Estructura y Función de los Ácidos Nucleicos y Expresión del Mensaje Genético

1. Componentes de los Ácidos Nucleicos

Los ácidos nucleicos son biomoléculas orgánicas formadas por carbono, hidrógeno, oxígeno, nitrógeno y fósforo. En los seres vivos existen dos tipos de ácidos nucleicos: el ácido desoxirribonucleico (ADN) y el ácido ribonucleico (ARN).

Químicamente, son polímeros lineales no ramificados, constituidos por unas unidades llamadas nucleótidos, que constan de:

• Un monosacárido (pentosa).
• Una base nitrogenada.
• Una o más moléculas de ácido fosfórico (H₃PO₄).

La unión del monosacárido y la base nitrogenada se denomina nucleósido. Cuando a este se le une el ácido fosfórico, se forma el nucleótido.

Monosacárridos

Pueden ser de dos tipos:

• La β-D-ribofuranosa o ribosa: es una aldopentosa que forma los nucleótidos del ARN y otros nucleótidos de gran importancia biológica, como el ATP (vector de energía celular) y las vitaminas del complejo B.
• La β-D-2’-desoxirribofuranosa o desoxirribosa: es un desoxiderivado de la β-D-ribofuranosa, en el que se ha perdido el grupo hidroxilo del carbono 2’. Forma los nucleótidos del ADN.

Bases nitrogenadas

Son compuestos cíclicos aromáticos con nitrógeno en su estructura. Pueden ser:

• Bases púricas: Derivan del anillo de la purina. Son la adenina (A) y la guanina (G) (poseen dos anillos).
• Bases pirimidínicas: Derivan del anillo de la pirimidina. Son la citosina (C), la timina (T) y el uracilo (U) (poseen un solo anillo).

Todas las bases están presentes en el ADN y el ARN, excepto la timina, que es exclusiva del ADN, y el uracilo, que solo aparece en el ARN.

Formación de un nucleósido: el enlace N-glucosídico

Un nucleósido se forma por unión, mediante un enlace N-glucosídico, de la aldopentosa con una base nitrogenada. El enlace N-glucosídico se establece entre el —OH del carbono anomérico de la aldopentosa (carbono 1’) y uno de los grupos amino de la base nitrogenada (nitrógeno 9 en las bases púricas y nitrógeno 1 en las pirimidínicas), liberándose una molécula de agua.

Formación de un nucleótido: los enlaces fosfóricos

Un nucleótido se origina por esterificación de un nucleósido con un ácido fosfórico. El enlace es un éster fosfórico entre el ácido fosfórico y el grupo hidroxilo del carbono 5’ de la aldopentosa del nucleósido, liberándose una molécula de agua. Si hay más de un grupo fosfato, se unen en cadena mediante enlaces anhídrido fosfórico, dando lugar a nucleótidos mono-, di- o trifosfato.

2. Nucleótidos no Nucleicos

Son nucleótidos que no forman parte de los ácidos nucleicos (ADN y ARN) y se encuentran libres en el citoplasma celular, donde desempeñan importantes funciones metabólicas. Los más destacados son los nucleótidos trifosfato (ATP y GTP), el AMP cíclico (AMPc) y las coenzimas (FMN, FAD, NAD⁺, NADP⁺ y la coenzima A).

Nucleótidos difosfato y trifosfato

Los enlaces anhídrido fosfórico que unen los grupos fosfato son extremadamente energéticos; por ello, estos nucleótidos se emplean como vectores de energía en la célula. Actúan como intermediarios en las reacciones metabólicas que liberan o consumen energía. Gran parte de la energía liberada en las reacciones catabólicas se conserva mediante la síntesis acoplada de ATP, proceso conocido como fosforilación a nivel de sustrato. El vector de energía por excelencia es el adenosina 5’-trifosfato (ATP), aunque también se usan nucleótidos de guanina (GTP/GDP).

AMP cíclico

El AMP cíclico (AMPc) se forma a partir del ATP por acción de la enzima adenilato ciclasa en respuesta a señales hormonales. Actúa como segundo mensajero, activando enzimas en el interior celular para dar respuesta a la señal recibida en el exterior.

Coenzimas

Son cofactores imprescindibles para la función biológica de las holoenzimas (forma activa compuesta por coenzima + apoenzima). Destacan:

• Coenzimas de oxidorreductasas: Intervienen en reacciones redox como aceptores de electrones. Incluyen nucleótidos de flavina (FAD/FMN) y de nicotinamida (NAD⁺/NADP⁺).
• Coenzima A (CoA): Deriva del ADP y la vitamina B5. Se enlaza a ácidos grasos mediante enlaces tioéster, activándolos para el metabolismo.

3. Polinucleótidos: Enlace Nucleotídico

Los polinucleótidos son cadenas de nucleótidos unidos por el enlace fosfodiéster. Si la pentosa es ribosa, se forma un polirribonucleótido (ARN); si es desoxirribosa, un polidesoxirribonucleótido (ADN).

Enlace nucleotídico

La esterificación se produce entre el grupo fosfato en posición 5’ de un nucleótido y el grupo hidroxilo del carbono 3’ de otro. El enlace resultante es 5’ → 3’. Las cadenas presentan polaridad: un extremo tiene un grupo 5’ fosfato libre y el otro un grupo 3’ OH libre. La secuencia de bases nitrogenadas proporciona la especificidad al polinucleótido.

4. Ácido Desoxirribonucleico (ADN)

El ADN está integrado por cadenas de desoxirribonucleótidos con las bases A, G, C y T. Se distinguen tres niveles estructurales:

• Estructura primaria: Secuencia de nucleótidos.
• Estructura secundaria: Doble hélice.
• Estructura terciaria: Empaquetamiento de la doble hélice.

4.1 Estructura primaria del ADN

Viene determinada por la secuencia concreta de desoxirribonucleótidos. La información genética reside en esta secuencia y se conserva mediante la replicación, expresándose a través de la transcripción y traducción (dogma central de la biología molecular).

4.2 Estructura secundaria del ADN

Características del ADN-B:

• Doble hélice dextrógira: Dos cadenas enrolladas hacia la derecha.
• Enrollamiento plectonémico: Las cadenas no se pueden separar sin desenrollarlas.
• Complementariedad: A se une con T (2 puentes de hidrógeno) y G con C (3 puentes de hidrógeno).
• Antiparalela: Las hebras van en direcciones opuestas (5’ → 3’ y 3’ → 5’).

Existen otras formas como la Forma A (bases no perpendiculares al eje) y la Forma Z (levógira e irregular), relacionadas con la regulación génica.

4.3 Estructura terciaria del ADN

Es el plegamiento para compactar el ADN. En procariotas, el ADN es circular, desnudo (sin histonas) y superenrollado. En eucariotas, se asocia a proteínas histonas para formar la cromatina.

Desnaturalización: A 100 °C los puentes de hidrógeno se rompen y las hebras se separan. Es un proceso reversible (renaturalización a 65 °C), clave en ingeniería genética para la hibridación.

Estructura terciaria en eucariotas: Cromatina y Cromosomas

Niveles de organización estructural del ADN-B

El empaquetamiento incluye la fibra nucleosómica, fibra cromatínica, bucles radiales y espirales, compactando el ADN hasta 10,000 veces en la cromátida.

Morfología de los cromosomas

Un cromosoma es una estructura altamente condensada de ADN y proteínas. Durante la interfase, el ADN está como cromatina; en la división, se condensa en el cromosoma metafásico.

1. Organización molecular del cromosoma

Estructura del cromosoma metafásico

Formado por dos cromátidas hermanas (copias idénticas) unidas por el centrómero.

• Centrómero: Región donde se forma el cinetocoro para la unión al huso acromático.
• Brazos: Divididos en brazo corto (p) y largo (q). Presentan bandas G para identificación.
• Telómeros: Extremos que protegen el ADN. Se acortan con cada división, excepto en presencia de telomerasa.
• NOR: Regiones que contienen genes para el ARN ribosómico.
• Satélites: Fragmentos terminales separados por una constricción secundaria.

Clasificación según la posición del centrómero

5. Ácido Ribonucleico (ARN)

El ARN está formado por ribonucleótidos (A, G, C, U). Generalmente es monocatenario y se sintetiza mediante transcripción por las ARN polimerasas.

Tipos de ARN

• ARN ribosómico (ARNr): Forma los ribosomas. En procariotas son 70S y en eucariotas 80S.
• ARN nucleolar (ARNn): Precursor de los ARNr en el nucléolo (45S).
• ARN mensajero (ARNm): Traslada la información del ADN a los ribosomas. En eucariotas requiere maduración (pre-ARNm).
• ARN pequeño nuclear (ARNpn): Implicado en el splicing.
• ARN transferente (ARNt): Estructura en "hoja de trébol". Transporta aminoácidos. Posee un anticodón complementario al codón del ARNm.

Genética Molecular

2. Expresión Génica

Es la decodificación de la información de un gen en un polipéptido o ARN funcional. Consta de transcripción y traducción.

El gen como unidad de transcripción

Un gen posee:

• Promotor: Señala el inicio.
• Región codificante: Contiene la información (exones e intrones en eucariotas).
• Región terminadora: Señala el final.

2.1 Transcripción

Proceso de síntesis de ARN a partir de ADN molde (cadena 3’ → 5’). La ARN polimerasa añade nucleótidos en dirección 5’ → 3’.

• Retrotranscripción: Síntesis de ADN a partir de ARN (virus como el VIH), mediante la retrotranscriptasa.

Maduración del pre-ARNm en eucariotas

1. Capping: Adición de 7-metilguanosina en el extremo 5’.
2. Poliadenilación: Adición de la cola Poli-A en el extremo 3’.
3. Splicing: Eliminación de intrones y unión de exones por el espliceosoma.

2.2 Traducción

Síntesis de proteínas en los ribosomas siguiendo el código genético.

Código Genético

• Universal: Casi igual en todos los seres vivos.
• Degenerado: Varios codones para un mismo aminoácido.
• No ambiguo: Cada codón codifica un solo aminoácido.
• Codón de inicio: AUG (Metionina).
• Codones de stop: UAA, UAG, UGA.

Etapas de la traducción

1. Iniciación: Unión del ribosoma al ARNm y al primer ARNt-Met.
2. Elongación: Formación de enlaces peptídicos y traslocación del ribosoma.
3. Terminación: Reconocimiento del codón de stop y liberación de la proteína.

2.3 Regulación de la Expresión Génica

Las células controlan qué genes se expresan. El transcriptoma es el conjunto de ARN y el proteoma el de proteínas en un momento dado.

2.4 Regulación en Procariotas: El Operón

Modelo de Jacob y Monod. Componentes:

• Genes estructurales: Codifican las enzimas.
• Operador: Sitio de unión del represor.
• Promotor: Sitio de unión de la ARN polimerasa.
• Gen regulador: Codifica la proteína represora.

Ejemplos: Operón lac (inducible por lactosa) y Operón trp (represible por triptófano).