Ácidos Nucleicos y Células: ADN, ARN y Fundamentos de Biología Celular

Ácidos Nucleicos: Los Ladrillos de la Vida

Los ácidos nucleicos son biomoléculas orgánicas fundamentales, compuestas por carbono (C), hidrógeno (H), oxígeno (O), nitrógeno (N) y fósforo (P). Se consideran polímeros, ya que están formados por largas cadenas de unidades repetitivas llamadas nucleótidos (los monómeros).

Componentes de un Nucleótido

Cada nucleótido está formado por tres componentes esenciales:

• Un azúcar pentosa: Un monosacárido de cinco carbonos.
• Una base nitrogenada: Un compuesto cíclico que contiene nitrógeno.
• Un grupo fosfato: Derivado del ácido fosfórico (H₃PO₄).

1. Los Azúcares (Pentosas)

Existen dos tipos de azúcares pentosas, y su presencia determina si el ácido nucleico es ADN o ARN.

• Ribosa: Presente en el ARN (Ácido Ribonucleico).
  
• Desoxirribosa: Presente en el ADN (Ácido Desoxirribonucleico).
  

2. Las Bases Nitrogenadas

Las bases nitrogenadas son compuestos que contienen nitrógeno y se clasifican en dos grupos:

• Bases Púricas: Adenina (A) y Guanina (G). Ambas se encuentran tanto en el ADN como en el ARN.
• Bases Pirimidínicas: Citosina (C), Timina (T) y Uracilo (U).
  • La Citosina (C) está presente en el ADN y el ARN.
  • La Timina (T) se encuentra exclusivamente en el ADN.
  • El Uracilo (U) se encuentra exclusivamente en el ARN.

3. El Grupo Fosfato

Proviene del ácido fosfórico (H₃PO₄) y es el componente que le confiere la naturaleza ácida a la molécula.

Formación de Nucleósidos y Nucleótidos

La unión de estos componentes sigue un orden específico:

• Un nucleósido se forma por la unión de un azúcar y una base nitrogenada mediante un enlace N-glucosídico.
• Un nucleótido se forma cuando se añade uno o más grupos fosfato al nucleósido. El primer fosfato se une al azúcar mediante un enlace fosfoéster. Si se añaden más grupos fosfato, se unen entre sí mediante enlaces anhídrido fosfórico, que son enlaces de alta energía.

Los nucleótidos (monómeros) se unen entre sí para formar los polímeros conocidos como ácidos nucleicos: el ADN y el ARN.

Nucleótidos Trifosfato: Moneda Energética Celular

Los nucleótidos trifosfato, como el ATP (adenosín trifosfato) y el GTP (guanosín trifosfato), son moléculas esenciales para la vida. Actúan como fuentes de energía y mensajeros químicos en innumerables reacciones celulares. El ATP, por ejemplo, está compuesto por:

• Adenina (una base nitrogenada).
• Ribosa (un azúcar de cinco carbonos).
• Tres grupos fosfato unidos en cadena.

Formación de los Ácidos Nucleicos

Los ácidos nucleicos se forman por la polimerización (unión) de muchos nucleótidos. La unión se produce entre el carbono 3' de la pentosa de un nucleótido y el grupo fosfato en el carbono 5' del siguiente. A este enlace se le denomina enlace fosfodiéster.

Esta unión secuencial crea una cadena con una orientación definida, que se lee desde el extremo 5' (con un grupo fosfato libre) hacia el extremo 3' (con un grupo hidroxilo -OH libre), expresado como 5'P → 3'OH.

Existen dos tipos principales de ácidos nucleicos:

• Ácido Desoxirribonucleico (ADN o DNA)
• Ácido Ribonucleico (ARN o RNA)

El ADN (Ácido Desoxirribonucleico)

El ADN se caracteriza por tener dos cadenas de nucleótidos enrolladas formando una doble hélice. Estas cadenas son antiparalelas (corren en direcciones opuestas) y complementarias. La complementariedad se basa en el apareamiento de bases específico:

• La Adenina (A) siempre se une con la Timina (T) mediante dos puentes de hidrógeno.
• La Guanina (G) siempre se une con la Citosina (C) mediante tres puentes de hidrógeno.

Este apareamiento mantiene constante la anchura de la doble hélice.

Niveles de Estructura del ADN

Estructura Primaria

Es la secuencia lineal y concreta de desoxirribonucleótidos en una sola hebra. En esta secuencia de bases nitrogenadas reside la información genética, que es crucial para tres procesos fundamentales:

1. Replicación del ADN: Permite que el mensaje genético se transmita de células madre a células hijas.
2. Transcripción del ADN: Permite copiar el mensaje genético del ADN a una molécula de ARN.
3. Traducción del ARN: Convierte el mensaje genético, transcrito en forma de ARN, en una secuencia específica de aminoácidos para formar una proteína.

Estructura Secundaria

Es la famosa conformación de doble hélice, que se asemeja a una escalera de caracol. Se forma cuando las dos hebras complementarias se enrollan en el espacio una sobre la otra.

Niveles Superiores de Empaquetamiento

Para caber dentro de la célula, la doble hélice de ADN se pliega y compacta gracias a proteínas especiales llamadas histonas. Esto da lugar a estructuras como el collar de perlas y, finalmente, la cromatina, que se condensa para formar los cromosomas durante la división celular.

Nota sobre la desnaturalización: Al calentar el ADN a 100°C, las dos hebras se separan (desnaturalización). Si se enfría a 65°C, las hebras pueden volver a unirse (renaturalización).

Nota sobre el ADN procariota: En células procariotas, mitocondrias y cloroplastos, el ADN suele ser una molécula de doble hélice, circular y "desnuda" (no asociada a histonas).

Cada fragmento de ADN con información para una función (lo que llamamos gen) dirige la síntesis de una proteína y determina así un carácter o fenotipo.

El ARN (Ácido Ribonucleico)

El ARN generalmente está formado por una sola cadena de ribonucleótidos. Sus bases nitrogenadas son Adenina, Guanina, Citosina y Uracilo (en lugar de Timina). Aunque es monocatenario, la cadena puede plegarse sobre sí misma, permitiendo que bases complementarias se unan (Adenina con Uracilo y Guanina con Citosina).

Tipos de ARN

• ARN ribosómico (ARNr): Es el componente principal de los ribosomas, los orgánulos donde se sintetizan las proteínas.
• ARN transferente (ARNt): Se encuentra libre en el citoplasma y su función es transportar los aminoácidos específicos hasta el ribosoma durante la síntesis de proteínas.
  
• ARN mensajero (ARNm): Su función es copiar la información genética del ADN en el núcleo y llevarla hasta los ribosomas en el citoplasma. El ARNm es una secuencia lineal de nucleótidos que se lee en grupos de tres, llamados codones.

Funciones de los Ácidos Nucleicos

Las funciones de los ácidos nucleicos en las células son cruciales y se pueden resumir en dos procesos interconectados:

• Almacenamiento de la información genética: El ADN es la molécula que almacena de forma estable y a largo plazo la información genética necesaria para el desarrollo y funcionamiento de un organismo. Esta información es específica para cada especie y se organiza en genes.
• Expresión y transmisión de la información genética: El ARN juega un papel central en la expresión de esta información. El ARN mensajero (ARNm) copia la información del ADN (transcripción) y la transporta a los ribosomas, donde sirve de molde para la síntesis de proteínas (traducción). Por otro lado, el ADN es el responsable de transmitir la información genética de una generación a la siguiente a través de la replicación, asegurando la herencia.

La Célula: Unidad Básica de la Vida

Las células se clasifican principalmente en dos tipos:

• Procariotas: Células sin un núcleo definido. Su material genético se encuentra en una región del citoplasma llamada nucleoide. Ejemplo: las bacterias.
• Eucariotas: Células con un núcleo verdadero que alberga el material genético.

Teoría Celular

La teoría celular establece los siguientes postulados:

• Unidad estructural: Todos los seres vivos están formados por una o más células. Es la unidad básica de la vida.
• Unidad funcional: En la célula ocurren todas las reacciones metabólicas necesarias para la vida, como el intercambio de materia y energía con su medio.
• Unidad reproductiva: Toda célula se origina a partir de la división de otra célula preexistente.
• Unidad genética: La célula contiene la información hereditaria (ADN) que se transmite a sus células hijas durante la división celular.

Componentes Comunes a Todas las Células

Todas las células, sin excepción, contienen:

• Membrana celular
• Citoplasma
• Material genético (ADN)
• Ribosomas

La Célula Procariota

Las células procariotas, como las bacterias, tienen una estructura simple que incluye pared bacteriana, membrana plasmática, citoplasma, nucleoide, ribosomas y, en algunos casos, otras estructuras como vesículas o plásmidos.

Clasificación de las Bacterias por su Forma

Partes de la Bacteria

Cápsula Bacteriana

• Envuelta externa y viscosa, fabricada por la propia bacteria.
• Formada por glucoproteínas y monosacáridos.
• Funciones: Adherencia al huésped, resistencia a la fagocitosis y protección contra la desecación.

Pared Bacteriana

• Envuelta rígida situada entre la cápsula y la membrana plasmática.
• Formada por peptidoglucano.
• Funciones: Mantener la forma de la bacteria y protegerla de la lisis osmótica.

Membrana Plasmática

• Estructura similar a la de las células eucariotas (bicapa lipídica en mosaico fluido).
• Compuesta por fosfolípidos y proteínas, pero sin colesterol.
• Funciones: Regular el paso de sustancias (transporte) y, en bacterias fotosintéticas, contener los pigmentos.

Citoplasma

• Matriz fluida (citosol) donde ocurren las reacciones químicas y se encuentran los orgánulos y estructuras celulares (nucleoide, plásmidos, ribosomas, etc.).

Otras Estructuras Citoplasmáticas

• Vesículas: Formaciones esféricas llenas de gas que ayudan a la flotación.
• Inclusiones: Acúmulos de sustancias de reserva rodeados por una envoltura proteica.
• Citoesqueleto: Entramado de filamentos proteicos que da forma y participa en la división celular.

Ribosomas

• Orgánulos responsables de la síntesis de proteínas. Formados por una subunidad grande y una pequeña.

Nucleoide

• Región central del citoplasma donde se encuentra el material genético: una única molécula de ADN circular y desnuda.

Plásmido

• Pequeña molécula de ADN circular, independiente del cromosoma principal, dispersa en el citoplasma.

Pili

• Prolongaciones tubulares cortas que participan en la adherencia y en la conjugación bacteriana (intercambio de material genético).

Flagelo Bacteriano

• Apéndice filamentoso largo y fino que proporciona movimiento a la célula.

La Célula Eucariota

Membrana Plasmática

Es una estructura asimétrica que delimita la célula, compuesta por:

• Fosfolípidos: Forman una bicapa lipídica con sus cabezas polares (hidrofílicas) hacia el exterior e interior acuoso, y sus colas apolares (hidrofóbicas) enfrentadas en el centro.
• Colesterol: Presente solo en células animales, regula la fluidez de la membrana según la temperatura.
• Glucolípidos y Glucoproteínas: Sus cadenas de oligosacáridos se orientan hacia el exterior celular, formando el glucocálix, implicado en el reconocimiento celular.
• Proteínas: Integrales o periféricas, con sus partes hidrofóbicas en el interior de la bicapa y las hidrofílicas en contacto con el agua.

Funciones de la Membrana

• Mantiene la forma y la integridad celular.
• Regula el intercambio de sustancias (permeabilidad selectiva).
• Participa en el reconocimiento, la adhesión y la comunicación celular.

Citoplasma

Es la región entre la membrana plasmática y el núcleo. Contiene el citosol y los orgánulos celulares.

Citosol

Es la matriz fluida del citoplasma, de composición principalmente acuosa (70-75% agua) con sales, moléculas orgánicas, etc.

Funciones del Citosol

• Lugar donde se realizan numerosas reacciones metabólicas.
• Actúa como tampón regulando el pH.
• Alberga los orgánulos celulares y los componentes del citoesqueleto.

Orgánulos Celulares

Citoesqueleto

Es un armazón tridimensional de filamentos proteicos (microfilamentos, filamentos intermedios y microtúbulos) que da forma a la célula, organiza los orgánulos y participa en el movimiento y la división celular.

Núcleo

Es el centro de control de la célula eucariota. Está rodeado por una envoltura nuclear de doble membrana con poros que permiten el paso de moléculas como el ARNm. Su función principal es proteger el material genético (ADN).

Retículo Endoplasmático (RE)

Es una red de sacos aplanados y túbulos membranosos conectados entre sí, que es una prolongación de la envoltura nuclear.

• Retículo Endoplasmático Rugoso (RER): Tiene ribosomas adheridos a su membrana. Su función es la síntesis y modificación inicial de las proteínas que serán secretadas o formarán parte de otras membranas.
• Retículo Endoplasmático Liso (REL): No tiene ribosomas. Participa en la síntesis de lípidos, la detoxificación celular y el almacenamiento de calcio.

Aparato de Golgi

Está formado por un conjunto de cisternas aplanadas y apiladas. Recibe las proteínas y lípidos del RE, los modifica, los clasifica y los empaqueta en vesículas para su transporte a otros destinos. También forma los lisosomas.

Lisosomas

Son orgánulos esféricos que contienen enzimas hidrolíticas ácidas. Su función es la digestión celular de macromoléculas, partículas extrañas y orgánulos viejos.

Mitocondrias

Son los orgánulos encargados de la generación de energía (ATP) a través de la respiración celular. Tienen una doble membrana y su propio ADN. El proceso se puede resumir como:

Materia orgánica + O₂ → CO₂ + H₂O + Energía (ATP)

Ribosomas

Son orgánulos no membranosos, presentes en todas las células (procariotas y eucariotas). Están formados por ARNr y proteínas, y son el lugar donde se sintetizan las proteínas.

Centrosomas

Son orgánulos no membranosos, exclusivos de las células animales. Están formados por dos centriolos perpendiculares. Su función es organizar los microtúbulos y formar el huso mitótico durante la división celular (mitosis y meiosis).