucleico o ADN está constituido por dos cadenas de nucleótidos enrolladas formando una doble hélice. Cada cadena está formada por un polímero de desoxirribonucleótidos de adenina, guanina, citosina y timina. Su masa molecular es muy elevada. Según el modelo celular, el ADN se puede encontrar en distintos lugares de la célula y presentar distintas características:

ADN de células eucariotas

Se encuentra principalmente en el núcleo, pero también en las mitocondrias y en los cloroplastos.

• ADN nuclear: Está unido a unas proteínas básicas. Esta asociación se conoce como fibra de cromatina.
• ADN de mitocondrias y cloroplastos: Este tipo de ADN es similar al de las células procariotas.

ADN de células procariotas

Está asociado a proteínas parecidas a las histonas, formando una condensación denominada nucleoide, que, a diferencia del núcleo, no está delimitado por ninguna membrana envolvente. También en los virus se han observado proteínas básicas asociadas al ADN.

Niveles estructurales del ADN

El ADN presenta diferentes rangos de complejidad estructural y se pueden distinguir tres niveles estructurales:

• Estructura primaria o secuencia de nucleótidos.
• Estructura secundaria o doble hélice.
• Estructura terciaria o ADN superenrollado. La estructura terciaria del ADN puede condensarse más hasta llegar a una superespiralización cuando se inicia la mitosis, momento en el que la fibra de cromatina se compacta para formar los cromosomas.

Estructura primaria del ADN

Es la secuencia de nucleótidos de una sola cadena o hebra. Estas innumerables combinaciones permiten estructurar una determinada información, la llamada información genética.

Estructura secundaria del ADN

Corresponde a la disposición en el espacio de dos hebras o cadenas de polinucleótidos que forman una doble hélice, con las bases nitrogenadas enfrentadas y unidas mediante enlaces de hidrógeno.

• Todos los ADN tienen tantas moléculas de adenina (A) como de timina (T) y tantas de citosina (C) como de guanina (G).
• Existía una complementariedad entre las bases.
• El ácido desoxirribonucleico tiene una estructura fibrilar de 20 Å de diámetro. Cada pareja de nucleótidos está separada de la siguiente por una distancia de 3,4 Å y cada vuelta de la doble hélice está formada por diez pares de nucleótidos, lo que supone una longitud de 34 Å por vuelta de hélice.

Modelo de la doble hélice del ADN

Los físicos James Watson y Francis Crick, en 1953, establecen el modelo de la doble hélice del ADN.

• El ADN es una doble hélice de 20 Å de diámetro, formada por dos cadenas de polinucleótidos enrollados alrededor de un eje imaginario. Los grupos hidrófobos (-CH₃ y –CH=) de las bases se disponen hacia el interior de la molécula, estableciéndose interacciones hidrofóbicas que proporcionan, junto con los puentes de hidrógeno, estabilidad a la macromolécula. Las pentosas y los grupos fosfato quedan en el exterior y la ionización de estos últimos proporciona el carácter ácido de esta macromolécula.

Las cadenas de ADN que forman la doble hélice son:

• Antiparalelas: Tienen los enlaces 5’->3’ orientados en sentidos contrarios.
• Complementarias: Las dos cadenas no son iguales sino que, si en una hay timina, en la otra, al mismo nivel, hay adenina. De la misma forma, si en una hay citosina en la otra, al mismo nivel, hay guanina. Por tanto, la secuencia de cada cadena es diferente, aunque ambas son complementarias entre sí.

El enrollamiento de la doble hélice es dextrógiro y plectonémico. La doble hélice de ADN en estado natural es muy estable; pero si se calienta hasta los 100 °C, las dos hebras de la doble hélice se separan, es decir, se produce la desnaturalización del ADN. Si este ADN desnaturalizado se enfría por debajo de 65 °C, las dos hebras vuelven a unirse. Esta restauración de la doble hélice se llama renaturalización. Gracias a estos procesos, se pueden hibridar cadenas de ADN de diferentes individuos para conocer el grado de parentesco entre ellos.

Estructura terciaria del ADN

Las moléculas de ADN circulares, como el ADN bacteriano o el ADN mitocondrial, presentan una estructura terciaria, en la que la fibra de 20 Å se encuentra retorcida sobre sí misma formando una superhélice. Esta disposición se denomina estructura terciaria del ADN o ADN superenrollado.

Niveles de empaquetamiento

El ADN presenta diferentes niveles de empaquetamiento:

• Primer nivel de empaquetamiento o fibra de cromatina de 100 Å: También llamado “collar de perlas”, está constituido por la fibra de ADN de 20 Å asociada a histonas, proteínas básicas de baja masa molecular. Aproximadamente, hay la misma cantidad en masa de histonas que de ADN. Este collar de perlas se encuentra en el núcleo durante la interfase. Estructuralmente, esta fibra de cromatina está constituida por una sucesión de partículas de 100 Å de diámetro denominadas nucleosomas.
• Segundo nivel de empaquetamiento o fibra de cromatina de 300 Å: También llamado “solenoide”, se forma por el enrollamiento sobre sí misma de la fibra de cromatina de 100 Å condensada, es decir, la que contiene la histona H1.
• Tercer nivel de empaquetamiento o “dominios en forma de bucle”: La fibra de 300 Å forma una serie de bucles, denominados dominios estructurales en forma de bucle.
• Niveles superiores de empaquetamiento: Un cromosoma humano, que mide tan solo 3,5 µm de longitud, contiene 4 cm de fibra de ADN.

Tipos de ADN

Según el número de cadenas que lo forman, se clasifican en:

• ADN monocatenario: Es muy poco frecuente. Se ha encontrado en forma lineal y en forma circular.
• ADN bicatenario: Es el que presentan la mayoría de los organismos.

Atendiendo a su forma pueden ser:

• Lineal: El ADN del núcleo de las células eucariotas es lineal y también el de algunos virus como el bacteriófago T4.
• Circular: El ADN es circular en las bacterias, en las mitocondrias, en los cloroplastos y en algunos virus.

Según el tipo de moléculas que sirven de soporte en el empaquetamiento del ADN:

• ADN asociado a histonas.
• ADN asociado a protaminas.
• ADN procariota.

El ácido ribonucleico (ARN)

Está constituido por nucleótidos de ribosa y cuatro de las bases nitrogenadas: adenina, guanina, citosina y uracilo. No hay timina. Estos ribonucleótidos se unen entre sí mediante enlaces fosfodiéster (dos enlaces éster seguidos) en sentido 5’->3’, igual que en el ADN. El ARN es casi siempre monocatenario, excepto en algunos casos como en los reovirus en que es bicatenario. Se encuentra en muchos tipos de virus y en las células procariotas y eucariotas. Existen varios ARN diferentes, con la misma composición química, pero que presentan distinta estructura y función.

ARN mensajero

El ARNm es monocatenario, generalmente lineal. Copia la información contenida en el ADN y la lleva hasta los ribosomas, para que se sinteticen las proteínas a partir de los aminoácidos que aportan los ARNt. El ARNm tiene una estructura diferente según el tipo de célula:

• ARNm eucariótico: Presenta algunas zonas con doble hélice.
• ARNm procariótico: No adopta la estructura del ARN eucariótico y no presenta intrones.

ARN de transferencia

El ARNt o ARN soluble (ARNs) presenta unos cincuenta tipos. Transporta aminoácidos determinados hasta los ribosomas, donde, según la secuencia especificada en un ARN mensajero (transcrito, a su vez, del ADN), se sintetizan las proteínas. Esta molécula presenta forma de hoja de trébol, pero si se observa en tres dimensiones, se puede distinguir una estructura terciaria en forma de L. Entre los nucleótidos que forman los ARNt, además de A, G, C y U, aparecen otras bases nitrogenadas.

ARN ribosómico

El ARNr constituye los ribosomas. Unidos a las proteínas ribosómicas originan lugares adecuados para la unión con el ARNm y de estos con los ARNt, que son los portadores de los aminoácidos que forman las proteínas. Las células procariotas presentan ribosomas de 70 S; mientras que en las células eucariotas los ribosomas son de 80 S.

ARN nucleolar

El ARNn es el componente principal del nucléolo. Se origina a partir de diferentes segmentos de ADN, el principal de ellos se denomina región organizadora nucleolar. A partir de ellos se forman las dos subunidades ribosómicas, una de 40 S y otra de 60 S, que atraviesan la membrana nuclear y pasan al citoplasma, donde al llegar un ARNm, se asocian dando lugar a un ribosoma de 80 S.

ARN pequeño nuclear

El ARNpn es de tamaño muy pequeño y se encuentra en el núcleo de las células eucariotas.

ARN de interferencia

El ARNi es utilizado por determinadas enzimas para reconocer ARN mensajeros concretos. Después los degrada, impidiendo que estos ARNm originen proteínas. Constituye un mecanismo de autocontrol de la célula.