Los ácidos nucleicos, ácido desoxirribonucleico (ADN) y ácido ribonucleico (ARN), son polímeros constituidos por largas cadenas en las que se repite una unidad básica formada por un azúcar, un grupo fosfato y una base nitrogenada.
Las bases nitrogenadas del ADN/ARN, también llamadas bases nucleicas o
nucleobases, son estructuras heterocíciclas y aromáticas derivadas de la
pirimidina (bases pirimidínicas) o de la purina (bases púricas). En la figura 5.1 se muestran las tres bases pirimidínicas más comunes uracilo (uracil, U), timina (thymine, T) y citosina (cytosine, C), cuyo esqueleto molecular consiste en un anillo de seis átomos, cuatro de carbono y dos de nitrógeno, y las dos bases púricas adenina (adenine, A) y guanina (guanine, G), constituidas por un sistema de dos anillos fusionados pirimidina−imidazol. Las bases nucleicas A, G y C se encuentran tanto en el ADN como en el ARN, mientras que la T se encuentra principalmente en el ADN y el U en el ARN.
Las cinco moléculas presentan distribuciones de carga localizada en determinados átomos. Concretamente, los grupos –NH son centros de carga positiva, mientras que los átomos de nitrógeno del anillo y los pares solitarios de electrones del oxígeno de los grupos –C=O son centros de carga negativa, lo que contribuye a que se establezcan uniones entre las bases a través de enlaces de hidrógeno; uniones fundamentales en el mantenimiento de la estructura del ADN/ARN.
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Figura 5.1. Bases pirimidínicas y púricas del ADN/ARN. El convenio de nomenclatura de la Unión Internacional de Química Pura y Aplicada (International Union of Pure and Applied Chemistry, IUPAC)1 establece que sólo se numeran los átomos del anillo aromático, mientras que los sustituyentes adoptan el mismo número que el átomo al que están unidos.
La unión de una base nucleica con un azúcar del tipo pentosa, la D−ribosa en el ARN y la 2’-desoxi−D−ribosa en el ADN, forma un nucleósido (véase figura 5.2), cuyo nombre viene determinado por la base nitrogenada en cuestión (adenosina, guanosina, citidina, timidina y uridina).1
La pentosa se presenta en forma de anillo pentagonal cerrado, o β−furanosa, cuya estructura puede adoptar básicamente dos conformaciones de anillo no rígido: una de tipo sobre (envelope) y otra de tipo torsionada (twist). Dichas
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conformaciones fuera del plano son energéticamente mucho más estables que la forma coplanar, siendo, entre ellas, la forma tipo sobre un poco más estable que la torsionada.1 Los ángulos diedros internos del anillo de azúcar, tales como el de pseudorrotación (phase) y el de distorsión (puckering), son algunos de los parámetros empleados para definir los distintos confórmeros.2
El enlace entre la base y el azúcar es del tipo N−β−glucosídico entre el C1’
de la pentosa y el N1, en las pirimidinas, o el N9, en las purinas, formado
con eliminación de agua.
La unión, a través del C5’ del azúcar, de un nucleósido con una molécula de
fosfato da lugar a un nucleótido (véase figura 5.2), cuya nomenclatura1 es la correspondiente al nucleósido del que procede (adenilato, guanilato, citidilato, timidilato o uridilato). En este caso, se ve ampliado el número de posibles conformaciones, pues a los movimientos del anillo de azúcar se une la rotación alrededor de su enlace con el grupo fosfato.3
Figura 5.2.Nucleósido (izquierda) y nucleótido (derecha) de timina, donde puede observarse la unión de la base (a través del N1) con el azúcar (a través del C1’) para
formar el nucleósido y la unión del fosfato al azúcar (a través del C5’) para formar
el nucleótido.
La unión de los distintos nucleótidos para formar el polinucleótido se produce a través de un enlace covalente fosfodiéster. En él, el grupo
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hidroxilo, en posición 5’, de uno de los nucleótidos queda unido al grupo hidroxilo, en posición 3’, del nucleótido siguiente. Lo que distingue a un nucleótido de otro es únicamente la base nitrogenada y, por ello, la secuencia del ácido nucleico, ADN y ARN, se especifica nombrando sólo la secuencia de sus bases.
Estructura del ADN
En el año 1953, James Watson y Francis Crick publicaron en la revista Nature4 uno de los descubrimientos más trascendentales del siglo XX, la estructura de doble hélice del ADN. Propuesta por ellos, pero fruto del esfuerzo de numerosas investigaciones anteriores,6,7,8,9,10,11 Watson y Crick tuvieron la genialidad de encajar el puzle que les llevaría a recibir el Premio Nobel de Fisiología o Medicina unos años más tarde. Se basaron, fundamentalmente, en la información de las imágenes de difracción de rayos X proporcionadas por Rosalind Franklin y Maurice Wilkins,9 y en el análisis químico realizado por Edwin Chargaff12 que mostraba, entre otras conclusiones, que en todos los ADN celulares, independientemente de la especie, el número de residuos de adenosina era igual al de residuos de timidina (es decir A=T) y el número de residuos de guanosina era igual al número de residuos de citidina (G=C). A partir de estas relaciones, dedujeron que la suma de los residuos de purina es igual a la suma de los residuos de pirimidina.12 La conclusión a la que llegaron Watson y Crick fue que el ADN consta de dos cadenas de polinucleótidos enrolladas, cuya estructura de doble hélice se forma al unirse las bases de cadenas opuestas en planos perpendiculares al eje de la hélice, mientras que el esqueleto azúcar−fosfato forma parte del exterior de la misma, tal como se muestra en el esquema de la figura 5.3. Su estudio mostraba que los pares de bases unidos por enlaces de hidrógeno, G con C y A con T, eran los que mejor encajaban en la estructura, proporcionando, de esta forma, una explicación a los análisis de Chargaff. La adenina se aparea con la timina a través de la formación de un par de puentes de hidrógeno (simbolizado como A=T) y la guanina con la citosina a través de tres (G≡C). Los enlaces que unen de forma horizontal las dos cadenas del ADN son enlaces débiles de hidrógeno
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entre las bases, pero son las fuerzas de mayor importancia pues se encargan de mantener y estabilizar las estructuras tridimensionales de los ácidos nucleicos, permitiendo, a su vez, que las dos cadenas se puedan separar y abrir como una cremallera. Se ha observado que, cuanto mayor sea la relación de pares de bases G≡C con respecto a los de A=T, mayor es la dificultad para separar las hebras apareadas del ADN.
Las cadenas de ADN se estabilizan también de forma vertical por el apilamiento, o stacking, de las bases. Esto es debido al solapamiento parcial de las nubes electrónicas π de las bases apiladas, más o menos intensa según la secuencia de bases implicadas.
Figura 5.3. Esquema básico de apareamiento de las bases nitrogenadas y esqueleto azúcar−fosfafo para formar una hélice de ADN.
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La estructura propuesta por Watson y Crick, o forma ADN−B, es la más común en la naturaleza, aunque no es la única, ya que pueden existir otras estructuras secundarias13 (véase figura 5.4), entre ellas el ADN−A,14,15 que se trata de una doble hélice dextrógira, como el ADN−B. En el caso del ADN−B la estructura helicoidal se repite cada 10 pares de bases, encontrándose las bases adyacentes separadas por una distancia vertical de 3.4 Å, mientras que en el ADN−A hay 11 pares de bases en cada vuelta de hélice.
Otra estructura es el ADN−Z,16 una doble hélice levógira donde los planos de las bases están en zig−zag, y que se suele dar cuando se suceden secuencias de nucleótidos en las que alternan residuos de citosina y guanina o 5−metil−citosina y guanina.
Figura 5.4. De izquierda a derecha se muestran las estructuras del ADN−A, B y Z.
La principal característica del modelo de Watson y Crick es la de la complementariedad de las dos hebras de la doble hélice de ADN. Mucho antes de disponer de pruebas experimentales a su favor, ambos investigadores comprendieron que este hecho podía ser relevante en la
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replicación de la estructura, dado que al separarse las dos hebras se podrían sintetizar, de forma natural, nuevas hebras totalmente complementarias a cada una de ellas. Además, en la secuencia de las bases podría residir su importancia como molécula portadora de la información genética, pues cada hebra preexistente haría de molde para dirigir la síntesis de la hebra complementaria.
Actualmente, se sabe que la disposición secuencial de las cuatro bases del ADN contiene toda la información necesaria para la formación de las secuencias de las proteínas y de los ARN. A cada uno de los segmentos de ADN que “codifica” la información para la síntesis de una proteína o de un ARN se le denomina gen. Una célula ordinaria contiene muchos miles de genes y, por tanto, no es sorprendente que las moléculas de ADN sean muy largas. Una vez formada la doble hélice de ADN, ésta se pliega para quedar almacenada en el interior de las células, en formas y tamaños que varían según se trate de organismos procariotas o eucariotas. En los procariotas, y en orgánulos celulares como mitocondrias y cloroplastos, se pliega adoptando una forma de superhélice circular y desnuda, es decir, no asociada a proteínas. En cambio, en los organismos eucariotas el empaquetamiento es más complejo y compacto, y necesita estar unido a proteínas para dar lugar a la cromatina, cuyo último grado de condensación constituye los cromosomas.
Estructura del ARN
Del mismo modo que el ADN, el ARN está presente tanto en las células procariotas como en las eucariotas. Se trata de un polímero formado por la repetición de una unidad básica constituida por un azúcar (D−ribosa), un grupo fosfato y una base nitrogenada. Sus bases púricas son las mismas que en el ADN pero, en las bases pirimidínicas, el uracilo substituye a la timina. Aunque la existencia de diferentes pentosas y la presencia de uracilo en el ARN y de timina en el ADN, son los dos aspectos que distinguen el ADN del ARN, son las pentosas las que definen la identidad de un ácido nucleico. Si el ácido nucleico contine 2’−desoxi−D−ribosa, es ADN por definición, aunque pueda contener unos cuantos uracilos. Del mismo modo, si el ácido
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nucleico contiene D−ribosa, es ARN, independientemente de las bases que lo componen.
En la célula se encuentran varias clases de ARN con distintas funciones. Así los ARN ribosómicos (ARNr) son componentes de los ribosomas, complejos que llevan a cabo la síntesis de proteínas. Los ARN mensajeros (ARNm) actúan de intermediarios, transportando la información desde un gen, o unos pocos genes, hasta el ribosoma donde se sintetizan las proteínas. Los ARN de transferencia (ARNt) son moléculas adaptadoras que traducen con fidelidad la información contenida en el ARNm a secuencias específicas de aminoácidos. También se conoce una amplia variedad de ARN con funciones especiales, incluyendo algunos con actividad enzimática denominados ribozimas. Las diversas, y a menudo complejas, funciones de los ARN son reflejo de una diversidad de estructuras mucho más rica que la observada en el ADN.
A diferencia del ADN, las moléculas de ARN son de cadena simple, donde las monohebras tienden a adoptar una conformación helicoidal dextrógira dominada por las interacciones de apilamiento de bases. La fuerza de la interacción es mayor entre dos purinas que entre una purina y una pirimidina o entre dos pirimidinas. De hecho, la interacción purina−purina es tan fuerte que una pirimidina que se encuentre entre dos purinas suele ser desplazada de la estructura de bases apiladas para que las dos purinas puedan interaccionar, formándose protuberancias y bucles internos. Esto hace que las estructuras tridimensionales de muchos ARN sean unas estructuras complejas y únicas.
El ARN puede formar pares de bases con regiones complementarias del propio ARN o de un ADN. En la figura 5.5, izquierda, se muestra un esquema del plegado donde se observa que la complementariedad de bases se produce al aparearse la adenina con el uracilo (A=U) y la guanina con la citosina (G≡C).17 En la figura 5.5, derecha, se muestra la estructura de uno de los tipos de ARN, concretamente el de transferencia, ARNt, que posee más de un 50% de sus bases apareadas en cuatro brazos con estructura de doble hélice. En disolución, estos brazos están plegados en forma de "L" compacta debido a la estabilización que se produce por apareamientos de Watson y Crick convencionales (A=U, C≡G), y a las interacciones entre las bases de dos o más nucleótidos.18
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Figura 5.5. A la izquierda, estructura secundaria del ARN. A la derecha, estructura terciaria del ARN de transferencia (ARNt).