ADN y ARN

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ADN

La mayoría de poseen dos cadenas unidas por puentes de hidrógeno formando una doble hélice de bases nitrogenadas, desoxirribosa y ácido ortofosfórico. Los nucleótidos se unen por enlaces fosfodiéster en el sentido 5´- 3´.
Las dos cadenas son antiparalelas (sentidos opuestos). Al anillo de pentosa se une una base nitrogenada que se proyecta hacia el centro de la estructura. Allí se une por puentes de hidrógeno con una base de la otra cadena que es complementaria a ella.
El eje de la hélice puede retorcerse para formar una superhélice, lo que provoca un mayor empaquetamiento.
Célula eucariota: Se encuentra en el núcleo, pero también en mitocondrias y cloroplastos. El ADN nuclear se encuentra fuertemente asociado por proteínas, nucleoproteínas e histonas.
Célula procariota: Es similar al ADN mitocondrial y de cloroplastos. Está asociado a proteínas no histónicas formando una condensación llamada nucleoide, está disperso en el citoplasma. Este ADN es circular, no tiene extremos, 1 sólo cromosoma.

Estructuras del ADN
Se han observado tres tipos de estructuras en el ADN:
Estructura B: Descubierta por Watson y Crick es la que está presente en condiciones biológicas, es decir, cuando en el medio celular hay agua.
Estructura A:
Se presenta únicamente cuando no hay agua.
Estructura Z:
Aparece cuando el ADN ya se ha expresado o que no se va a expresar nunca porque no tiene información.

La
estructura primaria del ADN va a ser la secuencia de nucleótidos, el mensaje genético reside en dicha secuencia.
La
estructura secundaria va a ser la a - hélice, que va a constar de dos cadenas polinucleótidas que se enrollan en espiral formando una doble- a - hélice, en donde los azúcares y restos ortofosfóricos se sitúan en la periferia de la cadena y las bases nitrogenadas dentro de la cadena y enfrentadas, existiendo dos puentes de hidrógeno entre A y T, y tres puentes de hidrógeno entre G y C. Las dos hebras no son iguales son complementarias y antiparalelas, es decir, el extremo de una es 3´y al final 5´, y en la otra 5´- 3´. Tienen un arrollamiento plectonímico, es decir, se enrollan alrededor de un hipotético eje longitudinal, y no se van a separar a menos que se produzca la desnaturalización.
La
estructura terciaria. El ADN bacteriano adopta en ocasiones una disposición espacial sin el concurso de histonas, llamado ADN superenrollado. Debido a las tensiones que surgen cuando se varía en el número de vueltas de doble hélice.

Estructura tipo B: Los planos de las bases nitrogenadas son perpendiculares al eje, además las hélices se enrollan según las agujas del reloj, dextrógila. Watson y Crick constituyeron un modelo de este tipo ya que conocían los tamaños atómicos de los distintos componentes del ADN, comprobando que cada 0, 34 nm se encontraban un par de bases y que la doble hélice daba un giro completo cada 3,4 nm siendo el diámetro de 2 nm. Existen así 10 pares de bases por cada vuelta de hélice.
Estructura tipo A: Los planos de las bases son ligeramente oblicuos al eje longitudinal. La a - hélice es dextrógila y hay un giro completo cada 2, 8 nm, en cada vuelta podemos encontrar 11 nucleótidos. Se forma por deshidratación de la estructura tipo B y se cree que es la estructura que presenta los ARN de doble cadena, los híbridos de ADN y ARN y las zonas con doble hélice de los ARNt y ARNr.
Estructura tipo Z: Presenta una doble a - hélice levógila, el giro completo se produce cada 4, 5 nm y contiene unos 12 residuos por vuelta. Por tanto, esta estructura es más alargada y delgada que las anteriores. El esqueleto de la hélice tiene un aspecto de zigzag, de ahí su nombre. Es común encontrar ésta estructura donde sus bases están metiladas, genes ya expresados o genes que no van a expresarse, por eso se asocia a la ausencia de actividad del ADN.
Las tres estructuras pueden encontrarse en una misma célula a la vez.

Niveles de empaquetamiento
Fibra de cromatina de 100 Å o ² collar de perlas² : Se encuentra en el núcleo en reposo. Está constituido por una sucesión de partículas de 100 Å de diámetro, enlazadas por una doble hélice. El conjunto que continuamente se va repitiendo formado por dicha partícula más el ADN espaciador se denomina nucleosoma. Estas partículas están constituidas por un grupo de histonas denominado octámero y un segmento de ADN de 146 pares de bases que describe 1, 7 vueltas alrededor del octámero. El ADN espaciador tiene una longitud de 54 pares de bases. Se puede asociar al nucleosoma una nueva histona, la H1 y al conjunto formado se llama cromatosoma.
Existe otro tipo de empaquetamiento que se da en el núcleo de los espermatozoides, donde el ADN se asocia a unas proteínas, las protaminas; formando una estructura denominada cristalina.
Fibras de cromatina de 300 Å: Es el enrollamiento sobre sí misma de la fibra de 100 Å. Se invierten unos 6 nucleosomas por vuelta y las histonas H1 se agrupan entre sí formando el eje central de la fibra formada.

ARN

Está constituido por una cadena única de nucleótidos, ribosas y bases (A, C, G y U). También de moléculas de ácido ortofosfórico. Los ribonucleótidos se unen entre sí mediante enlaces fosfodiéster, en el sentido 5´y 3´ al igual que en el ADN. A diferencia del ADN el ARN es siempre monocatenario, excepto en los renovirus.
Se ha observado ARN con función biocatalizadora lo que nos sugiere que éstas moléculas pudieron ser las primeras en autoreduplicarse y posteriormente el ADN fue el encargado de guardar la información genética por su estabilidad.

ARN de transferencia: Monocatenario, con algunas zonas de estructura secundaria, con forma de trébol con un brazo llamado D, otro T, otro anticodon, y su brazo aceptor de aminoácidos.
Existen unos 50 ARNt diferentes y su misión es transportar los aminoácidos a los ribosomas para la síntesis de proteínas.
ARN mensajero: Tiene estructuras diferentes en procariotas y eucariotas; en eucariotas tiene estructura primaria en algunas zonas, y secundaria en otras, asociadas a proteínas. Se forma a partir de preARN mensajero (ARN heterogéneo nuclear). Éste tiene zonas con información, exones y zonas sin información intrones; alternándolos unos con otros. Es necesario un proceso de maduración de la molécula donde se eliminen los intrones, además de poner una caperuza en el extremo 5´ y un segmento sin información, al extremo 3´ se añaden 150-200 nucleótidos de A, cola de poli- A, sirve para darle estabilidad frente a las exonucleasas.
El ARN procariótico carece de caperuza y de cola de poli- A y es policistrónico, contiene informaciones para proteínas distintas a diferencia del eucariótico que es monocistrónico. Transmite la información genética del ADN hasta el citoplasma para su traducción.
ARN ribosómico: Forma parte de los ribosomas, el peso de los ribosomas se suele expresar según el coeficiente de sedimentación de Svedberg. Las células procariotas poseen ribosomas de 70s, la subunidad mayor tiene ARNr 23s y 5s; la subunidad menor ARN de 16s. Las células eucariotas tienen ribosomas de 80s, la subunidad mayor ARNr 28s y 5,8s; la menor 18s.
ARN nucleolar: Se encuentra en el nucleolo y va a dar ARN ribosómico.
AUTODUPLICACIÓN

La replicación semiconservadora quiere decir que a partir de una molécula de ADN obtendremos dos, cada una con una hebra antigua y otra nueva.

Duplicación en bacterias
Existe una secuencia de nucleótidos llamado origen de replicación que actúa como señal de iniciación. El proceso se inicia con la enzima helicasa, rompe las dos hebras y las separa, las topoisomerasas eliminan las tensiones de la fibra por el desenrollamiento. Como el proceso es bidireccional, las dos hebras se van copiando a la par, se forma lo que se llama burbujas u ojos de replicación. Como ningún ADN polimerasa puede actuar sin cebador, interviene primero un ADN polimerasa denominado primasa que sintetiza un corto fragmento de ARN de 10 nucleótidos denominado primer (ARN primer) que actúa como cebador.
Intervine después la ADNp III, que a partir del cebador comienza a sintetizar en dirección 5´-3´ una hebra de ADN. La energía necesaria es aportada por los propios nucleótidos que pierden dos de sus fosfatos. Esta hebra es de crecimiento continuo ya que la helicasa no se detiene, se llama hebra conductora.
Sobre la otra hebra que es antiparalela, la ARNp sintetiza unos 40 nucleótidos de ARN en un punto que dista 1000 nucleótidos de la señal de iniciación, a partir de ellos la ADNp III sintetiza unos 1000 nucleótidos de ADN formándose el denominado fragmento de Okazaki. Después la ADNp I gracias a su acción exonucleasa retira los fragmentos de ARN y rellena los huecos con nucleótidos de ADN.
Finalmente el ADN ligasa empalma entre sí los diferentes fragmentos ya que es una replicación discontinua y se le llama hebra retardada.
El proceso continúa hasta que se duplica todo el ADN.

Duplicación en eucariontes
El proceso es similar al de las bacterias pero con las siguientes diferencias:
El ADN de eucariontes está fuertemente asociado a histonas.
Teniendo en cuenta que el ADN de un cromosoma es mayor que el ADN de bacterias, en cada cromosoma no sólo hay un origen de replicación sino que aproximadamente hay un centenar constituyendo las llamadas unidades de replicación o replicones.





TRANSCRIPCIÓN

Es el paso de una secuencia de ADN a ARN, ya sea mensajero, transferente o ribosómico.

Transcripción en eucariontes
Existen tres tipos de ARNp (ARN polimerasa, enzima con estructura cuaternaria 2 cadenas a y 1 b y otra b´): ARNp I, sintetiza los ARN ribosómicos; ARNp II, cataliza la síntesis de ARN mensajero; ARNp III, cataliza ARNt y ARNr.
Hay que destacar también que los genes están fragmentados de forma que siempre es necesario un proceso de maduración en el que se eliminan intrones y se empalman los exones. Las fases son:
Iniciación: SE produce en una región del ADN llamada región promotora.
Alargamiento: La síntesis es en sentido 5´- 3´ y al cabo de 30 ribonucleótidos transcritos se añade una caperuza al extremo 5´ (metil- guanosil- trifosfato).
Finalización: Parece ser que esta relacionada con la secuencia TTATTT. A continuación viene poli- A polimerasa, que añade al extremo 3´ un segmento de 200 ribonucleótidos de Adenina, un poli- A; para poder atravesar la membrana nuclear y llevar la información al ribosoma.
Maduración: Se rompen y eliminan los intrones y la ARN ligasa une los trozos.
Este ARNm será monocistrónico.
Hay que destacar que en bacterias no existen intrones, no se produce la maduración y el ARNm es policistrónico.

Código genético
Watson y Crick descubrieron la estructura del ADN (la de tipo B) y se estudió que esa replicación era semiconservativa. Jacob y Monod fueron los que descubrieron una molécula intermediaria que va a llevar el mensaje genético a los ribosomas, ARNm. Crick descubrió la existencia de unos ARN de transferencia que van a ser los encargados de llevar a los aminoácidos a los ribosomas, de esta forma se obtendrán las proteínas. El ADN con la ayuda de las enzimas sintetizadas por él, permiten el metabolismo de todas las enzimas aloestéricas.
Los mensajes genéticos residen en la ordenación de los nucleótidos y dicha secuencia de nucleótidos se convertirá en una secuencia de aminoácidos.
La unidad del código genético es el triplete o codon (mínima parte del código genético que codifica para una proteína), compuesto por tres bases nitrogenadas, habrá así 64 combinaciones de bases o tripletes, las cuales van a codificar a los 20 aminoácidos que forman parte del ADN, por tanto, se concluye que habrá aminoácidos que sean codificados por varios tripletes, es un código degenerado. Ésta degeneración del código genético no es uniforme ya que hay aminoácidos codificados por uno, dos, tres,... tripletes. Las dos primeras bases de un triplete son iguales cuando codifican a un mismo aminoácido, la especificidad reside ahí, la última base es la que cambia pudiendo ser púrica o pirimidínica. Hay codones sin sentido, es decir, que no codifican para ningún aminoácido porque indican fin de la síntesis de proteínas.
Crick llegó a la conclusión de que el código genético presenta señales de iniciación y fin de lectura. También descubrió que los tripletes no están solapados sino que la lectura es continua, todo seguido. El código es universal, está impreso de la misma forma en todos los seres vivos, excepcionalmente en el ADN mitocondrial.

TRADUCCIÓN
Es la síntesis de proteínas; la secuencia de nucleótidos del ADN y que va a ser transcrita al ARNm, se va a corresponder con una serie de aminoácidos. En la traducción ocurre lo siguiente:
Activación: Los aminoácidos que están en el citoplasma tienen que ser activados por medio del ATP.

Aminoácido + ARNt (específico) ® aminoacil- ARNt
ATP ® AMP
Iniciación de la síntesis: En bacterias el ARNm no experimenta maduración por lo que inmediatamente después de ser sintetizado se inicia su traducción. El ARNm se une a la subunidad menor de los ribosomas a éstos se les asocia el aminoacil- ARNt, gracias a que el ARNt tiene en una de sus asas un triplete de nucleótidos denominado anticodon que se asocia al primer codon del ARNm por complementariedad de bases.
En eucariontes el ARNm es sintetizado en el núcleo y antes de salir experimenta la maduración.
Elongación de la cadena peptídica: El complejo ribosomal posee 2 sitios de unión: el centro P, donde se sitúa el primer ARNt con su aminoácido correspondiente; y el centro A, donde se incorporan los nuevos aminoacil- ARNt. Se forma un enlace peptídico entre los dos aminoácidos quedando libre el primer aminoácido de su ARNt, el ARNt sin el aminoácido sale del ribosoma produciéndose ahora la traslocación en el centro P del ARNt que ha quedado con los dos aminoácidos.
Finalización de la síntesis: El final viene informado por los llamados tripletes sin sentido que son tres: UAA, UAG y UGA. No tiene ningún ARNt cuyo anticodon sea complementario al de ellos. Luego, se separa el ARNm de las 2 subunidades liberándose la cadena polipeptídica.
Asociación de varias cadenas polipeptídicas para formar proteínas: A medida que se sintetiza la cadena polipeptídica, ésta va adoptando una estructura secundaria y terciaria mediante enlaces por puentes de Hidrógeno y enlaces disulfuro, respectivamente.

Regulación de la expresión genética
Las células no están constantemente sintetizando todos los tipos de proteínas, si así fuera se produciría un caos metabólico, entonces debe existir una regulación, ésta depende en procariotas del sustrato disponible y en eucariotas de organismos pluricelulares, del ambiente hormonal interno.

El Operón: Este modelo explica como se efectúa el control de la biosíntesis proteica en procariontes. Existen dos tipos de genes: estructurales y reguladores.
à Estructurales: Codifican a proteínas estructurales y enzimáticas.
à Reguladores: Codifican a proteínas llamadas represores que tienen como función controlar la actividad de los genes estructurales.
Operó Lac: Hay un solo gen regulador y 3 genes estructurales, éstos se hallan continuos y se transcriben todos a la vez. Junto al primer gen estructural hay dos zonas específicas, una donde se fija el ADN- polimerasa que se llama promotor y la zona donde se fija el represor que se llama operador. El represor producido por el gen i se asocia al operador e impide al ARNp, que esta en el promotor, que transcriba los genes estructurales. Existen unas moléculas denominadas inductores: moléculas de lactosa que se asocian con los represores alterando su estructura e inactivándolos impidiendo que se una al operador, estos inductores pierden afinidad por la zona operador y la ARNp al no encontrar obstáculos transcribe los genes estructurales.

Control de la biosíntesis de proteínas: Además del control de la biosíntesis a cargo del Operó se ha descrito otro tipo de regulación: la del AMP cíclico. SE ha comprobado que cuando aumenta la concentración de glucosa en la célula, disminuye el nivel de AMP cíclico, disminuyendo la síntesis enzimática para metabolizar glucosa.
Control de la expresión genética en eucariontes: Sus células con tejidos diferenciados responden a variaciones del medio interno. En ellos, las hormonas provocan respuestas similares a las que el sustrato provoca en bacterias.
Hormonas lipídicas: Atraviesan la membrana plasmática en el citoplasma, se unen con proteínas receptoras intracelulares y forman el complejo hormona- receptor. En el núcleo se fijan sobre secuencias determinadas de ADN y pone en marcha la transcripción de determinados genes.
Hormonas proteicas: Dado su tamaño no pueden atravesar la membrana, por ello se unen a proteínas específicas receptoras de membrana formando el complejo hormona- receptor, esto provoca que la enzima adenilatociclasa que está en la cara interna de la membrana citoplasmática se active y pase el ATP a AMP cíclico, es el llamado segundo mensajero y la hormona sería el primer mensajero. El AMP cíclico se dirige al núcleo y activa las proteínas reguladoras de la transcripción.

ADN de eucariontes
ADN altamente repetitivo o ADN satélite. Constituye un 10% del total y es el que se sitúa en zonas de heterocromatina constitutiva: centrómeros y telómeros; que son zonas genéticamente inactivas, que no se transcriben nunca.
ADN moderadamente repetitivo. Constituye el 20% del total y son: histonas, ARNr, ARNt y funciones desconocidas.
ADN no repetitivo o simple. Constituye el 70% del total, contiene la mayor parte de información para ARNm y que posteriormente dará lugar a proteínas, además de ADN que no se transcribe.