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BLOQUE 2 LOS ACIDOS NUCLEICOS
Estos biopolímeros están formados por unidades llamadas monómeros, que son los nucleótidos.
Los nucleótidos están formados por la unión de:
a) Una pentosa, que puede ser la D-ribosa en el ARN; o la D-2- desoxirribosa en el ADN
b) Una base nitrogenada, que puede ser:
- Púrica, como la Guanina (G) y la Adenina (A)
- Pirimidínica, como la Timina (T), Citosina (C) y Uracilo (U)
c) Ácido fosfórico, que en la cadena de ácido nucleico une dos pentosas a través de una unión fosfodiester. Esta
unión se hace entre el C-3´de la pentosa, con el C-5´de la segunda.
1.- COMPOSICIÓN QUIMICA DE LOS ÁCIDOS NUCLEICOS
Los ácidos nucleicos son biomoléculas orgánicas formadas por C,H,O,N y P;
son las más complejas y de enorme peso molecular. Por hidrólisis se pueden
separar sus constituyentes que son el ácido fosfórico, la pentosa y las llamadas
bases nitrogenadas
A la unión de una pentosa con una base nitrogenada se le llama nucleósido. Esta unión se hace mediante un
enlace -glucosídico.
- Si la pentosa es una ribosa, tenemos un ribonucleósido. Estos tienen como bases nitrogenadas la adenina, guanina,
citosina y uracilo.
- Si la pentosa es un desoxirribosa, tenemos un desoxirribonucleósido. Estos tienen como bases nitrogenadas la
adenina, citosina, guanina y timina.
El enlace -glucosídico se hace entre el
a) C-1´de la pentosa y el N-9 de la base púrica, como la guanina y la adenina.
b) C-1´de la pentosa y el N-1 de la base pìrimidínica, como la timina ycitosina
2.- TIPOS DE ÁCIDOS NUCLEICOS
Los ácidos nucleicos están formados, como ya se ha dicho anteriormente, por la polimerización de muchos
nucleótidos, los cuales se unen de la siguiente manera: 3´-pentosa-5´-fosfato---3´-pentosa-5´fosfato-----
Cada molécula tiene una orientación definida, por lo que la cadena es 5´-> 3´.
Atendiendo a su estructura y composición existen dos tipos de ácidos nucleicos que son:
a) Ácido desoxirribonucleico o ADN o DNA
b) Ácido ribonucleico o ARN o RNA
ACIDO DESOXIRRIBONUCLEICO, ADN O DNA HISTORIA, MODELO DE WATSON Y CRICK
,COMPOSICIÓN, ESTRUCTURA Y PROPIEDADES Y FUNCIONES BIOLOGICAS.
El ADN, o ácido desoxirribonucleico, está presente en todos los organismos y en algunos virus. En las células eucariotas se encuentra localizado en el núcleo celular y, en menor cantidad, en las mitocondrias y en los cloroplastos. En la mayoría de los organismos procariotas, el ADN se encuentra en el citoplasma celular en forma de una molécula única llamada cromosoma
HISTORIA DEL ADN
El ADN fue por primera vez aislado por un biólogo suizo
llamado Frierich Miescher en el año 1869. Este científico que
estudiaba la composición química de los leucocitos (glóbulos
blancos), describió de sus experimentos que las propiedades de
la sustancia aislada rica en fosfatos, sin azufre y resistente a
proteasas no correspondía a lípidos ni proteínas. A esta nueva
molécula, presente en todos los núcleos celulares, Miescher la
llamó nucleína. Luego, con la identificación de su naturaleza
acídica se le asignó el nombre genérico de ácido nucleico.
En los años 20, Phoebus Levene, en sus estudios de la
estructura y función de los ácidos nucleicos, logró determinar
la existencia de ADN y ARN, además de que el ADN está
formado por 4 bases nitrogenadas Timina y Citosina
(pirimidinas), Guanina y Adenina (purinas), un azúcar
(desoxirribosa) y un grupo fosfato. Determinó que la unidad
básica del ADN estaba conformada por fosfato-azúcar-base
nitrogenada a la cual llamó nucleótido.
Luego con los aportes de Griffith en 1928, los hallazgos de
Avery en 1944 y los experimentos de Hershey-Chase en 1952,
se logró determinar que el ADN es la molécula responsable de
la herencia. Un año después Rosalind Franklin y Maurice
Wilkins, Francis Crick y James Watson lograron dilucidar
mediante estudios de difracción de rayos X, la estructura
molecular de doble hélice del ADN, lo que les valió el premio
Novel de fisiología y medicina en 1962.
Ya en el siglo 21, los avances en la tecnología del ADN
específicamente en los métodos de secuenciación, han
conducido al conocimiento de toda la información genética de
una variedad de organismos, como el humano, ratón, pez cebra
y A. thaliana, posibilitando enormes avances en disciplinas tan
diversas como la biomedicina, paleontología, agricultura,
medicina forense entre otras.
Hoy en día los avances continúan a pasos agigantados con
grandes proyecciones en beneficio del hombre y el planeta.
MODELO DE WATSON Y CRICK.
Francis Crick y James Watson descubrieron en 1953 que la
molécula de ADN tiene una estructura de doble hélice, parecida a
una escalera de caracol. Las subunidades repetidas de
desoxirribosa unidas al grupo fosfato forman lo que serían las
barandas y la bases nitrogenadas serían los escalones. Las
bases nitrogenadas siempre van aparejadas de la misma manera:
la adenina con la timina y la guanina con la citosina. Las bases se
mantienen unidas por puentes de hidrógeno, que hacen que las
dos cadenas de la doble hélice se mantengan unidas.
La información genética contenida en la molécula viene dada por
la secuencia en que se disponen las bases nitrogenadas. Esa
información puede transmitirse, ya que la molécula de ADN tiene la capacidad de replicarse y producir
dos copias idénticas entre ellas y la molécula original. La información pasa a la descendencia según la
teoría cromosómica de la herencia.
COMPOSICIÓN QUÍMICA:
El ADN está constituido por dos largas cadenas de nucleótidos. Cada nucleótido consta de tres partes:
una molécula de azúcar, la desoxirribosa; un grupo fosfato constituido por un átomo de fósforo rodeado
de otros átomos de oxígeno, y una base nitrogenada. El azúcar y el grupo fosfato son iguales en todos
los nucleótidos de ADN. En cambio, la base nitrogenada puede ser adenina, guanina, citosina o timina,
que se representan con sus iniciales, en mayúsculas: A, G, C y T, respectivamente. La adenina se une
con la timina, y la guanina con la citosina, para configurar la estructura de la molécula en forma de doble
hélice.
ESTRUCTURA DEL ADN
En el ADN se distinguen 3 niveles estructurales. Además, para conseguir que el ADN quepa dentro del
núcleo, se encuentra muy empaquetado, y aún mas cuando se condensa para formar un cromosoma. Se
distinguen varios niveles de empaquetamiento: el collar de perlas, fibra de cromatina de 100A, solenoide,
fibra de cromatina de 300ª.
ESTRUCTURA PRIMARIA DEL ADN
Se trata de la secuencia de desoxirribonucleótidos de una de las cadenas. La información genética está contenida en
el orden exacto de los nucleótidos.
La adenina enlaza con la timina, mediante dos puentes de hidrógeno, mientras que la citosina enlaza con la guanina,
mediante tres puentes de hidrógeno.
El ADN es el portador de la informacion genética, se puede decir por tanto, que los genes están compuestos por
ADN.
ESTRUCTURA SECUNDARIA DEL ADN
Es una estructura en doble hélice. Permite explicar el almacenamiento de la información genética y el mecanismo de
duplicación del ADN. Fué postulada por Watson y Crick,basandose en:
- La difracción de rayos X que habían realizado Franklin y Wilkins
- La equivalencia de bases de Chargaff,que dice que la suma de adeninas más guaninas es igual a la suma de timinas
más citosinas.
Es una cadena doble, dextrógira o levógira, según el tipo de ADN. Ambas cadenas son complementarias, pues la
adenina de una se une a la timina de la otra, y la guanina de una a la citosina de la otra. Ambas cadenas son
antiparalelas, pues el extremo 3´de una se enfrenta al extremo 5´de la otra.
Existen tres modelos de ADN. El ADN de tipo B es el más abundante y es el descubierto por Watson y Crick.
ESTRUCTURA TERCIARIA DEL ADN.
Se refiere a como se almacena el ADN en un volumen reducido. Varía según se trate de organismos procariontes o
eucariontes:
a) En procariontes se pliega como una super-hélice en forma, generalmente, circular y asociada a una pequeña
cantidad de proteinas. Lo mismo ocurre en la mitocondrias y en los plastos. b) En eucariontes el empaquetamiento
ha de ser más complejo y compacto y para esto necesita la presencia de proteinas, como son las histonas y otras de
naturaleza no histona (en los espermatozoides las proteinas son las protaminas). A esta unión de ADN y proteinas se
conoce como cromatina, en la cual se distinguen diferentes niveles de organización:
- Nucleosoma
- Collar de perlas
- Fibra cromatínica
- Bucles radiales
- Cromosoma.
PROPIEDADES BIOLÓGICAS DEL DNA (1)
En las células eucariotas, el DNA está presente en el núcleo, así como en mitocondrias y cloroplastos. En
procariotas, el DNA se encuentra en el citoplasma celular. La molécula de DNA es el soporte material de
los caracteres hereditarios de una especie y es trasmitida íntegramente a la progenie. Cada cromosoma
eucariota contiene una sóla molécula de DNA. Su masa molecular es enorme. El peso molecular por
unidad de longitud de la hélice es aproximadamente de 2 x 106 dalton por µm.
El modelo de Watson y Crick explica las propiedades biológicas del DNA:
Resistencia a la alteración de las bases (mutación)
Duplicación del material genético
Transcripción de la información genética
RESISTENCIA A LA ALTERACIÓN DE LAS BASES (MUTACIÓN)
Mutación
¿Qué es una mutación y cuál es su importancia?
Mutación
Las mutaciones son cambios o modificaciones que se
producen en la información genética, generalmente
por errores en el proceso de replicación, originando
variaciones hereditarias.
Pueden ocurrir a diferentes niveles:
En los genes (mutaciones génicas) - Alteran la secuencia de bases nitrogenadas del ADN.
En los cromosomas (mutaciones cromosómicas) - Alteran el orden de los genes en el cromosoma.
En el genoma (mutaciones genómicas) - Alteran el número de cromosomas del genoma.
Si aparece una base incorrecta, su emparejamiento se
ve impedido, y la doble hélice se altera. Estos errores
pueden ser reparados por medio de diversos
mecanismos celulares. En la Figura de la derecha se
representa una proteína (en color azul) en pleno
proceso de reemplazar una base incorrecta del DNA
(de color rojo). La base correcta (en amarillo en la
figura) es la que se aparea correctamente con la
hebra complementaria.
DUPLICACIÓN DEL MATERIAL GENÉTICO
Las células hijas deben tener la misma dotación genética que su
progenitora. Para obtener esta duplicación exacta, basta la
separación de las dos cadenas de la doble hélice progenitora (en
azul en la figura de la derecha) y la síntesis de las hebras
complementarias (en color rosado en la figura).
En 1958, Meselson y Stahl realizaron un experimento en el que
demostraron que la replicación del DNA se ajustaba al modelo
de replicación semiconservativa(separación de las hebras y síntesis
de las complementarias).
La replicación o duplicación de la molécula de ADN se produce en la
interfase de la división celular, más precisamente en la fase S, con el
objetivo de conservar la información genética. Los puentes de
hidrógeno que unen las dos hileras de polinucleótidos se rompen, con lo cual ambas cadenas se
separan, sirviendo cada una de molde para fabricar una nueva hilera complementaria. La enzima ADN
polimerasa se encarga de agregar nucleótidos fabricados por la célula que están esparcidos en el núcleo.
Dicha enzima los va añadiendo a cada hilera separada conforme con la secuencia adenosina-timina y
citosina-guanina (A-T y C-G). Al terminar la duplicación se obtienen dos moléculas idénticas de ADN de
forma helicoidal, cada una con una hilera original y otra hilera neoformada. El núcleo tiene ahora el
doble del ADN y de proteínas que al principio. De esta manera, la información genética de la célula
madre será transmitida a las células hijas al producirse la mitosis.
La transmisión de la información genética se produce cuando la célula se divide por mitosis, si son células somáticas, o por meiosis en el caso de las células germinales que dan origen a gametos o esporas haploides que intervienen en la reproducción sexual.
Los cromosomas trasmiten los caracteres hereditarios, ya que son los portadores de la información genética contenida en las moléculas de ADN que los constituyen.
Cada vez que la célula se divide en células hijas, previo a la división celular durante la interfase del ciclo celular, el genoma o conjunto total de genes se duplica, lo que tiene su base molecular en la replicación semiconservativa de las moléculas de ADN.
¿Qué características distinguen a la replicación del ADN?
Replicación
• Es un proceso metabólico de síntesis que ocurre en el núcleo,
durante la interfase del ciclo celular.
• Es un proceso molecular que se inicia con la separación de las
cadenas de ADN, en el que participan enzimas específicas.
• Cada una de las cadenas de ADN sirve de molde en la síntesis
de una cadena nueva de forma semiconservativa, con la
participación de enzimas específicas.
• Se obtiene como resultado dos moléculas de ADN con la misma
secuencia de nucleótidos y por consiguiente con la misma
información genética, iguales entre si e idénticas a la original. De
acuerdo a sus resultados la replicación semiconservativa del ADN es de granimportancia
http://biologia.cubaeduca.cu/medias/interactividades/ADN/co/mo
dulo_Raz_13.html .
TRANSCRIPCIÓN DE LA
INFORMACIÓN GENÉTICA
La complementariedad de
bases permite a la célula
sintetizar una molécula de
RNAm con una secuencia
complementaria a la de una de
las hebras del DNA (Parte
superior de la Figura de la
derecha). Este proceso se
denomina transcripción. La
molécula de RNAm recién
sintetizada servirá como
molde para la síntesis de
proteínas en un proceso
denominado traducción (Parte
inferior de la Figura de la
derecha). Esta serie de
procesos se conoce como
el dogma central de la
Biología.
En el desarrollo de los organismo se mantiene una estrecha relación entre los cromosomas que contienen las moléculas de ADN portadoras de la información genética o hereditaria en su secuencia de nucleótidos, donde se localizan los genes, y los procesos moleculares que permiten la expresión de la información genética en los caracteres hereditarios en interacción con el medio interno del organismo y el medio ambiente.
Estos procesos son la transcripción a ARN y la biosíntesis de proteínas.
En el proceso de transcripción, se sintetizan tres tipos de ARN, que participan en la biosíntesis de proteínas que ocurre en los ribosomas libres del citoplasma y en el retículo endoplasmático rugoso, donde se traduce el mensaje genético en secuencias de aminoácidos.
¿Qué características distinguen a la transcripción del ADN al ARN?
Transcripción
Es un proceso metabólico de síntesis que ocurre en el núcleo, durante la interfase del ciclo celular.
Es un proceso molecular que se inicia con la separación de las cadenas de ADN, en el que
participan enzimas específicas.
Una de las cadenas de ADN sirve de molde en la síntesis de una molécula de ARN.
Se obtiene como resultado una molécula de ARN que contiene la copia de la información genética.
DESNATURALIZACIÓN DEL ADN.
Cuando la temperatura alcanza el punto de fusión del ADN, la agitación térmica es capaz de separar las dos
hebras y producir una desnaturalización. Este es un proceso reversible, ya que al bajar la temperatura se puede
producir una renaturalización. En este proceso se rompen los puentes de hidrógeno que unen las cadenas y se
produce la separación de las mismas, pero no se rompen los enlaces fosfodiester covalentes que forman la
secuencia de la cadena.
La desnaturalización del ADN puede ocurrir, también, por variaciones en el pH.
Al enfriar lentamente puede renaturalizarse.
4.- ARN O ÁCIDOS RIBONUCLEICO O RNA
A.- ESTRUCTUR
A
Está formado por la unión de muchos ribonucleótidos, los cuales se unen entre ellos mediante enlaces
fosfodiester en sentido 5´-3´( igual que en el ADN
Están formados por una sola cadena, a excepción del ARN bicatenario de los reovirus.
ESTRUCTURA PRIMARIA DEL ARN
Al igual que el ADN, se refiere a la secuencia de las bases nitrogenadas que constituyen sus nucleótidos.
ESTRUCTURA SECUNDARIA DEL ARN
Alguna vez, en una misma cadena, existen regiones con secuencias complementarias capaces de aparearse.
ESTRUCTURA TERCIARIA DE ARN
Es un plegamiento, complicado, sobre al estructura secundaria.
B.- CLASIFICACIÓN DE LOS ARN.
Para clasificarlos se adopta la masa molecular media de sus cadenas, cuyo valor se deduce de la velocidad de
sedimentación. La masa molecular y por tanto sus dimensiones se miden en svedberg (S). Según esto tenemos:
ARN MENSAJERO (ARNm)
Sus características son la siguientes:
Cadenas de largo tamaño con estructura primaria.
Se le llama mensajero porque transporta la información necesaria para la síntesis proteica.
Cada ARNm tiene información para sintetizar una proteina determinada.
Su vida media es corta.
En procariontes el extremo 5´posee un grupo trifosfato
En eucariontes en el extremo 5´posee un grupo metil-guanosina unido al trifosfato, y el el extremo
3´posee una cola de poli-A
En los eucariontes se puede distinguir también:
Exones, secuencias de bases que codifican proteinas
Intrones, secuencias sin información.
Un ARNm de este tipo ha de madurar (eliminación de intrones) antes de hacerse funcional. Antes de madurar,
el ARNm recibe el nombre de ARN heterogeneonuclear (ARNhn ).
ARN RIBOSÓMICO (ARNr)
Sus principales características son:
Cada ARNr presenta cadena de diferente tamaño, con estructura secundaria y terciaria.
Forma parte de las subunidades ribosómicas cuando se une con muchas proteinas.
Están vinculados con la síntesis de proteinas.
ARN NUCLEOLAR (ARNn)
Sus características principales son:
Se sintetiza en el nucleolo.
Posee una masa molecular de 45 S, que actua como recursor de parte del ARNr,
concretamente de los ARNr28 S (de la subunidad mayor), los ARNr 5,8 S (de la subunidad
mayor) y los ARNr 18 S (de la subunidad menor)
ARNu
Sus principales características son:
Son moléculas de pequeño tamaño
Se les denomina de esta manera por poseer mucho uracilo en su composición
Se asocia a proteinas del núcleo y forma ribonucleoproteinas pequeño nucleares (RNPpn) que
intervienen en:
Corte y empalme de ARN
Maduración en los ARNm de los eucariontes
Obtención de ARNr a partir de ARNn 45 S.
ARN TRANSFERENTE (ARNt)
Sus principales características son.
Son moléculas de pequeño tamaño
Poseen en algunas zonas estructura secundaria, lo que va hacer que en las zonas donde no hay
bases complementarias adquieran un aspecto de bucles, como una hoja de trebol.
Los plegamientos se llegan a hacer tan complejos que adquieren una estructura terciaria
Su misión es unir aminoácidos y transportarlos hasta el ARNm para sintetizar proteinas.
El lugar exacto para colocarse en el ARNm lo hace gracias a tres bases, a cuyo conjunto se llaman anticodón
(las complementarias en el ARNm se llaman codón).
C.- SINTESIS Y LOCALIZACIÓN DE LOS ARN
En la célula eucarionte los ARN se sintetizan gracias a tres tipos de enzimas:
ARN polimerasa I, localizada en el nucleolo y se encarga de la sinteis de los ARNr 18 S, 5,8 S y 28 S.
ARN polimerasa II, localizada en el nucleoplasma y se encarga de la síntesis de los ARNhn, es decir de los
precursores de los ARNm
ARN polimerasa III, localizada en el nucleoplasma y se encarga de sintetizar los ARNr 5 S y los ARNm.
FUNCIONES DE LOS ÁCIDOS NUCLEICOS.
Entre las principales funciones de estos ácidos tenemos:
-Almacenamiento de la información genética
-Replicación de su propia molécula
-Síntesis de ARN (transcripción)
-Transferencia de la información genética.
Causa de la enorme variabilidad del mundo vivo (debido a la información que almacena y su capacidad de transmitirla
Duplicación del ADN
Expresión del mensaje genético:
Transcripción del ADN para formar ARNm y otros
Traducción, en los ribosomas, del mensaje contenido en el ARNm a proteinas.
FIN.
BIOSÍNTESIS DE PROTEÍNAS
En el proceso de biosíntesis de proteínas participan numerosas moléculas y estructuras celulares, como:
Moléculas:
ADN , ARNm, ARNt y ARNr, Enzimas, ATP
Estructuras celulares:
Núcleo, Cromosomas, Ribosomas
Las proteínas se sintetizan en los ribosomas a partir del ADN y consta de varios
pasos (Fig. 1).
Fig. 1: Pasos de la síntesis de proteínas.
Duplicación del ADN
El dogma central de la genética molecular es que la información fluye del ADN al ARN y a través de este a
la proteína.
La replicación del ADN es una propiedad esencial del material genético. Es la única molécula capaz de de
hacer copias idénticas de ella misma y ocurre una vez en cada ciclo celular durante la fase S previa a
la mitosis o meiosis, mientras que la transcripción y traducción ocurren repetidamente durante toda la interfase.
La duplicación del ADN es un proceso notablemente rápido, a razón de 50 nucleótidos por segundo. Este
proceso comienza cuando unas enzimas conocidas como helicasas rompen uniones entre las bases
nitrogenadsa de las dos cadenas de nucleótidos que conforman la molécula de ADN, de esta manera se abre
la doble hélice.
Una vez que las dos cadenas se separan, proteínas adicionales, conocidas como proteínas de unión a cadena
simple, se unen a las cadenas individuales, manteniéndolas separadas y evitando que se retuerzan. Esto
posibilita el siguiente paso, la síntesis real de las nuevas cadenas, catalizadas por enzimas conocidas
como ADN polimerasas. Además es necesaria otra enzima, la ARN polimerasa. Una vez que se han
sintetizados las cadenas nuevas, actúa otro grupo de enzimas, las ADN ligasas que une las cadenas.
Transcripción del ADN
Las instrucciones para fabricar una proteína están en la molécula de ADN, pero esta no la puede fabricar, para
ello es necesario el ARN. El ARN se sintetiza a partir de la molécula de ADN mediante el proceso conocido
como transcripción.
La transcripción comienza cuando la enzima ARN polimerasa, toma contacto con el ADN y lo abre y, a medida
que la enzima se mueve a lo largo de la molécula de ADN, se separan las dos cadenas de la molécula. Los
nucleótidos que constituyen los bloques estructurales, se ensamblan en el ARN, siendo esta última cadena
complementaria a la del ADN que tomo como molde (Fig. 3)
La molécula de ARNm formada abandona el núcleo y se dirige hacia los ribosomas que se hallan en el
citoplasma libres o adheridos al retículo endoplasmático.
Traducción
La traducción ocurre en varias etapas:
Primero está la iniciación. Esta comienza cuando la molécula de ARNm se une a la subunidad ribosómica más
pequeña. La primera molécula de ARNt, que lleva el aminoácido se acopla con el codón iniciador AUG de la
molécula de ARNm. Luego se acopla la subunidad ribosómica más grande. Un segundo ARNt, con su
aminoácido unido, se coloca en el sitio A y su anticodón se acopla con el ARNm. Se forma un enlace peptídico
entre los dos aminoácidos reunidos en el ribosoma. Al mismo tiempo, se rompe el enlace entre el primer
aminoácido y su ARNt (Fig. 4).
El ribosoma se mueve a lo largo de la cadena de ARNm en una dirección 5' a 3', y el segundo ARNt, con el
dipéptido unido, se mueve desde el sitio A al sitio P, a medida que el primer ARNt se desprende del ribosoma.
Un tercer ARNt se coloca en el sitio A y se forma otro enlace peptídico. La cadena peptídica naciente siempre
está unida al ARNt que se está moviendo del sitio A al sitio P y el ARNt entrante que lleva el siguiente
aminoácido siempre ocupa el sitio A. Este paso se repite una y otra vez hasta que se completa el polipéptido. A
esta parte del proceso se la llama elongación (Fig. 5).
Cuando el ribosoma alcanza un codón de terminación en este ejemplo UGA, el polipéptido se escinde del
último ARNt y el ARNt se desprende del sitio P. El sitio A es ocupado por un factor de liberación que produce
la disociación de las dos subunidades del ribosoma. A este proceso se lo llama terminación (Fig. 6).