Nucleótidos y ácidos nucleicos 2: El ADN y ARN

3. El ADN

3.1 Las moléculas de ADN tienen diferente composición de bases

La composición de las bases en el ADN está sujeta a las reglas de Chargaff:

1. La composición de las bases del AND varía de un sujeto a otro.
2. El ADN dentro de un sujeto es igual en todos los tejidos.
3. La composición del ADN no varía con la edad, ni con su estado nutricional, ni con las variaciones ambientales.
4. En todas las especies la cantidad de adenina es igual a la de timina (A=T), y también (G=C). Por tanto A+G=T+C, es decir, la suma de los residuos de purinas es igual a la suma de residuos de pirimidinas.

La estructura del ADN fue descubierta por James Watson y Francis Crick en 1953. Se trata de dos cadenas de polinucleótidos enrolladas alrededor de un eje común formando una doble hélice. Las dos cadenas son antiparalelas con enrollamiento dextrógiro y presentan dos surcos, el mayor y el menor. Hay que tener en cuenta que las bases están orientadas hacia el centro de la hélice, y las pentosas y los fosfatos hacia el exterior. Cada base está unida por puentes de hidrógeno (apareamiento de bases complementarias) a una hebra opuesta (par de bases).

La molécula de ADN se mantiene unida por los enlaces de hidrógeno. Entre G y C se forman tres enlaces, mientras que entre A y T sólo dos. Un ADN que tenga más G y C será más difícil de separar.

3.2 El ADN puede adoptar distintas formas tridimensionales

La estructura “típica” que se estudia normalmente (la descubierta por Watson y Crick) es denominada forma B. Es la forma más estable del ADN.

La forma A predomina en disoluciones pobres en agua. Se trata de una hélice dextrógira pero más gruesa y con 11 pares de bases por vuelta (10,5 en forma B). El plano de las pares de bases tiene una inclinación de 20º con respecto al eje de la hélice. El surco mayor es más profundo y el surco menor es más superficial.

La forma Z es una hélice levógira que contiene 12 pares de bases por vuelta. Es una estructura más delgada y alargada.

4.  Estructura y función del ARN

El ARN se produce al transcribir ADN, es decir, el ARN es complementario. Posteriormente el ARN es traducido a la secuencia correspondiente de aminoácidos que formarán una proteína. Hay varios tipos de ARN:

• ARN ribosómino (ARNr): Es el componente principal de los ribosomas y tienen un papel catalítico y estructural en la síntesis de proteínas. Los ribosomas están formados por dos subunidades (mayor y menor) que, para analizarlas, se separan por ultracentrifugación. El movimiento de una partícula en esta técnica se caracteriza por un coeficiente de sedimentación que se expresa en unidades Sverdberg (S). Los ribosomas eucarióticos tienen un coeficiente de sedimentación de 80S, y la subunidad grande y pequeña 60S y 40S respectivamente.
• ARN de transferencia (ARNt): Es muy pequeño y consta de solo una cadena. Su función es transportar los aminoácidos en forma activada hacia el ribosoma. En el ARNt se forman puentes de hidrógeno entre bases igual que en el ADN, pero la timina se sustituye por el uracilo. En su estructura se puede apreciar un brazo del anticodón que contiene el anticodón, un brazo D que contiene dihidrouridina (D), y el brazoT ΨC (brazo T) que contiene ribotimina y pseudouridina.

• ARN mensajero (ARNm): Es el menos abundante y su función es ser el molde para la síntesis de proteínas. El ARNm es complementario al mensaje genético contenido en un segmento específico del ADN. En eucariotas inicialmente está formado por ARN nuclear heterogéneo con largos intrones que al ser eliminados dan ARNm.
• ARN pequeño nuclear (ARNpn): Se encuentra en el núcleo de las células eucariotas y su función es contribuir al procesamiento del ARNm que se transcribe del ADN para dar una forma madura que se pueda exportar del núcleo. Es necesario porque en eucariotas la transcripción se produce en el núcleo, pero la traducción en el citosol.

Nucleótidos y ácidos nucleicos 1: Los nucleótidos

Los nucleótidos participan en numerosas funciones celulares: funciones de oxidorreducción, transferencia de energía, señales intracelulares y reacciones de biosíntesis. Además constituyen el ADN y ARN.

2. Los nucleótidos

Las funciones de los nucleótidos son:

• Transmisión de energía (ATP)
• Señales químicas (AMPc)
• Componentes de coenzimas e intermediarios metabólicos (NAD⁺…)
• Constituyentes de ADN y ARN

2.1 Nucleósidos y nucleótidos

2.1.1 Composición química y estructura

Los nucleótidos están compuestos por una base nitrogenada, una pentosa y un grupo fosfato.

Las bases nitrogenadas derivan de la purina o pirimidina. Las bases púricas son la adenina (A), y la guanina (G), ambas presentes en ADN y ARN. Las bases pirimidínicas son la citosina (C), uracilo (U) y timina (T). La T aparece sólo en el ADN y el U sólo en el ARN.

Las bases nitrogenadas se unen a las pentosas por enlace N-glucosídico con el C-1 de la pentosa. En el ADN la pentosa es la 2-desoxi-D-ribosa y en el ARN la D-ribosa.

En cuanto al grupo fostato, se une al C-5 de la pentosa normalmente. La unión de base con pentosa y grupo fosfato da una estructura llamada nucleósido.

Hay que tener en cuenta que el ADN y ARN pueden tener bases nitrogenadas derivadas de las mencionadas (por metilación) o bases nuevas.

2.2 Los nucleótidos de los ácidos nucleicos están unidos por enlaces fosfodiester

Los nucleótidos se pueden unir a otros para formar ADN y ARN. La unión se realiza entre el grupo –OH de grupo fosfato del C-5 con el –OH de la siguiente pentosa en el C-3. Así se obtiene una zona con un residuo terminal en C-5 que no está unido a otro nucleótido (extremo 5’) y otro residuo terminal que no tiene unido otro nucleótido en C-3 (extremo 3’).

Proteínas 2: Principales funciones de las proteínas

Tienen funciones diversas como estructurales (colágeno), transporte y almacenamiento (hemoglobina), participación en la contracción muscular (actina y miosina), defensa del organismo (inmunoglobulinas) y también recaptación y transmisión de señales (Vía JAK/STAT). Además, hay proteínas con función catalítica (enzimas).

En la mayoría de los casos, la función de las proteínas depende de la interacción reversible con moléculas (ligandos). Al interaccionar con el ligando, la estructura terciaria de la proteína cambia, lo que puede desencadenar efectos fisiológicos al modificarse la actividad de dicha proteína. La unión del ligando a la proteína se produce en los sitios de fijación o de unión.

2.1 Una proteína fibrosa con función estructural: el colágeno

El colágeno es la proteína con función estructural más abundante en vertebrados. Existen varios tipos siendo el I el más abundante.

2.1.1 La molécula de colágeno tiene estructura triple hélice

La molécula tiene una estructura triple hélice dextrógira formada por cadenas individuales denominadas cadenas α. Cada cadena tiene una estructura secundaria de hélice levógira sin puentes de hidrógeno intracatenarios. La estructura cuaternaria del colágeno se estabiliza con puentes de hidrógeno entre cadenas α y por entrecruzamiento covalente. Las zonas terminales (telopéptidos) carecen de estructura triple hélice y son esenciales para la formación de fibrillas en algunos tejidos.

Tiene un elevado contenido en glicina (Gly), prolina (Pro), hidroxiprolina (Hyp) e hidroxilisina (HyLys). La presencia de una Gly cada tres aminoácidos es necesaria para que las tres cadenas se puedan empaquetar de forma densa. La importancia de este aminoácido se evidencia por ejemplo en la osteogénesis imperfecta. En cuanto a la Pro y Hyp limitan la rotación de la cadena y le proporcionan la estructura secundaria helicoidal. La Hyp es catalizada por la prolil hidroxilasa que precisa la vitamina C como coenzima. Este aminoácido es necesario para la formación de puentes de hidrógeno entre los grupos hidroxilo y el agua.

La hidroxilisina permite la formación de los entrecruzamientos covalentes intramoleculares e intermoleculares de las moléculas de colágeno.

En cuanto a las enfermedades asociadas a alteraciones genéticas o metabólicas del colágeno tenemos:

• Osteogénesis imperfecta: Una mutación da como resultado cadenas α donde faltan 84 aminoácidos. Las cadenas cortas sea asocian con las normales, formando una triple hélice defectuosa que es degradada. Existen otros tipos donde la Gly es sustituida por otro aminoácido, dando también una cadena inestable.
• Escorbuto: La deficiencia de colágeno se debe a falta de ácido ascórbico (vitamina C) necesario para la activación de dos hidroxilasas que catalizan la hidroxilación de los residuos de Pro y Lys. Esto también produce hélices inestables que son degradadas en el interior de la célula.
• Latirismo: Enfermedad inducida por la ingesta de semillas de la planta Lathyrus odoratus (guisante dulce) que contiene un β-aminopropionitrilo que actúa como inhibidor irreversible de la enzima lisil oxidasa requerida en la primera etapa de oxidación que lleva a la formación de los entrecruzamientos de las moléculas de colágeno.

2.1.2 Las moléculas de colágeno se pueden asociar formando fibras

En los colágenos tipo I, III, V y XI las unidades se reagrupan formando estructuras macromoleculares. Las moléculas de colágeno se disponen en líneas paralelas en forma de escalera (ver imagen) de forma que no existe conexión entre sus extremos (separados por 400 Amstrong). La disposición se obtiene por superposición de las zonas apolares e ionizables de moléculas contiguas entre las que se establecen fuerzas de atracción no covalentes (hidrofóbicas y electrostáticas).

Los enlaces covalentes son los responsables de las diferencias físico-químicas de los colágenos de los diferentes tejidos y de los cambios que se aprecian durante el envejecimiento. La primera etapa para la formación de estos enlaces es la oxidación de grupo amino de la cadena lateral de un residuo de Lys que se transforma en un grupo aldehído (residuo oxidado se denomina alisina).

2.1.3 El colágeno se sintetiza como procolágeno

El principal tipo de colágeno en mamíferos es el tipo I y su síntesis se realiza en los fibroblastos y osteoblastos. El proceso comienza en el retículo endoplasmático rugoso y finaliza en el aparato de Golgi, donde se forma el procolágeno. Esta molécula contiene unas zonas globulares en los extremos C y N terminales (propéptidos) que impiden que las moléculas se asocien formando fibras en el interior de la célula. Los propéptidos se eliminan fuera de la célula.

Hay que mencionar que las enzimas que se encargan de degradar el colágeno se denominan colagenasas.

2.2 Una proteína globular con estructura cuaternaria que une ligandos específicos: la hemoglobina

La hemoglobina se encarga de transportar el oxígeno en la sangre, pero también el CO₂ y los H⁺. Se trata de una proteínas esférica compuesta por 4 subunidades (2 cadenas α y 2 cadenas β). Cada subunidad cuenta con un grupo prostético hemo, con capacidad para fijar un oxígeno. Esta unión produce un cambio en la estructura cuaternaria de la proteína, que pasa de una forma denominada T a una forma R (presenta mayor afinidad por el oxígeno). Esto es lo que provoca que las posteriores moléculas de oxígeno se unan con mayor facilidad a la hemoglobina. El equilibrio entre las formas T y R permite controlar el transporte de gases por el organismo. Este equilibrio está controlado por la concentración de H⁺, que si aumentan inducen a la molécula de hemoglobina a desprenderse del oxígeno.

La reacción inversa se produce en los tejidos que necesitan oxígeno, ya que el intenso metabolismo provoca un aumento en el ácido láctico y por lo tanto de H⁺. De este modo se libera el oxígeno en los tejidos que lo necesitan y además, la hemoglobina actúa como un sistema tampón.

En el efecto Bohr ocurre lo contrario a lo anterior y consiste en pasar de forma T a R cuando la Hb capta oxígeno en los pulmones. Este efecto es de gran importancia fisiológica.

2.3 Las inmunoglobulinas tienen función de defensa gracias a uniones específicas

Las inmunoglobulinas (Ig) son producidas por los linfocitos B para combatir antígenos extraños. El mecanismo explicado de forma sencilla consiste en marcar estas moléculas extrañas para que otras células (linfocitos T), las reconozcan y destruyan.

Para que comience la síntesis de Ig, debe existir una molécula antigénica. Esta molécula contiene unas porciones denominadas epítopos capaces de desencadenar la producción de anticuerpos y la respuesta del sistema inmune. Las Ig son glucoproteínas compuestas por dos cadenas ligeras (L) y dos cadenas pesadas (H) que se asocian formando una estructura en forma de Y (en el caso de Ig G) que se mantiene por fuerzas no covalentes y puentes disulfuro intercatenarios. Al tener las 4 cadenas la misma orientación, los extremos N-terminales se encuentran próximos. Los extremos C-terminales se denominan dominios constantes al tener secuencias semejantes en todos los antígenos, mientras que los extremos N-terminales se denominan dominios variables y son específicos para unirse a cada antígeno. La unión se produce mediante interacciones no covalentes (Van der Waals, puendes de hidrógeno…) con el antígeno y se producen cambios conformacionales en la proteína.