Ácidos nucleicos

Los ácidos nucleicos, y el ADN en particular, son macromoléculas clave en la continuidad de la vida. El ADN lleva la información hereditaria que se trasmite de padres a hijos y proporciona las instrucciones sobre cómo (y cuándo) hacer muchas proteínas necesarias para construir y mantener en funcionamiento células, tejidos y organismos.

La manera en que el ADN lleva esta información y cómo la usan células y organismos es compleja, fascinante y bastante sorprendente, y la exploraremos con más detalle en la sección de biología molecular. Aquí, solo echaremos un rápido vistazo a los ácidos nucleicos desde la perspectiva de las macromoléculas.

Los ácidos nucleicos, macromoléculas compuestas de unidades llamadas nucleótidos, existen de manera natural en dos variedades: ácido desoxirribonucleico (ADN) y ácido ribonucleico (ARN). El ADN es el material genético de los organismos vivos, desde las bacterias unicelulares hasta los mamíferos multicelulares como tú y yo. Algunos virus usan ARN, no ADN, como su material genético, pero técnicamente no se consideran vivos (ya que no pueden reproducirse sin la ayuda de un hospedero).

En eucariontes, como plantas y animales, el ADN se encuentra en el núcleo, una cámara especializada rodeada de membrana dentro de la célula, así como en ciertos tipos distintos de organelos (como las mitocondrias y los cloroplastos de las plantas). En procariontes, como las bacterias, el ADN no está encerrado en una envoltura membranosa, aunque sí se encuentra en una región especializada de la célula llamada nucleoide.

En eucariontes, el ADN se suele separar en un número de fragmentos lineales muy largos llamados cromosomas, mientras que en procariontes, como las bacterias, los cromosomas son mucho más pequeños y a menudo circulares (en forma de anillo). Un cromosoma puede contener decenas de miles de genes, y cada uno proporciona instrucciones sobre cómo hacer un producto particular que necesita la célula.

Muchos genes codifican para productos proteicos, es decir, indican la secuencia de aminoácidos que es usa para construir una proteína en particular. Sin embargo, antes de que esta información se pueda utilizar para la síntesis de proteínas, primero debe hacerse una copia del gen en ARN (transcrito). Este tipo de ARN se llama ARN mensajero (ARNm) y sirve como un mensajero entre el ADN y los ribosomas, las máquinas moleculares que leen las secuencias de ARNm y que lo utilizan para sintetizar proteínas. Esta progresión de ADN a ARN a proteína es lo que se conoce como "dogma central" de la biología molecular.

Es importante resaltar que no todos los genes codifican para productos proteicos. Por ejemplo, algunos genes codifican ARN ribosomal (ARNr), que sirve como componente estructural de los ribosomas, o ARN de transferencia (ARNt), que son moléculas de ARN en forma de trébol que transportan aminoácidos al ribosoma para la síntesis de proteínas. Incluso otras moléculas de ARN, como los diminutos micro ARN (conocidos como miRNA), actúan como reguladores de otros genes, y todo el tiempo se están descubriendo nuevos tipos de ARN que no codifican para proteínas.

El ADN y el ARN son polímeros (en el caso del ADN, suelen ser polímeros muy largos) y se componen de monómeros conocidos como nucleótidos. Cuando estos monómeros se combinan, la cadena resultante se llama polinucleótido (poli- = "muchos").

Cada nucleótido se compone de tres partes: una estructura anular que contiene nitrógeno llamada base nitrogenada, un azúcar de cinco carbonos, y al menos un grupo fosfato. La molécula de azúcar tiene una posición central en el nucleótido, la base se conecta a uno de sus carbonos y el grupo (o grupos) fosfato, a otro. Vamos a ver cada parte de un nucleótido a su vez.

Las bases nitrogenadas de los nucleótidos son moléculas orgánicas (basadas en carbono), compuestas por estructuras anulares que contienen nitrógeno.

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 son purinas, lo que significa que sus estructuras contienen dos anillos fusionados de carbono y nitrógeno. En cambio, la citosina y la timina son pirimidinas y tienen solo un anillo de carbono y nitrógeno. Los nucleótidos de ARN también pueden contener bases de adenina, guanina y citosina, pero tienen otra base tipo pirimidina llamada uracilo (U) en lugar de la timina. Como se muestra en la figura anterior, cada base tiene una estructura única, con su propio conjunto de grupos funcionales unidos a la estructura anular.

Como abreviaturas en la biología molecular, las bases nitrogenadas se suelen nombrar por sus símbolos de una letra: A, T, G, C y U. El ADN contiene A, T, G y C, mientras que el ARN contiene A, U, G y C (es decir, la U se intercambia por T).

Además de tener conjuntos de bases ligeramente diferentes, los nucleótidos de ADN y ARN también tienen azúcares ligeramente distintos. El azúcar de cinco carbonos del ADN se llama desoxirribosa, mientras que en el ARN el azúcar es la ribosa. Estas dos moléculas son semejantes en estructura, solo con una diferencia: el segundo carbono de la ribosa tiene un grupo hidroxilo, mientras que el carbono equivalente en la desoxirribosa tiene un hidrógeno en su lugar. Los átomos de carbono de una molécula de azúcar se numeran 1', 2', 3', 4' y 5' (1' se lee "uno prima"), como se muestra en la figura anterior. En un nucleótido, el azúcar ocupa la posición central, la base se une al carbono 1' y el grupo (o grupos) fosfato se une al carbono 5'.

Los nucleótidos pueden tener solo un grupo fosfato o una cadena de hasta tres grupos fosfato que se unen al carbono 5' del azúcar. Algunas fuentes de información química utilizan el término "nucleótido" solo para el caso de un fosfato, pero en biología molecular generalmente se acepta la definición más amplia${}^1$‍.

En una célula, el nucleótido que está por añadirse al final de una cadena de polinucleótidos contendrá una serie de tres grupos fosfato. Cuando el nucleótido se une a la cadena creciente de ADN o ARN, pierde dos grupos fosfato. Por lo tanto, en una cadena de ADN o ARN, cada nucleótido solo tiene un grupo fosfato.

Una consecuencia de la estructura de los nucleótidos es que una cadena de polinucleótidos tiene direccionalidad, es decir tiene dos extremos que son distintos entre sí. En el extremo 5', o inicio de la cadena, sobresale el grupo fosfato unido al carbono 5' del primer nucleótido. En el otro extremo, llamado extremo 3', está expuesto el hidroxilo unido al carbono 3' del último nucleótido. Las secuencias de ADN generalmente se escriben en la dirección 5' a 3', lo que significa que el nucleótido del extremo 5' es el primero y el nucleótido del extremo 3' es el úlitmo.

Conforme se agregan nuevos nucleótidos a una cadena de ADN o ARN, esta crece en su extremo 3', cuando se une el fosfato 5′ del nucleótido entrante al grupo hidroxilo en el extremo 3' de la cadena. Esto produce una cadena en la que cada azúcar se une a sus vecinos por una serie de enlaces llamados enlaces fosfodiéster.

En el ácido desoxirribonucleico, o ADN, las cadenas se encuentran normalmente en una doble hélice, una estructura en la que dos cadenas emparejadas (complementarias) se unen entre sí, como se muestra en el diagrama de la izquierda. Los azúcares y los fosfatos se encuentran en el exterior de la hélice y constituyen el esqueleto del ADN; esta parte de la molécula se suele llamar esqueleto de azúcar-fosfato. Las bases nitrogenadas se extienden hacia el interior, en parejas, como los peldaños de una escalera; las bases de un par se unen entre sí mediante puentes de hidrógeno.

Las dos cadenas de la hélice corren en direcciones opuestas, lo que significa que el extremo 5′ de una cadena se une al extremo 3′ de su cadena correspondiente. Esto se conoce como orientación antiparalela y es importante al copiar ADN.

Entonces, ¿dos bases cualquiera pueden decidir unirse y formar un par en la doble hélice? La respuesta es un no definitivo. Debido a los tamaños y los grupos funcionales de las bases, el apareamiento de las bases es sumamente específico: A solo puede unirse con T y G solo puede unirse con C, como se muestra a continuación. Esto significa que las dos cadenas de una doble hélice de ADN tienen una relación muy predecible entre ellas.

Por ejemplo, si sabes que la secuencia de una cadena es 5'-AATTGGCC-3 ', la cadena complementaria debe tener la secuencia 3'-TTAACCGG-5'. Esto permite a cada base unirse con su pareja:

Se dice que dos secuencias de ADN son complementarias cuando sus bases pueden emparejarse y unirse entre sí de forma antiparalela, formando una hélice.

A diferencia del ADN, el ácido ribonucleico (ARN) generalmente tiene una sola cadena. El nucleótido de una cadena de ARN tendrá ribosa (un azúcar de cinco carbonos), una de las cuatro bases nitrogenadas (A, U, G y C), y un grupo fosfato. Aquí, veremos los cuatro tipos principales de ARN: el ARN mensajero (ARNm), el ARN ribosomal (ARNr), el ARN de transferencia (tRNA) y los ARN regulatorios.

El ARN mensajero (ARNm) es un intermediario entre un gen que codifica proteína y su producto proteico. Si una célula necesita hacer una proteína en particular, el gen que codifica la proteína se "activará", lo que significa que una enzima ARN polimerizante vendrá y hará una copia de ARN, o transcrito, de la secuencia de ADN del gen. El transcrito contiene la misma información que la secuencia de ADN de su gen. Sin embargo, en la molécula de ARN, la base T se sustituye por U. Por ejemplo, si una cadena codificante de ADN tiene la secuencia 5'-AATTGCGC-3 ', la secuencia del ARN correspondiente será 5'-AAUUGCGC-3'.

Una vez que se ha producido un ARNm, este se asociará con un ribosoma, una máquina molecular que se especializa en la fabricación de proteínas a partir de aminoácidos. El ribosoma utiliza la información del ARNm para hacer una proteína con una secuencia específica cuando "lee" los nucleótidos del ARNm en grupos de tres (llamados codones) y añade un aminoácido en particular para cada codón.

El ARN ribosomal (ARNr) es uno de los principales componentes del ribosoma y ayuda a que el ARNm se una al sitio adecuado para que se pueda leer la información de su secuencia. Algunos ARNr también actúan como enzimas, es decir, ayudan a acelerar (catalizar) reacciones químicas; en este caso, ayudan a formar los enlaces que unen los aminoácidos para formar una proteína. Los ARN que funcionan como enzimas se conocen como ribozimas.

Los ARN de transferencia (ARNt) también participan en la síntesis de proteínas, pero su trabajo es servir como acarreadores: llevan aminoácidos al ribosoma para asegurar que el aminoácido que se agrega a la cadena es el que especifica el ARNm. Los ARN de transferencia se componen de una sola cadena de ARN, pero esta contiene segmentos complementarios que se unen entre sí para formar regiones de doble cadena. Este apareamiento de bases crea una compleja estructura 3D que es importante para el funcionamiento de la molécula.

Algunos tipos de ARN no codificante (ARN que no codifica proteínas) ayudan a regular la expresión de otros genes. Tales moléculas de ARN pueden llamarse ARN regulatorios. Por ejemplo, los microARN (conocidos popularmente como miRNA) y los ARN pequeños de interferencia, o siRNAs, son pequeñas moléculas de ARN regulatorio de aproximadamente 22 nucleótidos de largo. Se unen a moléculas de ARNm específicas (con secuencias parcial o totalmente complementarias) y reducen su estabilidad o interfieren con su traducción y así proporcionan a la célula una manera de reducir o ajustar finamente la concentración de estos ARNm.

Estos son solo algunos ejemplos de muchos tipos de ARN no codificantes y regultorios. Los científicos todavía están descubriendo nuevas variedades de ARN no codificante.

¿Quieres saber más sobre el apareamiento de bases de nucleótidos? Mira esta herramienta interactiva desplegable de LabXchange.