Introducción a los ácidos nucleicos: ADN y ARN
Ácidos nucleicos
Todos los seres vivos que conocemos, desde las bacterias más pequeñas hasta los animales más grandes, comparten algo en común: su información genética está almacenada en moléculas llamadas ácidos nucleicos.
La mayoría de estos organismos utilizan el ADN (ácido desoxirribonucleico) como su material genético principal. Imagina el ADN como un libro de instrucciones que determina cómo se verá y funcionará un organismo. Sin embargo, hay algunas excepciones a esta regla. Algunos virus, que son mucho más simples que las células, utilizan el ARN (ácido ribonucleico) en lugar del ADN para almacenar su información genética. A pesar de esta diferencia, tanto el ADN como el ARN son tipos de ácidos nucleicos, lo que significa que comparten una estructura básica similar.
Estructura de los ácidos nucleicos
Los dos tipos principales de ácidos nucleicos son el ácido desoxirribonucleico (ADN) y el ácido ribonucleico (ARN). Ambos desempeñan roles clave en procesos celulares esenciales, como la replicación, transcripción y síntesis de proteínas. A continuación se analiza la estructura, las diferencias y las funciones de estas macromoléculas.
Los ácidos nucleicos están constituidos por monómeros denominados nucleótidos. Cada nucleótido está compuesto por tres elementos principales:
El nucleótido se nombra de acuerdo con la base nitrogenada que contiene. La base está unida al carbono 1′ de un azúcar pentosa por un enlace glucosídico del N1 de las pirimidinas o del N9 de las purinas. El azúcar pentosa unido a una base nitrogenada se llama nucleósido. Para evitar ambigüedades entre los sistemas de numeración de los anillos heterocíclicos y el azúcar, las posiciones en la pentosa se les asigna una prima (′).
Los ácidos nucleicos reciben su nombre por el tipo de azúcar (pentosa): el ADN tiene 2′-desoxirribosa, mientras que el ARN tiene ribosa. El azúcar puede estar unido por su carbono 5′ o 3′ a un grupo fosfato. Un nucleósido unido a un fosfato en el carbono 5′ es un nucleótido. Los nucleótidos se unen mediante enlaces fosfodiéster, que conectan el grupo fosfato del carbono 5′ de un nucleótido con el grupo hidroxilo del carbono 3′ del siguiente. Este enlace genera una cadena lineal con un esqueleto de azúcares y fosfatos, mientras que las bases nitrogenadas se proyectan hacia el exterior.
Un polinucleótido es una cadena larga de nucleótidos. En un polinucleótido, un extremo de la cadena tiene un fosfato 5′ libre, y el otro extremo tiene un 3′-OH libre. Es universal la práctica de escribir secuencias de ácido nucleico en la dirección de 5′ a 3′, es decir, desde el extremo 5′ a la izquierda hasta el extremo 3′ a la derecha.
ADN: Estructura y Funciones
El ADN es la molécula más importante para la continuidad de la vida. Es portador del material genético de una célula y contiene las instrucciones para su funcionamiento. En eucariotas, el ADN reside en el núcleo, donde se asocia con proteínas histonas para formar la cromatina, el material de los cromosomas, así como en orgánulos como cloroplastos y mitocondrias. En procariotas, no está encerrado en una envoltura membranosa.
En la década de 1950, Francis Crick y James Watson trabajaron juntos en la Universidad de Cambridge para determinar la estructura del ADN. Otros científicos, como Linus Pauling y Maurice Wilkins, también estaban explorando activamente este campo. En el laboratorio de Wilkins, la investigadora Rosalind Franklin estaba usando cristalografía de rayos X para comprender la estructura del ADN.
Tres piezas de evidencia contribuyeron a la construcción del modelo de doble hélice para el ADN por James Watson y Francis Crick en 1953:
Watson y Crick propusieron que el ADN está compuesto por dos hebras que forman una doble hélice que gira a la derecha, es decir, es «dextrógira«. El giro de las dos hebras una alrededor de la otra forma una doble hélice con un surco menor que tiene aproximadamente 12 Å (1.2 nm) de ancho y un surco mayor que tiene aproximadamente 22 Å (2.2 nm) de ancho.
Las dos cadenas polinucleotídicas en la doble hélice se asocian mediante puentes de hidrógeno entre las bases nitrogenadas. Normalmente, G puede formar enlaces de hidrógeno más estables con C, mientras que A puede unirse más establemente con T. Esta unión entre bases se describe como emparejamiento de bases, y las bases emparejadas (G formando tres enlaces de hidrógeno con C, o A formando dos enlaces de hidrógeno con T) se dice que son complementarias. El emparejamiento de bases complementarias ocurre debido a la forma de las bases junto con la ubicación de solo los grupos funcionales correctos en la geometría correcta para que se puedan formar enlaces de hidrógeno.
Las dos hebras son antiparalelas en naturaleza; es decir, el extremo 3′ de una hebra se enfrenta al extremo 5′ de la otra hebra. El esqueleto de azúcar-fosfato está en el exterior de la doble hélice y llevan cargas negativas en los grupos fosfato. Los pares de bases están en el interior de la doble hélice, son planos y se encuentran perpendiculares al eje de la hélice. Usando la analogía de la doble hélice como una escalera de caracol, los pares de bases forman los escalones. Al subir por la hélice, las bases se apilan una sobre otra como una pila de platos. Cada par de bases está girado alrededor de 36° alrededor del eje de la hélice en relación con el siguiente par de bases, por lo que aproximadamente 10 pares de bases realizan una vuelta completa de 360°.
ARN: Estructura y Funciones
Al igual que el ADN, el ARN es un polímero de nucleótidos. El ARN está principalmente involucrado en el proceso de síntesis de proteínas bajo la dirección del ADN, suele ser de una sola cadena y está formado por ribonucleótidos unidos por enlaces fosfodiéster. Un ribonucleótido en la cadena de ARN contiene ribosa (la pentosa), una de las cuatro bases nitrogenadas (A, U, G y C) y el grupo fosfato.
Existen varios tipos de ARN: ARN mensajero (ARNm), ARN ribosómico (ARNr), ARN de transferencia (ARNt) y microARN (miARN). El ARNm lleva el mensaje del ADN, que controla todas las actividades celulares en una célula. El ARNm se lee en conjuntos de tres bases conocidas como codones. Cada codón codifica para un solo aminoácido. De esta manera, se lee el ARNm y se produce el producto proteico. El ARNr es un componente principal de los ribosomas; asegura la alineación correcta del ARNm y los ribosomas; también tiene una actividad enzimática (peptidil transferasa) y cataliza la formación de los enlaces peptídicos entre dos aminoácidos alineados. El ARNt transporta el aminoácido correcto al sitio de síntesis de proteínas. Es el emparejamiento de bases entre el ARNt y el ARNm lo que permite la inserción correcta del aminoácido en la cadena polipeptídica. Los microARN son las moléculas de ARN más pequeñas y su función implica la regulación de la expresión génica al interferir con la expresión de ciertos mensajes de ARNm.
Aunque el ARN es de cadena simple, la mayoría de los tipos de ARN muestran un amplio emparejamiento de bases intramolecular entre secuencias complementarias, creando una estructura tridimensional predecible que es esencial para su función.
El ADN dicta la estructura del ARNm en un proceso conocido como transcripción, y el ARN dicta la estructura de la proteína en un proceso conocido como traducción. Esto se conoce como el Dogma Central de la Biología Molecular, que es válido para todos los organismos con excepción de algunos virus. Puedes conocer más sobre el Dogma Central aquí.
