Estructura y tipos de ácidos nucleicos
Hay dos tipos de ácido nucleico: ácido desoxirribonucleico (ADN) y ácido ribonucleico (ARN). Ambos juegan un papel central en todas las funciones de cada organismo vivo. Los ácidos nucleicos tienen estructuras básicas similares con diferencias importantes. Están compuestos de nucleótidos monoméricos conectados como enlaces en una cadena para formar polímeros de ácido nucleico. Los nucleótidos constan de un nucleósido (la combinación de una molécula de pentosa monosacárido y una base nitrogenada) y un grupo fosfato. La diferencia entre el ARN y el ADN radica en una sola base nitrogenada y un solo átomo de oxígeno dentro de una molécula de azúcar.
ADN
El ADN es el modelo genético de un organismo vivo en el que se almacena toda la información y desde el cual se puede transmitir toda la información. Tiene una forma distintiva de doble hélice: dos hebras simples que se entrelazan entre sí. Una hebra de ADN es mucho más larga que la de una hebra singular de ARN. Esto se debe a que cada hebra de ADN de cada célula contiene el plano de todo el organismo. El ácido desoxirribonucleico se encuentra principalmente en el núcleo. Sin embargo, el ADN en una versión mucho más corta también se puede encontrar en la mitocondria (ADNmt) donde suministra los genes necesarios para la producción de trifosfato de adenosina, la fuente más importante de energía celular.
Cualquier célula que tenga un núcleo contiene ácido nucleico en forma de ADN. Hay varias excepciones a la regla. Algunas células pierden su núcleo y ADN durante el proceso de envejecimiento, como los glóbulos rojos maduros , los corneocitos y los queratinocitos. A veces se menciona que las plaquetas sanguíneas no contienen núcleo ni ADN; sin embargo, las plaquetas son fragmentos de megacariocitos y no se consideran células reales. Los organismos unicelulares (procariotas), como las bacterias, no tienen núcleo, pero contienen hebras sueltas de ADN en el citoplasma, como se muestra a continuación.
Estructura del ácido nucleico del ADN
La estructura del ADN, una doble hélice reconocida a nivel mundial, se basa en las dos hebras de una cadena principal de azúcar-fosfato que se mantienen unidas por ejes de base nitrogenada. El ADN contiene cuatro bases nitrogenadas o nucleobases: adenina, timina, citosina y guanina. Estos son compuestos naturales que dan a cada nucleótido su nombre, y se dividen en dos grupos: pirimidinas y purinas. Mientras que las pirimidinas citosina, timina y uracilo (ver ARN) son construcciones pequeñas de un solo anillo, la adenina y la guanina son más grandes y de doble anillo.
Esta diferencia de forma y tamaño y la posterior diferencia de carga eléctrica es importante, ya que solo permite emparejamientos complementarios específicos entre diferentes tipos de grupos; en el ADN, la adenina solo se unirá a la timina y la citosina solo se unirá a la guanina. Esto crea husillos de base nitrogenada de la misma longitud y una imagen de espejo en la hebra opuesta.
La forma de doble hélice del ADN es causada por la forma de los nucleótidos monoméricos. Cuando las moléculas asimétricas se apilan una encima de la otra, el resultado suele ser una hélice. En el ADN, cada hebra corre en sentido contrario a la otra, o en direcciones opuestas.
El monómero de nucleótidos que forma un solo eslabón de la cadena de polímero de ADN se forma a partir de una nucleobase, un grupo fosfato y un azúcar de cinco carbonos (pentosa) llamado 2- desoxirribosa. ‘Deoxi’ se refiere a la pérdida de un átomo de oxígeno en relación con otra forma de azúcar pentosa conocida como ribosa (ver ARN). Esta falta de un átomo de oxígeno también juega un papel en la estructura helicoidal del ADN. La siguiente imagen muestra la diferencia en la estructura química de estos dos azúcares pentosa. Note la ausencia de la molécula de oxígeno roja en el segundo carbono de desoxirribosa de la izquierda.
La desoxirribosa se une covalentemente con un grupo fosfato. Esto produce una cadena conocida como la columna vertebral de azúcar-fosfato. Esta estructura deja cada base de nucleótidos abierta y libre para unirse con la base de nucleótidos correcta en la hebra opuesta.
ARN
El ARN se encuentra en todo tipo de células. Es esencial para la producción de proteínas mediante la replicación de información genética. Usando el plano del ADN, el ARN en varias formas copia y transfiere datos genéticos codificados a los ribosomas celulares. A su vez, los ribosomas traducen estos datos en forma de proteínas. El ARN no está asociado con la estructura de doble hélice del ADN. Sin embargo, tiene la capacidad de formar esta estructura durante un período temporal y existe en hebras individuales de diferentes longitudes. Incluso en los glóbulos rojos desnucleados, el ARN continúa realizando el proceso de transcripción. Esto se debe a que la biosíntesis de proteínas es necesaria para cada reacción dentro de un organismo vivo.
Tipos de ARN
El ARN tiene cuatro formas principales nombradas según su función específica. Estos se conocen como ARN mensajero ( ARNm ), ARN de transferencia ( ARNt ), ARN ribosómico (ARNr) y ARN no codificante (ARNnn). Tres de estos (ARNm, ARNt y ARNr) son responsables de la producción de proteínas a partir de aminoácidos individuales según el modelo del ADN. El ARN no codificante es un grupo amplio de ácidos ribonucleicos que no producen proteínas a través de códigos de ADN. La investigación sobre este grupo aún está en su infancia y muchos tipos están relegados a una categoría conocida como ARN «basura». Sin embargo, grandes cantidades de ciertos tipos de ARN pueden indicar funciones en áreas como la estructura cromosómica , la homeostasis y la fisiología celular.
Estructura de ácido nucleico del ARN
En relación a la estructura, el ARN es muy similar al ADN. Las principales diferencias son: la ausencia de una estructura de doble hélice, ribosa en lugar de desoxirribosa y uracilo en lugar de timina.
El ARN se encuentra principalmente en hebras simples o en formas plegadas. Tiende a formar una doble hélice solo de forma temporal. El azúcar pentosa en forma de ribosa que forma parte de la estructura de azúcar-fosfato del ARN tiene un átomo de oxígeno adicional en el segundo átomo de carbono que forma un grupo hidroxilo. La nucleobase uracilo, específica del ARN, reemplaza la timina que se encuentra en el ADN. La imagen a continuación muestra claramente estas diferencias estructurales y elementales.
Estructura de ácido nucleico
Los ácidos nucleicos pueden formar polímeros enormes que pueden adoptar muchas formas. Como tal, hay varias formas de discutir la estructura del ácido nucleico. La «estructura del ácido nucleico» puede significar algo tan simple como la secuencia de nucleótidos en un fragmento de ADN. O podría significar algo tan complejo como la forma en que se pliega la molécula de ADN y cómo interactúa con otras moléculas.
Aquí hay un poco sobre cada nivel de estructura de ácido nucleico:
Estructura primaria
Los nucleótidos, los componentes básicos de los ácidos nucleicos y las «letras» del «código» genético, están formados por dos componentes:
- Una base nitrogenada como adenina, citosina, guanina y timina o uracilo. El ADN y el ARN tienen cada uno cuatro posibles bases nitrogenadas; donde el ADN usa timina, o «T», el ARN usa uracilo o «U» en lugar de timina. Cada una de estas cuatro bases tiene diferentes propiedades de unión, lo que garantiza que la celda no «mezcle» una letra con la otra. La timina y el uracilo tienen estructuras y propiedades casi idénticas, lo que les permite cumplir funciones similares en los dos tipos diferentes de ácidos nucleicos.
- Un esqueleto de azúcar-fosfato, que permite unir las bases nitrogenadas. El azúcar de cada nucleótido puede unirse al fosfato de otro nucleótido para convertirse en una sola molécula. Cuando se unen muchos nucleótidos, el ángulo de este enlace fosfato-azúcar suele convertir la cuerda en una hélice. Esta es la razón por la que el ADN, que es de dos hebras, adopta naturalmente la forma de una doble hélice. La estructura primaria del ácido nucleico se refiere a la secuencia de sus bases nucleotídicas y la forma en que estas se unen covalentemente entre sí. La secuencia de «letras» en una hebra de ADN o ARN, entonces, es parte de su estructura primaria, al igual que la forma helicoidal o de doble hélice.
Estructura secundaria
La estructura secundaria se refiere a cómo las bases de nucleótidos se unen entre sí, y qué forma crea esto a partir de sus dos cadenas. Los enlaces de hidrógeno que se forman entre las bases complementarias de dos cadenas de ácido nucleico son bastante diferentes del enlace covalente que se forma entre los monómeros hermanos en una cadena de ácido nucleico.
Los enlaces entre las bases en una sola hebra de ácido nucleico son covalentes: comparten completamente sus electrones y están unidos de una manera que es muy difícil de romper. Los átomos unidos por enlaces covalentes son todos parte de la misma molécula. Los enlaces de hidrógeno, por otro lado, son enlaces débiles que provienen de atracciones temporales débiles entre núcleos de hidrógeno cargados positivamente y los electrones de otros átomos. Las moléculas en realidad no comparten electrones, por lo que se pueden separar con bastante facilidad. Los cambios en factores ambientales como la acidez también pueden alterar los enlaces de hidrógeno.
La estructura secundaria más común con la que estamos familiarizados es la doble hélice que se forma cuando dos hebras complementarias de ADN se unen por hidrógeno. También son posibles otras estructuras, como un «tallo-bucle», que se produce cuando una sola molécula de ARN se pliega y se une el hidrógeno a sí misma, o una estructura de cuatro brazos que puede ocurrir cuando cuatro hebras diferentes de ácido nucleico se unen hidrógeno con diferentes partes unas de otras. Se cree que algunas de estas posibilidades de estructura secundaria se utilizan para ayudar a controlar la expresión de los genes y realizar otras funciones biológicas.
En general, las enzimas de transcripción solo expresarán genes a los que puedan acceder. Si un gen o un fragmento de ARN está “atado” en una maraña de ácidos nucleicos, es menos probable que las enzimas lo alcancen. Por otro lado, es más probable que se expresen genes en estructuras secundarias simples más abiertas.
Estructura terciaria
La estructura terciaria se refiere a la posición de los átomos de un ácido nucleico en el espacio. Hay varias medidas comunes que se discuten cuando se habla de la estructura terciaria de un ácido nucleico, que incluyen:
- «Mano» Las moléculas asimétricas son muy parecidas a nuestras manos. Cada una de nuestras manos tiene la misma forma, por ejemplo: los mismos componentes unidos de la misma manera. Pero nuestras manos claramente no son intercambiables. Eso es porque una de nuestras manos tiene el pulgar del lado derecho, mientras que la otra tiene el pulgar del izquierdo. En lugar de ser estructuras idénticas e intercambiables, nuestras manos son imágenes especulares entre sí. De la misma manera, las moléculas asimétricas con las mismas partes y conectividad pueden ser idénticas o pueden ser imágenes especulares entre sí. Algunas moléculas son «diestras» mientras que otras son imágenes especulares «zurdas» de éstas. Cuando se trata de moléculas biológicas, la «destreza manual» puede ser crucial para determinar el efecto que una sustancia química tiene en un organismo. Para algunos medicamentos y venenos, solo un estereoisómero interactúa con las enzimas de nuestro cuerpo. Una molécula puede no tener ningún efecto sobre nosotros, mientras que su imagen reflejada puede ser beneficiosa o mortal.
- Longitud del giro de la hélice.Si bien cualquier molécula asimétrica puede tener un estereoisómero, como se puede adivinar, la «longitud del giro de la hélice» es bastante exclusiva de los ácidos nucleicos. El ángulo de enlaces entre los nucleótidos hace que la mayoría de los ácidos nucleicos formen una forma de hélice. Pero pequeñas diferencias en la forma de la hélice pueden causar diferencias en la forma en que la hélice interactúa con nuestras enzimas y otras moléculas. ¡Así que los detalles de esta forma de hélice pueden ser importantes!
- Número de pares de bases por turno.Esta es otra medida de la forma exacta y las propiedades de una hélice de ácido nucleico. Esto puede ser química y biológicamente importante, ya que determina qué enzimas y moléculas pueden afectar al ADN o al ARN.
- Diferencia de tamaño entre surcos mayores y menores.En una doble hélice de ácido nucleico, el «surco principal» es el camino más ancho que se abre entre dos de las dos cadenas de ácido nucleico. El «surco menor» es el más estrecho. En algunos casos, estos surcos pueden servir como sitios de unión para otras moléculas.
El tamaño de las ranuras mayores y menores puede variar dependiendo de varios factores, incluido el entorno químico de la doble hélice. Cualquier cosa que afecte la fuerza de los enlaces de hidrógeno puede afectar el tamaño de las ranuras mayores y menores.
Estructura cuaternaria
La estructura cuaternaria se refiere a las grandes formas y estructuras que pueden producir los ácidos nucleicos. Al igual que los aminoácidos y las proteínas, los ácidos nucleicos pueden formar grandes estructuras. La forma de estas estructuras puede ser importante para sus funciones.
Entre los ejemplos de estructuras cuaternarias de ácidos nucleicos se incluyen las cromátidas (enormes moléculas de ADN que se empaquetan firmemente para su almacenamiento y transporte durante la división celular) y los ribosomas, que son orgánulos compuestos parcialmente de ARN.
Algunas ribozimas también cumplen parcialmente su función mediante el uso de estructura cuaternaria. Esto les permite interactuar con sus sustratos. Al igual que las enzimas hechas de proteínas, las ribozimas deben ajustarse con precisión a su sustrato para catalizar sus reacciones químicas.
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