Estructura y función del ADN y ARN: guía de biología molecular

Ácidos nucleicos: ADN y ARN

El ADN

Composición, estructura y función del ADN: el ADN es el material genético, el portador de los caracteres hereditarios, por lo que cumple 2 funciones: almacenar la información genética: esto quiere decir que el ADN contiene la información genética para el crecimiento y desarrollo del organismo, con las características típicas de su especie. Como las proteínas son las biomoléculas específicas, y las características de cada organismo son consecuencia de su contenido proteico, el ADN de un organismo ha de contener las instrucciones precisas para sintetizar las proteínas determinadas y no otras. Por tanto, el ADN dirige el proceso de síntesis de proteínas. transmitir la información genética: es decir, copiarse exactamente en cada generación. Antes de que la célula se divida, su ADN tiene que formar copias exactas de sí mismo para que cada célula hija reciba una copia. Este proceso se denomina replicación o duplicación del ADN. Es por esto que los caracteres hereditarios se transmiten de generación en generación.

Composición

Está formado por la unión de desoxirribonucleótidos, es decir, sus nucleótidos componentes contienen desoxirribosa. En cuanto a las bases nitrogenadas pueden ser A y G (púricas) y C y T (pirimidínicas), pero nunca U. Con excepción de algunos virus, el ADN está constituido por 2 cadenas polinucleotídicas (bicatenario) unidas entre sí en toda su longitud. Esta doble cadena puede disponerse en forma lineal o circular.

La molécula de ADN contiene la información necesaria para el desarrollo de las características biológicas de un individuo y contiene los mensajes e instrucciones para que las células realicen sus funciones. Es decir, lleva codificada la información a partir de la cual se forma un organismo vivo, por lo que constituye el material genético. El ADN es una molécula altamente estructurada en la que, de manera semejante a las proteínas, se distinguen varios niveles de complejidad.

Estructura primaria

Está formada por la secuencia de desoxirribonucleótidos, en cuyo extremo 5´ de la cadena existe un fosfato y en el extremo 3´ una pentosa con el -OH del carbono 3´ libre. Como todos los nucleótidos contienen desoxirribosa, la diferencia entre las moléculas de ADN de los distintos organismos radica únicamente en el orden de las bases nitrogenadas que cuelgan de las pentosas. Es decir, la secuencia precisa en que aparecen los 4 tipos de bases de las moléculas de ADN determina las características biológicas de la célula o del individuo que la contiene.

Estructura secundaria: la doble hélice de Watson y Crick

En 1962, Watson, Crick y Wilkins recibieron el Nobel por sus trabajos sobre la determinación de la estructura del ADN. La secuencia polinucleotídica se dispone en el espacio en forma de una doble hélice, según la estructura propuesta por Watson y Crick en 1953. Este modelo de estructura secundaria se descubrió gracias a 2 descubrimientos previos.

En 1950, Erwin Chargaff, tras estudiar gran cantidad de muestras de ADN pertenecientes a diversas especies de organismos, observó que siempre existía la misma cantidad de bases nitrogenadas púricas y pirimidínicas. También descubrió que A = T y C = G. Estos resultados constituyen la ley de equivalencia de bases de Chargaff. Por otra parte, en la misma época, Franklin y Wilkins aplicaron el método de difracción de rayos X al ADN y dedujeron que esta molécula posee una estructura helicoidal con 2 periodicidades. A partir de estos datos, Watson y Crick hicieron su modelo de estructura tridimensional del ADN, que presenta las siguientes características:

• El ADN está constituido por 2 cadenas polinucleotídicas unidas entre sí en toda su longitud.
• Las 2 cadenas son antiparalelas.
• La unión entre las cadenas se realiza mediante puentes de hidrógeno entre las bases nitrogenadas de ambas: concretamente, la A forma 2 de estos puentes con la T, y la G forma 3 con la C, con lo que las 2 cadenas son complementarias.
• Las 2 cadenas están enrolladas en espiral formando una doble hélice alrededor de un eje imaginario.
• Los planos de las bases nitrogenadas enfrentadas son paralelos entre sí y perpendiculares al eje de la hélice.
• Las bases nitrogenadas quedan en el interior de la doble hélice, y los grupos azúcar-fosfato en la parte externa.
• El enrollamiento de la doble hélice es plectonémico.
• La doble hélice es dextrógira.
• La anchura de la hélice es de 2 nm.

Esta estructura proporciona una explicación de la replicación exacta de las 2 hebras. Esta propiedad permite transmitir la información genética de generación en generación.

Estructura terciaria

La estructura en doble hélice sufre nuevos plegamientos que dan lugar a un tercer nivel estructural.

Empaquetamiento del ADN

El modo en que se almacena el ADN es diferente en los procariotas y en los eucariotas. Las bacterias contienen una sola molécula de ADN bicatenaria, desnuda y de forma circular. Para conseguir el máximo empaquetamiento se pliega como una superhélice. En las mitocondrias y cloroplastos de las células eucariotas, el ADN presenta la misma estructura. En los virus, el ADN puede ser de cadena doble o sencilla y está rodeado por la cápsula proteica. El ADN de los eucariotas se asocia a histonas y proteínas cromosómicas no histónicas. Estas últimas incluyen más de 100 proteínas, en su mayor parte enzimas que intervienen en la duplicación y transcripción del ADN.

El ARN

Función: expresar la información genética, es decir, ejecutar las órdenes contenidas en el ADN. Por tanto, el ARN es el encargado de sintetizar las proteínas. Además, en algunos virus es el material hereditario.

Composición

Componentes moleculares: el ARN, al igual que el ADN, es un polímero no ramificado, compuesto por una serie de nucleótidos unidos por enlaces éster fosfóricos. El ARN difiere del ADN en que la pentosa de los nucleótidos constituyentes es la ribosa, en vez de desoxirribosa, y en que en las 4 bases nitrogenadas mayoritarias presentes aparece uracilo (U) en lugar de T. El U, como sucede con la T, puede emparejarse con la A. Las cadenas son más cortas que las del ADN y pueden aparecer tanto en el núcleo como en el citoplasma celular. Excepto en los reovirus, el ARN está constituido por una única cadena, aunque en el ARN de transferencia existe un apareamiento de bases intracatenario, lo que hace que aparezcan tramos bicatenarios, originados por el plegamiento de la cadena sobre sí misma.

Tipos de ARN

• ARN mensajero (ARNm): se sintetiza en el núcleo, siendo una copia de una parte del ADN que será transportada al citoplasma y utilizada por los ribosomas como información para poder unir los aminoácidos en el orden adecuado y constituir una proteína concreta. Tiene una vida muy corta.
• ARN ribosómico (ARNr): forma parte de los ribosomas y participa, por tanto, en el proceso de unión de los aminoácidos para sintetizar las proteínas. No constituye una molécula específica de cada organismo, pues, a diferencia del mensajero, no contiene información sobre la clase de proteína que se va a sintetizar. Existen varias cadenas distintas de ARNr, que se diferencian por su coeficiente de sedimentación. Gran parte de la molécula es doble y en forma de hélice, por formación de asas u horquillas.
• ARN de transferencia (ARNt): transporta los aminoácidos presentes en el citoplasma celular hasta los ribosomas, donde se unirán para constituir las proteínas. Cada molécula de ARNt transporta un aminoácido específico unido por una de las enzimas también específicas llamadas aminoacil-ARNt sintetasas. Estas diferencias se deben a una secuencia de tres bases nitrogenadas (anticodón), que varía entre los distintos ARNt. Esta secuencia es complementaria de otra formada por un triplete de bases nitrogenadas en el ARNm (codón). Las moléculas de ARNt poseen una estructura secundaria muy característica, en la que existen tramos de doble cadena, por emparejamiento intracatenario, llamados brazos.

Funciones de los ácidos nucleicos

La del ADN y del ARN.

Estructura de las proteínas

La actividad biológica de una proteína depende en gran medida de la disposición espacial de su cadena polipeptídica, la cual sufre una serie de plegamientos que la capacitan para llevar a cabo su función biológica. Estos plegamientos proporcionan una complejidad extraordinaria a la estructura de las proteínas, para la que se han descrito 4 niveles diferentes, cada uno de los cuales se construye a partir del nivel anterior.

Estructura primaria

Es la secuencia de aminoácidos en la cadena polipeptídica. El número, tipo y orden son distintos en cada proteína. Siempre existe un extremo con un aminoácido cuyo grupo amino está libre y otro extremo con un aminoácido con su grupo carboxilo libre. Constituye una cadena de planos articulados, ya que los enlaces peptídicos no pueden girar y los átomos de C, N, O y H que participan en ellos se sitúan en un mismo plano. Es importante porque determina la conformación tridimensional específica de la proteína, necesaria para su función.

Estructura secundaria

Aunque la disposición de la cadena polipeptídica en el espacio puede adoptar múltiples formas, existe una conformación más estable que ninguna