Ácidos
nucleicos
De acuerdo a la composición química, los
ácidos nucleicos se clasifican en ácidos desoxiribonucleicos (ADN) que se
encuentran residiendo en el núcleo celular y algunos organelos, y en ácidos
ribonucleicos (ARN) que actúan en el citoplasma. Se conoce con considerable
detalle la estructura y función de los dos tipos de ácidos.
Estructura.
El conocimiento de la estructura de los ácidos
nucleicos permitió la elucidación del código genético, la determinación del
mecanismo y control de la síntesis de las proteínas y el mecanismo de
transmisión de la información genética de la célula madre a las células hijas.
A las unidades químicas que se unen para formar los ácidos nucleicos se les
denomina nucleótidos y al polímero se le denomina polinucleótido
o ácido nucleico. Los nucleótidos están formados por una base nitrogenada,
un grupo fosfato y un azúcar; ribosa en caso de ARN y desoxiribosa en el
caso de ADN. Las bases nitrogenadas son las que contienen la información
genética y los azúcares y los fosfatos tienen una función estructural
formando el esqueleto del polinucleótido.
En el caso del ADN las bases son dos purinas y dos pirimidinas. Las
purinas son A (Adenina) y G (Guanina). Las pirimidinas son T (Timina)
y C (Citosina) . En el caso del ARN también son cuatro bases, dos
purinas y dos pirimidinas. Las purinas son A y G y las pirimidinas son C y U (Uracilo).
.
Un dinucleótido en el que se unieron un
nucleótido con la base A con un nucleótido con la base G y el enlace fosfodiester
se formó entre el carbono 3'del nucleótido con base A y el 5'del nucleótido con
base G, se representa simplemente como AG. Si a este dinucleótido se le agrega
otro nucleótido en el carbono 3' y este nucleótido tiene una base T, el
trinucleótido resultante se representará por AGT. Ésta es la forma simplificada
en que se acostumbra representar los polinucleótidos.
El
ADN está formado por dos cadenas muy largas de polinucleótidos unidas entre sí
por puentes de hidrógeno específicos entre las bases de las dos cadenas. La
base de una cadena que se une por los puentes de hidrógeno con la base de la
otra cadena se dice que forman un par de bases. A se parea con T y G con C
(Figura 1.1.1.G.).
Las dos cadenas se encuentran arregladas
en una estructura helicoidal alrededor de un eje común por lo que recibe el
nombre de doble hélice. Las bases se encuentran acomodadas hacia el eje de la
doble hélice, mientras que el azúcar y los fosfatos se encuentran orientados
hacia el exterior de la molécula.
Las
dimensiones de la hélice, independientemente de la especie, son las siguientes:
diámetro 20 Angstrom y la longitud del paso 34 Angstrom el cual
está constituido por 10 residuos de nucleótidos. El tamaño de la molécula de
ADN de doble hélice se expresa en miles de bases o kb. La longitud de 1kb es
entonces 0.34 micras.
Una molécula de ADN de
un milímetro de longitud estará formado de 3 mil kb o sea tres millones de
bases.
Así pues la molécula de ADN es un
largo filamento de 20 Angstrom de diámetro cuya longitud depende del número de
kb, el cual a su vez depende de la especie. El rango de tamaño va desde 2
micras (5 kb) en el virus SV40, hasta casi un metro (3 x 106
kb) en cromosomas humanos. El genoma de E. coli, no tiene extremos,
o sea forma un círculo, y el perímetro tiene una longitud de 1.4 mm (4000kb).
El genoma de los animales superiores no forma círculos, es una estructura
lineal abierta.
En los cromosomas estas moléculas se
arreglan en estructuras más compactas en las que la doble hélice se enrolla
sobre sí misma. En el caso de las bacterias, la molécula de ADN de más de un
milímetro de longitud se arregla dentro de la bacteria que sólo tiene una
longitud de una micra (o sea es una longitud mil veces menor).
El ARN es un filamento
de una sola cadena, no forma doble hélice.
La presencia de un oxígeno en la posición 2' de la ribosa impide que se forme
la doble cadena de la manera en que se forma en el ADN. El filamento de ARN se
puede enrollar sobre sí mismo mediante la formación de pares de bases en
algunas secciones de la molécula. Existen varios tipos de ARN cada uno con
función distinta. Los que forman parte de las subunidades de los ribosomas se
les denomina ARN ribosomal (rARN), los ARN que tienen la función de
transportar los aminoácidos activados, desde el citosol hasta el lugar de
síntesis de proteínas en los ribosomas; se les conoce por ARN de
transferencia (tARN) y los ARN que son portadores de la información
genética y la transportan del genoma (molécula de ADN en el cromosoma) a los
ribosomas son llamados ARN mensajero (mARN). El tamaño de las moléculas
de ARN es mucho menor que las del ADN. En el caso de E. coli va de menos
de 100 nucleótidos en los tARN hasta casi 4000 (4kb) en rARN.
Información genética.
La estructura de la doble hélice para el ADN fue originalmente propuesta por
Watson y Crick (WyC) en 1953, postulando que la secuencia en la cual se
encuentran las bases a lo largo de la molécula de ADN es lo que contiene la
información genética. No existe ningún impedimento estérico que limite la secuencia
de bases, cualquier base puede seguir a cualquier otra.
Transmisión.-
Con estas bases, WyC propusieron el mecanismo de duplicación del ADN por medio
del cual, las dos células hijas provenientes de una división celular contienen
copias idénticas del ADN presente en la célula que se dividió. A la
duplicación del ADN se le conoce con el nombre de replicación. Durante la replicación, las dos cadenas se
van separando y cada una de ellas sirve de patrón para la síntesis de su cadena
complementaria. Las bases se van agregando una a una y la selección de cuál
base entra en un sitio específico de la cadena en formación, queda determinada
por la base en la cadena patrón con la que se va a aparear.
Donde hay una A en la
cadena patrón, se inserta una T en la cadena en proceso de formación y, donde
hay una T se inserta una A, y lo mismo sucede con el apareamiento de G y C. La
nueva cadena tiene una secuencia de bases complementaria a la cadena original.
El modelo de duplicación del ADN se dice
que es semi-conservado, porque la mitad del ADN de un cromosoma, una
cadena completa, proviene de la célula paterna y la otra mitad, la otra cadena,
se sintetiza durante el proceso de replicación. Este es el mecanismo
propuesto por Watson y Crick para explicar la transmisión de la información
genética de una generación a otra.
La formación de las
uniones fosfodiester está catalizada por la ADN polimerasa.
La ADN polimerasa no formará la unión fosfodiester, a menos que la base que
está entrando a la molécula, sea complementaria a la base existente en la
cadena patrón. La frecuencia con la que se inserta una base equivocada es
menor a 1 en 100 millones.
Flujo.
El apareamiento de bases es también el mecanismo para enviar la información
genética desde el núcleo hasta los ribosomas y dirigir la síntesis de proteínas.
En este caso una porción de una de las cadenas del ADN sirve de patrón para
la síntesis de ARN y la secuencia de bases en el ARN es complementaria a la que
se presenta en la porción de la cadena que se está copiando. Al ARN que se
sintetiza en esta forma se le denomina ARN mensajero o mARN. La síntesis del
ARN es catalizada por la ARN polimerasa, que al igual que la ADN polimerasa
es una enzima patrón-dependiente. El mARN se une, en el citoplasma, a las
dos subunidades ribosomales, constituyendo el ribosoma activo, que es la
estructura celular responsable de la síntesis de proteínas. Es en este
organelo donde el mARN especifica la secuencia en que deben de insertarse
los aminoácidos en la síntesis de polipéptidos. Ésta es la forma en que la
información contenida en los cromosomas se traduce en la especificación de la
estructura primaria de las proteínas. Como ya se mencionó, la estructura
primaria determina la estructura tridimensional de la proteína, la que a su vez
determina su funcionalidad.
Al
proceso de copiado de la información genética contenida en el ADN cromosomal
durante la síntesis del mARN se le llama transcripción. Al proceso de
lectura, en el ribosoma, de la información transportada por mARN, durante la
síntesis de proteína, se le conoce como traducción.
La porción de ADN que contiene la
información para codificar una proteína determinada se le da el nombre de gene
y normalmente recibe el mismo nombre de la proteína que codifica, usando casi
siempre, una abreviación de tres letras. A la porción de ADN que codifica un
conjunto de proteínas que entran en un paso del metabolismo se le llama operón.
Por ejemplo; al conjunto de genes que intervienen en la codificación de las
proteínas que intervienen en la utilización de lactosa se les llama lac
operón.
El lenguaje utilizado para describir el
proceso de dirección de la síntesis de proteínas por los genes del cromosoma
refleja la interpretación de que se trata de un flujo de información.
El mensaje que está contenido en el
genoma se encuentra escrito en un lenguaje de 4 letras (las cuatro bases), el
cual se transcribe usando el mismo lenguaje, al sintetizar el mARN. La síntesis
de proteínas se le denomina traducción porque ahora se pasa del lenguaje de 4
letras a otro con 20 letras (los 20 aminoácidos). Para pasar de un lenguaje a
otro se necesita un código para hacer la traducción y se le denomina código
genético.
Tabla 1.1.1. A.- El
Código Genético
|
|
U
|
C
|
A
|
G
|
|
|
U
|
Phe
Phe Leu Leu |
Ser
Ser Ser Ser |
Tyr
Tyr Alto Alto |
Cys
Cys Alto Trp |
U
C A G |
|
C
|
Leu
Leu Leu Leu |
Pro
Pro Pro Pro |
His
His Gln Gln |
Arg
Arg Arg Arg |
U
C A G |
|
A
|
Ile
Ile Ile Met (Inicio) |
Thr
Thr Thr Thr |
Asn
Asn Lys Lys |
Ser
Ser Arg Arg |
U
C A G |
|
G
|
Val
Val Val Val |
Ala
Ala Ala Ala |
Asp
Asp Glu Glu |
Gly
Gly Gly Gly |
U
C A G |
|
Primera
Posición (5'-) |
Segunda Posición
|
Tercera
Posición (3'-) |
|||
Las equivalencias entre los dos lenguajes
se presentaron en la tabla anterior. Tres bases contiguas (un triplete)
codifican un aminoácido, así como también para la puntuación del mensaje.
Se determinó qué tripletes codifican cada aminoácido y qué tripletes indican el
inicio y la terminación del mensaje. Al triplete se le dio el nombre de codón.
Se encontró que algunos aminoácidos podían ser codificados por más de un codón,
o sea hay codones que son sinónimos. Por esta razón se dijo que el código
genético es degenerado.
Modificaciones.
Al estudio de las bases moleculares de la herencia se le conoce como genética
molecular o biología molecular y a las modificaciones artificiales
del ADN con el fin de cambiar el mensaje genético que contiene se le conoce
como ingeniería genética. Se pueden agregar porciones de ADN que
contienen genes que no están presentes en el cromosoma incrementando el número
de genes de la célula, o bien se pueden inducir cambios que eliminen genes
activos presentes en la célula haciendo en este caso que la célula pierda
cierta capacidad genética. Cuando se
modifica la molécula de ADN de un organismo agregándole porciones de ADN
provenientes de otro organismo se dice que se hizo una recombinación del
ADN y al resultado se le llama ADN recombinante. Esta técnica se usa
para producir organismos capaces de hacer funciones que el organismo original
no tenía. Por ejemplo se puede introducir en una bacteria el gene de la
insulina humana y la bacteria adquirirá la capacidad de sintetizar ese
polipéptido.
Tabla 1.1.1.B- Mutaciones del ADN.
|
Tipo
de mutación
|
Secuencia
del ADN
|
Secuencia
del
polipéptido Cadena superior |
|
Ninguna
|
AAT
CGG GAG
TTA GCC CTC |
Asn Arg Val
|
|
Transversión
(GC:TA) |
AAT
CCG TAG
TTA GCC ATC |
Asn
Arg (fin)
|
|
Transición GC:AT
|
AAT ACC AAG
TTA GCC TTC |
Asn Arg Lis
|
|
Incerción,
cambio de marco
Produce la sig. secuencia |
AXA TCG GGA
T T AGC CCT ATA TCG CCT TAT AGC CCT |
Ileu Ser Gli |
En párrafos anteriores se mencionó que la
replicación del ADN se hace con gran fidelidad, con una frecuencia de errores
del orden de 10-8, sin embargo, sí ocurren errores.
Si se substituye una purina por otra, o
una pirimidina por otra, al cambio se le llama transición; si se
substituye una purina por una pirimidina al cambio se le llama transversión;
si se agrega o elimina una base entonces se produce lo que se llama un cambio
de marco. En este último caso, se lee en forma errónea todo el mensaje que
sigue al punto de cambio. En algunas ocasiones, cuando se modifica una de las
bases y la ADN polimerasa no la identifica, entonces introduce una A y el
cambio final será la introducción de una T en la cadena patrónLa célula tiene
mecanismos para eliminar los errores o cambios que ocurren en el ADN, bien sea
durante la síntesis o cuando ya está formado. Si la célula no repara los
cambios y entra en el proceso de duplicación con el ADN modificado, el cambio
se fija y se vuelve permanente. El gene modificado puede ahora codificar una
proteína diferente, y si este es el caso, se dice que tuvo lugar una mutación.
En la Tabla 1.1.1.B se presenta el efecto de los cambios en el ADN sobre la
estructura primaria del polipéptido que codifica.
Existen varias substancias que
incrementan significativamente la frecuencia con la que ocurren cambios en las
bases que se introducen en el ADN que se está sintetizando y se les
denomina mutágenos. La mayoría de los cancerígenos son mutágenos.
Si la substitución, inserción o
eliminación de una base tuvo lugar en alguna parte del ADN que codifica una
proteína, entonces puede cambiar un codón y dar lugar a una modificación que
produzca la introducción de un aminoácido diferente o se codifique por
terminación de la cadena peptídica.
Las mutaciones se
clasifican de acuerdo al efecto que tienen sobre el producto del gene
modificado. Se dice que la mutación es: 1) sin sentido, si el producto
es inactivo o incompleto, 2) de pérdida del sentido, si el producto es
defectuoso y 3) silenciosa, si no se altera ni la función ni la cantidad
del producto activo.
