Estructura y función de ADN y ARN. Nucleótidos y polinucleótidos. ARNm, ARNr, ARNt, miARN y ARNip.

Introducción

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.

Las funciones del ADN y el ARN en la célula

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).

El ADN en las células

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.

De ADN a ARN a proteínas

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.

Nucleótidos

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.
Imagen de los componentes del ADN y ARN, que incluyen el azúcar (desoxirribosa o ribosa), el grupo fosfato y la base nitrogenada. Las bases comprenden las bases pirimidinas que tienen un anillo (citosina y timina en el ADN, y uracilo en el ARN) y las bases purinas con dos anillos (adenina y guanina). El grupo fosfato se une al carbono 5'. El carbono 2' tiene un grupo hidroxilo en la ribosa, pero solo hidrógeno (no hidroxilo) en la desoxirribosa.
Imagen modificada de "Ácidos nucleicos: Figura 1", de OpenStax College, Biología (CC BY 3.0).

Las bases nitrogenadas

Las bases nitrogenadas de los nucleótidos son moléculas orgánicas (basadas en carbono), compuestas por estructuras anulares que contienen nitrógeno.
Dado que algunos de los nitrógenos de la base pueden protonarse (recibir un ion Hstart superscript, plus, end superscript adicional), las bases nitrogenadas disminuyen la concentración de iones hidrógeno en una solución y por lo tanto son bases en el sentido ácido-base.
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).

Los azúcares

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'.

El fosfato

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 ampliastart superscript, 1, end superscript.
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.

Cadenas de polinucleótidos

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

Características del ADN

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.
Modelo estructural de una doble hélice de ADN
Crédito de la imagen: Jerome Walker/Dennis Myts.
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 pueder unirse con T y G solo pueder 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:
5'-AATTGGCC-3' 3'-TTAACCGG-5'
Estas dos cadenas son complementarias, cada base de una se conecta con su compañera de la otra. Los pares A-T están unidos por dos puentes de hidrógeno y los pares G-C, por tres.
Se dice que dos secuencias de ADN son complementarias cuando sus bases pueden emparejarse y unirse entre sí de forma antiparalela, formando una hélice.
Las cadenas de ADN se unen en una doble hélice de cadenas antiparalelas, mediante puentes de hidrógeno entre las bases complementarias . La timina forma dos puentes de hidrógeno con la adenina y la guanina forma tres puentes de hidrógeno con la citosina.
Imagen modificada de OpenStax, Biología.

Características del ARN

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)

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.
Imagen de un ribosoma (formado por proteínas y ARNr) unido a un ARNm, con varios ARNt que aportan aminoácidos a la cadena creciente. El ARNt que se une, y por lo tanto, el aminoácido que se agrega en un momento dado, lo determina la secuencia del ARNm que se "lee" en ese momento.
Crédito de la imagen: OpenStax Biología.

El ARN ribosomal (ARNr) y el ARN de transferencia (ARNt)

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, la formación de 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.
Estructura de un ARNt. La molécula completa tiene una forma similar a una L.
Imagen modificada del Protein Data Bank (Banco de Datos de Proteínas) (trabajo del gobierno de los E.U.A.).

Los ARN regulatorios (miRNA y siRNA)

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.
También se han descubierto otros tipos de ARN regulatorio, como el ARN largo no codificante (ARNlnc) y el ARN que interactúa con piwi (piRNA), pero no se comprenden tan bien sus funciones. Hay cada vez más evidencia de que los miRNA y otros ARN pequeños, no codificantes participan en ciertas enfermedades humanas, como en algunos trastornos genéticos y tipos de cáncer. Además, los investigadores están desarrollando microARN artificiales que sirven como herramientas terapéuticas en el tratamiento de enfermedades humanasstart superscript, 2, end superscript.
Estos son solo algunos ejemplos de ARN regulatorios. Hay muchos otros y, con el tiempo, se siguen descubriendo más.

Resumen: Características del ADN y el ARN

ADNARN
FunciónDepósito de información genéticaParticipa en la síntesis de proteínas y en la regulación génica; en algunos virus, almacena información genética
AzúcarDesoxirribosaRibosa
EstructuraDoble héliceGeneralmente de cadena sencilla
BasesC, T, A, GC, U, A, G
Tabla modificada de OpenStax, Biología.

Créditos:

Este artículo es un derivado modificado de “Nucleic acids (ácidos nucleicos)”, de OpenStax College, Biología (CC BY 3.0). Descarga gratis el artículo original en http://cnx.org/contents/185cbf87-c72e-48f5-b51e-f14f21b5eabd@9.85:14/Biology.
El artículo modificado está autorizado bajo una licencia CC BY-NC-SA 4.0.

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