3.5: Ácidos nucleicos

Habilidades para Desarrollar

• Describir la estructura de los ácidos nucleicos y definir los dos tipos de ácidos nucleicos
• Explicar la estructura y el papel del ADN
• Explicar la estructura y los roles del ARN

Los ácidos nucleicos son las macromoléculas más importantes para la continuidad de la vida. Llevan el plano genético de una célula y llevan instrucciones para el funcionamiento de la célula.

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 que se encuentra en todos los organismos vivos, desde bacterias unicelulares hasta mamíferos multicelulares. Se encuentra en el núcleo de eucariotas y en los orgánulos, cloroplastos y mitocondrias. En procariotas, el ADN no está encerrado en una envoltura membranosa.

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

El otro tipo de ácido nucleico, el ARN, está principalmente involucrado en la síntesis de proteínas. Las moléculas de ADN nunca abandonan el 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 ARNr, ARNt y microARN, están involucrados en la síntesis de proteínas y su regulación.

El ADN y el ARN están constituidos por monómeros conocidos como nucleótidos. Los nucleótidos se combinan entre sí para formar un polinucleótido, ADN o ARN. Cada nucleótido se compone de tres componentes: una base nitrogenada, un azúcar pentosa (cinco carbonos) y un grupo fosfato (Figura\(\PageIndex{1}\)). Cada base nitrogenada en un nucleótido está unida a una molécula de azúcar, que está unida a uno o más grupos fosfato.

Figura\(\PageIndex{1}\): Un nucleótido se compone de tres componentes: una base nitrogenada, un azúcar pentosa y uno o más grupos fosfato. Los residuos de carbono en la pentosa están numerados de 1′ a 5′ (la prima distingue estos residuos de los de la base, los cuales se numeran sin usar notación prima). La base está unida a la posición 1' de la ribosa, y el fosfato se une a la posición 5'. Cuando se forma un polinucleótido, el fosfato 5' del nucleótido entrante se une al grupo hidroxilo 3' al final de la cadena en crecimiento. Dos tipos de pentosa se encuentran en los nucleótidos, la desoxirribosa (que se encuentra en el ADN) y la ribosa (que se encuentra en el ARN). La desoxirribosa es similar en estructura a la ribosa, pero tiene una H en lugar de un OH en la posición 2′. Las bases se pueden dividir en dos categorías: purinas y pirimidinas. Las purinas tienen una estructura de doble anillo y las pirimidinas tienen un solo anillo.

Las bases nitrogenadas, componentes importantes de los nucleótidos, son moléculas orgánicas y se llaman así porque contienen carbono y nitrógeno. Son bases porque contienen un grupo amino que tiene el potencial de unirse a un hidrógeno extra, y así, disminuye la concentración de iones hidrógeno en su entorno, haciéndolo más básico. Cada nucleótido en el ADN contiene una de las cuatro bases nitrogenadas posibles: adenina (A), guanina (G) citosina (C) y timina (T).

La adenina y la guanina se clasifican como purinas. La estructura primaria de una purina son dos anillos carbono-nitrógeno. La citosina, la timina y el uracilo se clasifican como pirimidinas que tienen un solo anillo carbono-nitrógeno como su estructura primaria (Figura\(\PageIndex{1}\)). Cada uno de estos anillos básicos de carbono-nitrógeno tiene diferentes grupos funcionales unidos a él. En la taquigrafía de biología molecular, las bases nitrogenadas se conocen simplemente 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 desoxirribosa, y en el ARN, el azúcar es ribosa (Figura\(\PageIndex{1}\)). La diferencia entre los azúcares es la presencia del grupo hidroxilo en el segundo carbono de la ribosa e hidrógeno en el segundo carbono de la desoxirribosa. Los átomos de carbono de la molécula de azúcar están numerados como 1′, 2′, 3′, 4′ y 5′ (1′ se lee como “un primo”). 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, el cual forma un enlace fosfodiéster 5′-3′. El enlace fosfodiéster no está formado por una simple reacción de deshidratación como los otros enlaces que conectan monómeros en macromoléculas: su formación implica la eliminación de dos grupos fosfato. Un polinucleótido puede tener miles de tales enlaces fosfodiéster.

Estructura de doble hélice de ADN

El ADN tiene una estructura de doble hélice (Figura\(\PageIndex{2}\)). 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 los escalones de una escalera, en parejas; las parejas están unidas entre sí por enlaces de hidrógeno. Cada par de bases en la doble hélice está separado del siguiente par de bases por 0.34 nm. Las dos hebras de la hélice corren en direcciones opuestas, lo que significa que el extremo de carbono 5′ de una hebra se enfrentará al extremo de carbono 3' de su hebra coincidente. (Esto se conoce como orientación antiparalela y es importante para la replicación del ADN y en muchas interacciones de ácidos nucleicos).

Figura\(\PageIndex{2}\): El ADN nativo es una doble hélice antiparalela. El esqueleto de fosfato (indicado por las líneas curvas) está en el exterior, y las bases están en el interior. Cada base de una hebra interactúa a través de enlaces de hidrógeno con una base de la hebra opuesta. (crédito: Jerome Walker/Dennis Myts)

Solo se permiten ciertos tipos de emparejamiento de bases. Por ejemplo, una cierta purina solo puede emparejarse con cierta pirimidina. Esto significa que A puede emparejarse con T, y G puede emparejarse con C, como se muestra en la Figura\(\PageIndex{3}\). A esto se le conoce como la regla básica complementaria. En otras palabras, las cadenas de ADN son complementarias entre sí. Si la secuencia de una cadena es AATTGGCC, la cadena complementaria tendría la secuencia TTAACCGG. Durante la replicación del ADN, cada hebra se copia, lo que resulta en una doble hélice de ADN hija que contiene una hebra de ADN parental y una hebra recién sintetizada.

Conexión de arte

Figura\(\PageIndex{3}\): En una molécula de ADN bicatenario, las dos cadenas corren antiparalelas entre sí de manera que una cadena corre de 5' a 3' y la otra 3' a 5'. La cadena principal de fosfato se encuentra en el exterior, y las bases están en el medio. La adenina forma enlaces de hidrógeno (o pares de bases) con timina, y pares de bases guanina con citosina.

Se produce una mutación, y la citosina es reemplazada por adenina. ¿Qué impacto crees que esto tendrá en la estructura del ADN?

RNA

El ácido ribonucleico, o ARN, participa principalmente en el proceso de síntesis de proteínas bajo la dirección del ADN. El ARN suele ser monocatenario y está hecho de ribonucleótidos que están unidos por enlaces fosfodiéster. Un ribonucleótido en la cadena de ARN contiene ribosa (el azúcar pentosa), una de las cuatro bases nitrogenadas (A, U, G y C) y el grupo fosfato.

Hay cuatro tipos principales de ARN: ARN mensajero (ARNm), ARN ribosómico (ARNr), ARN de transferencia (ARNt) y microARN (miARN). 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 para ser sintetizada, el gen para este producto se “enciende” y el ARN mensajero se sintetiza en el núcleo. La secuencia de bases de ARN es complementaria a la secuencia codificante del ADN del que se ha copiado. Sin embargo, en el ARN, la base T está ausente y U está presente en su lugar. Si la cadena de ADN tiene una secuencia AATTGCGC, la secuencia del ARN complementario es UUAACGCG. En el citoplasma, el ARNm interactúa con ribosomas y otra maquinaria celular (Figura\(\PageIndex{4}\)).

Figura\(\PageIndex{4}\): Un ribosoma tiene dos partes: una subunidad grande y una subunidad pequeña. El ARNm se asienta entre las dos subunidades. Una molécula de ARNt reconoce un codón en el ARNm, se une a él por emparejamiento de bases complementarias y agrega el aminoácido correcto a la cadena peptídica en crecimiento.

El ARNm se lee en conjuntos de tres bases conocidas como codones. Cada codón codifica un solo aminoácido. De esta manera, se lee el ARNm y se elabora el producto proteico. El ARN ribosómico (ARNr) es un constituyente principal de los ribosomas en los que se une el ARNm. El ARNr asegura la alineación adecuada del ARNm y los ribosomas; el ARNr del ribosoma también tiene una actividad enzimática (peptidil-transferasa) y cataliza la formación de los enlaces peptídicos entre dos aminoácidos alineados. El ARN de transferencia (ARNt) es uno de los más pequeños de los cuatro tipos de ARN, generalmente de 70 a 90 nucleótidos de longitud. Lleva el aminoácido correcto al sitio de síntesis de proteínas. Es el emparejamiento de bases entre el ARNt y el ARNm lo que permite insertar el aminoácido correcto en la cadena polipeptídica. Los microARN son las moléculas de ARN más pequeñas y su papel implica la regulación de la expresión génica al interferir con la expresión de ciertos mensajes de ARNm. La\(\PageIndex{1}\) siguiente tabla resume las características del ADN y ARN.

Tabla\(\PageIndex{1}\): Características del ADN y ARN.

	ADN	RNA
Función	Lleva información genética	Participa en la síntesis de proteínas
Ubicación	Restos en el núcleo	Deja el núcleo
Estructura	Doble hélice	Generalmente monocatenario
Azúcar	Desoxirribosa	Ribosa
Pirimidinas	Citosina, timina	Citosina, uracilo
Purinas	Adenina, guanina	Adenina, guanina

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

Como has aprendido, el flujo de información en un organismo se lleva a cabo del ADN al ARN y a la proteína. El ADN dicta la estructura del ARNm en un proceso conocido como transcripción, y el ARN dicta la estructura de la proteína en un proceso conocido como traducción. Esto se conoce como el Dogma Central de la Vida, que es válido para todos los organismos; sin embargo, las excepciones a la regla ocurren en relación con las infecciones virales.

Enlace al aprendizaje

Para conocer más sobre el ADN, explore las animaciones biointeractivas del Howard Hughes Medical Institute sobre el tema del ADN.

Resumen

Los ácidos nucleicos son moléculas compuestas por nucleótidos que dirigen actividades celulares como la división celular y la síntesis de proteínas. Cada nucleótido está compuesto por un azúcar pentosa, una base nitrogenada y un grupo fosfato. Existen dos tipos de ácidos nucleicos: ADN y ARN. El ADN lleva el plano genético de la célula y se transmite de padres a hijos (en forma de cromosomas). Tiene una estructura de doble hélice con las dos hebras que discurren en direcciones opuestas, conectadas por enlaces de hidrógeno, y complementarias entre sí. El ARN es monocatenario y está hecho de un azúcar pentosa (ribosa), una base nitrogenada y un grupo fosfato. El ARN participa en la síntesis de proteínas y su regulación. El ARN mensajero (ARNm) se copia del ADN, se exporta desde el núcleo al citoplasma, y contiene información para la construcción de proteínas. El ARN ribosómico (ARNr) forma parte de los ribosomas en el sitio de la síntesis de proteínas, mientras que el ARN de transferencia (ARNt) transporta el aminoácido al sitio de síntesis de proteínas.

Conexiones de arte

Figura\(\PageIndex{3}\): A mutation occurs, and cytosine is replaced with adenine. What impact do you think this will have on the DNA structure?

Answer

Adenine is larger than cytosine and will not be able to base pair properly with the guanine on the opposing strand. This will cause the DNA to bulge. DNA repair enzymes may recognize the bulge and replace the incorrect nucleotide.

Glossary

deoxyribonucleic acid (DNA)

double-helical molecule that carries the hereditary information of the cell

messenger RNA (mRNA)

RNA that carries information from DNA to ribosomes during protein synthesis

nucleic acid

biological macromolecule that carries the genetic blueprint of a cell and carries instructions for the functioning of the cell

nucleotide

monomer of nucleic acids; contains a pentose sugar, one or more phosphate groups, and a nitrogenous base

phosphodiester

linkage covalent chemical bond that holds together the polynucleotide chains with a phosphate group linking two pentose sugars of neighboring nucleotides

polynucleotide

long chain of nucleotides

purine

type of nitrogenous base in DNA and RNA; adenine and guanine are purines

pyrimidine

type of nitrogenous base in DNA and RNA; cytosine, thymine, and uracil are pyrimidines

ribonucleic acid (RNA)

single-stranded, often internally base paired, molecule that is involved in protein synthesis

ribosomal RNA (rRNA)

RNA that ensures the proper alignment of the mRNA and the ribosomes during protein synthesis and catalyzes the formation of the peptide linkage

transcription

process through which messenger RNA forms on a template of DNA

transfer RNA (tRNA)

RNA that carries activated amino acids to the site of protein synthesis on the ribosome

translation

process through which RNA directs the formation of protein