Ácidos nucleicos III: el ARN, estructura y función

El ácido ribonucleico es un heteropolímero lineal no ramificado de ribonucleótidos, cada uno de los cuales está formado por una base nitrogenada (que puede ser adenina, citosina, guanina o uracilo), una molécula de ribosa y un grupo fosfato. Tiene tamaños muy variables, que van desde unas 80 bases a varios miles de ellas.

Una característica común a todos los ácidos ribonucleicos presentes en las células tanto procariotas como eucariotas es que son siempre de cadena simple, aunque pueden establecer uniones entre bases de la propia molécula para dar lugar a una estructura tridimensional característica.

En las células existen varios tipos de ARN diferentes, cada uno de los cuales tiene características propias:

• El ARN ribosómico (ARNr) forma parte de los ribosomas. Incluye moléculas de diferentes tamaños, con estructuras tridimensionales complejas, que participan activamente en la síntesis de proteínas. Se supone que al menos algunos de ellos tienen funciones catalíticas en este proceso.
• El ARN mensajero (ARNm) se forma en el núcleo, pero lo abandona para realizar sus funciones en el citoplasma. Su tamaño es bastante variable, y carece de estructura tridimensional definida; se une a los ribosomas para proporcionarles la información que necesitan para sintetizar proteínas.
• El ARN transferente (ARNt) es un conjunto de moléculas de pequeño tamaño, aproximadamente unas 80 bases, todas ellas con una estructura tridimensional parecida (en hoja de trébol). Se encuentran en el citoplasma, y pueden estar unidos a un aminoácido por uno de sus extremos. Se unen temporalmente al ribosoma, para transferir el aminoácido que llevan unido a la proteína que se está sintetizando.
• El ARN heteronuclear es una población heterogénea de ácidos ribonucleicos, que incluye todas las moléculas de este tipo de compuestos recién sintetizadas, y que se encuentran en el núcleo de las células eucariotas. Es el precursor del resto de los tipos de ácido ribonucleico.

ARN mensajero

Los ARN mensajeros que se encuentran en la célula son siempre moléculas lineales, sin estructura secundaria. Su función consiste en llevar la información genética que codifica para la síntesis de proteínas.

Existe un ARN mensajero distinto para cada tipo de proteína que se produce en la célula. Cada molécula de ARN mensajero recoge la información de un solo gen, y en general incluye la información para una única proteína. El tamaño de las moléculas de ARN mensajero es muy diferente, según el tamaño de la proteína que codifiquen.

ARN ribosómico

Los ribosomas son cuerpos nucleoprotéicos, es decir, estructuras formadas por una combinación de proteínas y ácidos ribonucleicos formados por dos subunidades que pueden unirse o separarse en función de su actividad. Cada una de estas subunidades está formada, a su vez, por varios tipos de proteínas y varias moléculas distintas de ácido ribonucleico.


Cada tipo de ARN ribosómico presenta una estructura tridimensional diferente, relacionada con la función que realiza, igual que ocurre con las proteínas. En el establecimiento de dicha estructura espacial juegan un importante papel los enlaces por puente de hidrógeno que se forman entre bases de la misma cadena, según el principio de complementariedad de bases.

ARN transferente

Los ARN transferentes son una población de moléculas de pequeño tamaño que se encuentran en el citoplasma de la célula. En total hay 61 tipos de ARNt (cifra que tiene importancia en el proceso de síntesis de proteínas). En la célula, los ARNt pueden encontrarse en dos formas: unidos o no unidos a un aminoácido. Su función en la síntesis de proteínas consiste, precisamente, en "transferir" ese aminoácido a la cadena de proteína que se está formando, de acuerdo con la secuencia del ARN mensajero que se lee en cada momento.

Todos los ARN transferentes tienen una estructura secundaria similar, llamada en "hoja de trébol", que da lugar a una estructura terciaria similar a una "L".

Dentro de la estructura del ARNt hay dos zonas que tienen una importancia fundamental en el proceso de síntesis de proteínas: el brazo anticodon, que "lee" la secuencia de nucleótidos del ARN mensajero con información suficiente para indicar el aminoácido que debe incorporarse a la proteína, y el brazo aminoacil, la zona por donde se une dicho aminoácido al ARNt.


Papel biológico del ARN

En la célula, el ADN se encarga de almacenar y transmitir la información genética, necesaria para llevar a cabo la síntesis de las proteínas que la célula utiliza en cada momento y para controlar todos los procesos biológicos. El ARN tiene un papel central en el proceso de plasmación de la información almacenada en el ADN, actuando en todos los procesos que permiten construir una proteína a partir de la información contenida en el ADN.

• El ARN mensajero traslada la información de un gen concreto desde el ADN hasta el ribosoma. La célula no lee simultáneamente toda la información que posee, sino solo la que corresponde a las proteínas que necesita en cada momento. Ese fragmento de información (gen) se copia en una molécula de ARN, en un proceso que se denomina transcripción. Luego, la molécula de ARN mensajero se traslada hasta el ribosoma, donde su información va a ser leída y utilizada para sintetizar una proteína.
• El ribosoma "lee" la información presente en el ARN mensajero, y en función de la misma sintetiza una cadena de aminoácidos (proteína). Para ello, hace corresponder cada elemento de información del ARN mensajero con el aminoácido que codifica, y luego los une secuencialmente para formar la proteína. El ARN ribosómico juega, en este proceso, un doble papel: estructural, ya que contribuye a dar la forma adecuada al ribosoma, y catalítico, porque se sabe que ocupa el sitio catalítico de esta estructura.
• En cuanto al ARN transferente, se encarga de "traducir" la información contenida, en forma de secuencia de nucleótidos, en el ARN mensajero en los aminoácidos correspondiente. Dicha traducción se hace "palabra por palabra", es decir, cada grupo de nucleótidos equivale directamente a un aminoácido, y el ARN transferente hace de intermediario entre ambas secuencias, relacionándolas entre sí. Cada uno de los tipos de ARN transferente presentes en la célula corresponde a un elemento de información de los ácidos nucleicos, concretamente a tres bases (conjunto que se denomina codón), cantidad de información mínima necesaria para permitir el uso de los veinte aminoácidos presentes en las proteínas. Las bases del brazo anticodón de cada ARNt son diferentes, y complementan a los diferentes codones del ARNm. Los tres anticodones que faltan (hay 64 codones posibles) corresponden a la señal de finalización de la proteína. El sitio de unión a los aminoácidos sirve para incluir cada aminoácido en su lugar correspondiente en la proteína. Cada secuencia del brazo anticodón equivale a un único aminoácido. Esta equivalencia constituye el código genético.

Ácidos nucleicos II: El ADN, estructura y función

Desde hace bastante tiempo se sabe que el ácido desoxirribonucleico (ADN) presente en todas las células es la molécula responsable del almacenamiento y utilización, por parte de la célula, de la información que ésta necesita utilizar para llevar a cabo todos los procesos químicos que, conjunta y coordinadamente, constituyen la vida. Esto ha hecho que, desde principios del siglo XX, haya existido una considerable preocupación por el conocimiento detallado de las características de esta molécula: su composición, su estructura y, especialmente, el modo en que dicha estructura contribuye al desarrollo de su función biológica.

Sabemos ahora que, desde el punto de vista de su naturaleza química el ADN es un heteropolímero lineal no ramificado de desoxirribonucleótidos. Es un heteropolímero porque está formado por diferentes tipos de desoxirribonucleótidos, concretamente cuatro; es lineal y no ramificado porque forma una única cadena abierta y sin cadenas laterales, a diferencia de la estructura de los polisacáridos que sí las presentan.

Estructura primaria del ADN

Como en todos los heteropolímeros, la estructura primaria se define como la secuencia ordenada de los monómeros que la forman. En el caso del ADN se considera, por convenio, que el primer nucleótido de la cadena es el que tiene libre el grupo fosfato. Como ese fosfato está unido al carbono 5' de la desoxirribosa se denomina extremo 5'. Por lo tanto, el último desoxirribonucleótido de la cadena es el que tiene libre el grupo hidroxilo del carbono 3' de la desoxirribosa, que recibe el nombre de extremo 3'. Así pues, la estructura primaria del ADN es la secuencia de desoxirribonucleótidos que forman la molécula, ordenados en sentido 5'→3'.

La unión de los desoxirribonucleótidos se produce entre los fosfatos y los monosacáridos, produciendo una estructura P-D-P-D-P-D..., de la que "cuelgan" las bases. Como los grupos fosfato y las desoxirribosas son idénticas entre todos los monómeros, basta con identificar las bases nitrogenadas para conocer la estructura primaria de la molécula.

Por último, el ADN está formado por cuatro desoxirribonucleótidos diferentes, cuyas bases nitrogenadas son, respectivamente Adenina (A), Citosina (C), Guanina (G) y Timina (T).

La estructura primaria no basta para explicar la función biológica del ADN. Además, desde el siglo XIX se conoce una particularidad en la composición de las moléculas de ADN que trajo de cabeza a los investigadores, hasta el punto de hacer pensar que el ADN no podía ser la molécula responsable de la herencia biológica: las reglas de Chargaff.

Chargaff descubrió que, al analizar el conjunto del material genético de un organismo, se cumplen siempre unas ciertas regularidades en la composición:

• El porcentaje total de Adenina presente en el ADN es siempre igual al porcentaje de Timina.
• El porcentaje de Citosina es siempre el mismo que el de Guanina.
• El porcentaje de purinas (Adenina+Guanina) es siempre el mismo que el porcentaje de pirimidinas (Citosina+Timina).

Por el contrario, el porcentaje de Guanina+Citosina varía de unas especies de organismos a otros, siendo característica de cada una de ellas.

La importancia de las reglas de Chargaff es que establece restricciones a las posibles secuencias de nucleótidos que pueda presentar la molécula. Dado que la información genética debe residir en la secuencia de nucleótidos (igual que la información del lenguaje reside en la secuencia de letras que forman cada palabra), esta restricción supone un problema considerable, porque limitaría la información que una célula puede poseer. A pesar de ello, estaba claro que el ADN era el responsable de la información genética, tal y como lo habían demostrado los experimentos de Griffith, Avery, MacLeod y McCarthy o, finalmente de Hershey y Chase.

Por otra parte, se descubrió también que el ADN tiene una estructura geométrica regular, como demostraron las imágenes de difracción de rayos X que pudieron hacerse de cristales de este compuesto. Esto hizo que se considerara la descripción de la estructura secundaria del ADN (es decir, de su modelo geométrico) como una cuestión fundamental para entender su papel biológico.

Estructura secundaria del ADN

Antes de poder describir la estructura secundaria del ADN se sabía que ésta debía cumplir varios requisitos:

• Debe ser una estructura geométrica regular, tal y como se deduce de las imágenes de difracción de rayos X.
• Debe permitir el almacenamiento de la información genética, aparentemente sin restricciones.
• Debe explicar las reglas de Chargaff.
• Debe explicar la transmisión de la información genética, o al menos permitirla.

El descubrimiento de la estructura del ADN se debió a la unión de una serie de datos encontrados separadamente por diferentes investigadores: por una parte se descubrió que la estructura geométrica correspondía a una hélice formada por dos cadenas. Por otra, Watson y Crick descubrieron que las bases nitrogenadas podían establecer entre sí enlaces por puentes de hidrógeno: la adenina establece dos enlaces con la timina, mientras que la citosina forma tres puentes de hidrógeno con la guanina.

Watson y Crick lograron dar una interpretación conjunta a los datos. Propusieron que el ADN es, en realidad, una molécula doble formada por dos cadenas de nucleótidos cuya estructura primaria está relacionada. Las dos cadenas se disponen en paralelo, enrollándose una respecto a la otra para formar la doble hélice descrita por las imágenes de difracción de rayos X.

En cuanto a la relación que existe entre la estructura primaria de las dos cadenas, una de ella no tiene ningún tipo de restricción en su secuencia, pero la otra está totalmente determinada por la primera: los nucleótidos de la segunda cadena cumplen el principio de complementariedad de bases establecido por Watson y Crick, de acuerdo con las reglas de Chargaff:

• Cuando en la primera cadena aparece una Adenina, la segunda presenta frente a ella una Timina, y viceversa.
• Cuando en la primera cadena aparece una Citosina, la base que aparece frente a ella en la segunda es una Guanina, y viceversa.

Las dos cadenas se mantienen unidas entre sí gracias a los enlaces por puentes de hidrógeno que se establecen entre los pares de bases, de acuerdo con lo descubierto por Watson y Crick. Por último, ambas cadenas "corren" en sentidos antiparalelos: mientras una avanza en dirección 5'→3', su complementaria lo hace en sentido 3'→5'.

El modelo de Watson y Crick cumple con todos los requisitos que se exigen a la estructura del ADN:

• Es una estructura geométrica regular, que cumple las especificaciones de forma y tamaño de las imágenes de difracción.
• Permite el almacenamiento de la información genética sin ningún tipo de restricción, ya que la secuencia de una de las dos cadenas es totalmente libre.Cumple (y explica) las reglas de Chargaff: la proporción de Adenina es igual a la de Timina porque, por cada molécula de adenina que hay en una de las cadenas, hay una de timina en la otra; lo mismo ocurre con la proporción de citosina y guanina. La regla relativa a la proporción de purinas y pirimidinas está también explicada, porque cada purina es complementaria de una pirimidina que se encuentra en la otra cadena.
• Permite explicar la transmisión de la información genética, porque cada una de las cadenas que forma la doble hélice puede servir como molde a la cadena complementaria. Teniendo en cuenta este sencillo principio, el mecanismo de replicación de la información genética es casi elemental: las dos cadenas se separan entre sí, y cada una sirve de molde para la síntesis de una cadena complementaria a sí misma, con lo que se consigue duplicar la información inicial, sin ninguna pérdida.

La estructura del material genético en los organismos eucariotas

El material genético de los organismos procariotas tiene una estructura muy sencilla, ya que consta básicamente de una única doble hélice que se cierra sobre sí misma. Sin embargo, en los organismos eucariotas esta organización es mucho más compleja. Para empezar, se encuentra distribuida en varios "paquetes" llamados cromosomas. Y en segundo lugar, también a diferencia de lo que ocurre en procariotas, el ADN se encuentra asociado a varios tipos de proteínas, que tienen fundamentalmente la función de protegerlo. Esta diferencia de organización se debe, fundamentalmente, a la diferencia en la cantidad de material genético que tienen unos y otros organismos, mucho mayor en los eucariotas, y a la necesidad de garantizar la división de este material durante los procesos de reproducción celular. El conjunto del material genético y sus proteínas asociadas que forma parte del núcleo de una célula eucariota recibe el nombre de cromatina.

En la mayoría de las circunstancias, la cromatina no es apreciable más que con la ayuda de un microscopio electrónico. Sin embargo, en las células en división sí que es posible observar los cromosomas a través de un microscopio óptico. Esta diferencia se debe a que cuando el ADN está activo, debe resultar accesible a las proteínas que lo "leen" para expresar la información genética que la célula utiliza. Por el contrario, cuando la célula necesita dividirse, el ADN tiene que estar protegido para impedir que sufra daños en el proceso de reparto. Para ello, la célula se encarga de "empaquetarlo" formando los cromosomas.

Los cromosomas representan, por tanto, una forma muy condensada de la cromatina, en la que ésta no realiza las funciones que le corresponde sino que sirve para proteger al ADN. Hasta llegar a formar los cromosomas, el ADN sufre varios procesos de empaquetamiento que reducen su longitud aparente y aumentan el grosor de la fibra:

• El ADN "desnudo" es una fibra de 2 nm, diámetro que se corresponde con el de la doble hélice propuesta por Watson y Crick. Esta fibra solo se observa en fragmentos aislados de material genético.
• En el núcleo, la fibra de ADN se enrolla en torno de unas partículas proteicas denominadas nucleosomas, dando una vuelta completa a su alrededor. Cada nucleosoma está constituido por ocho subunidades de un tipo de proteínas denominadas histonas. Entre un nucleosoma y el siguiente hay un fragmento de ADN desnudo de unos 150 pares de bases, con lo que la estructura resultante tiene el aspecto de un "collar de perlas", y un diámetro máximo de 11 nm.
• La fibra de 11 nm se dispone, por acción de otra histona que no forma parte de los nucleosomas (llamada H1), formando una estructura en forma de muelle. Cada vuelta del muelle comprende seis nucleosomas, y el diámetro de la fibra resultante es de 30 nm.
• Esta fibra se une a un conjunto de proteínas, llamadas proteínas del scaffold (andamiaje), que constituyen el "esqueleto" o armazón interno del cromosoma. El ADN se une al andamiaje formando lazos de un tamaño aproximado de unos 300 nm.
• Finalmente, la fibra de 300 nm se enrolla sobre sí misma, formando la fibra de 700 nm que constituye cada cromátide.

Ácidos nucleicos I: naturaleza y aspectos generales

Los ácidos nucleicos son un tipo de compuestos biológicos cuya función en los seres vivos es servir de soporte físico a la información genética. Todas las "instrucciones" que un organismo necesita están almacenadas en su ADN, que actúa como "memoria" y como sistema de copia, mientras que el ARN realiza todas las funciones necesarias para que esa información se "exprese", es decir, se plasme en otras moléculas que serán las que realicen los procesos químicos celulares: las proteínas.

Desde el punto de vista de su naturaleza química, los ácidos nucleicos son heteropolímeros lineales no ramificados de nucleótidos. A su vez, los nucleótidos son compuestos complejos, constituidos por la unión de tres moléculas más pequeñas de diferente naturaleza:

• Una base nitrogenada: las bases nitrogenadas son compuestos cíclicos, con dos o más átomos de nitrógeno, que son los que les proporcionan su carácter básico. En los seres vivos existen seis fundamentales, aunque solo cinco de ellas forman parte de los ácidos nucleicos: adenina, citosina, guanina, timina y uracilo. La sexta, que forma parte de nucleótidos que actúan como coenzimas de oxidación-reducción es la flavina. Estas bases se agrupan en dos grupos: las pirimidinas y las purinas. La diferencia estructural entre ambas (las pirimidinas solo tienen un ciclo hexagonal en su molécula, mientras que las purinas tienen un ciclo hexagonal unido a otro pentagonal) resulta fundamental en la estructura y en la función de los ácidos nucleicos.

• Un monosacárido, la ribosa, o un derivado de ella, la desoxirribosa. La ribosa es una aldopentosa que se encuentra habitualmente en su forma cíclica. Aparece en los nucleótidos libres (que no forman parte de los ácidos nucleicos) y en los ribonucleótidos, que son los que componen el ARN. La desoxirribosa es un derivado de la ribosa, que ha perdido el oxígeno del grupo hidroxilo de su carbono 2'. (En los nucleótidos, para no confundir el número que identifica el átomo de la base nitrogenada y del monosacárido, éste último se numera con la indicación '). Los nucleótidos formados por desoxirribosa se denominan, propiamente, desoxirribonucleótidos, y forman parte del ADN.
• Un grupo fosfato, unido al grupo 5' del monosacárido, o varios (generalmente hasta tres) unidos uno a otro mediante enlaces de alta energía P-P.

La unión de una base nitrogenada a un monosacárido, sin grupos fosfato, recibe el nombre de nucleósido. Los nucleósidos no tienen demasiada importancia biológica, aparte de ser los constituyentes de los nucleótidos. En cambio, los nucleótidos juegan importantes papeles en la biología de la célula, tanto libres como encadenados formando parte de los ácidos nucleicos. Los nucleótidos libres realizan funciones fundamentales como:

• Actúan como coenzimas de oxidación-reducción, transfiriendo electrones y protones entre compuestos. Entre estos compuestos se encuentran el NAD, el NADP, el FAD o el FMN.
• Proporcionan energía a las reacciones endotérmicas. El compuesto que realiza esta función en la mayoría de los casos es el ATP, razón por la cual se le considera la "moneda universal de energía" de los seres vivos.
• Actúan como mensajeros químicos intracelulares, llevando información desde la membrana celular hasta el núcleo. Esta función es desempeñada por el AMP cíclico.

Nucleótidos libres

Los nucleótidos que podemos encontrar libres en una célula forman parte de varias "familias" de compuestos, caracterizadas por la base nitrogenada que entra en su composición.

• Familia de la adenina: los nucleótidos de adenina se encuentran tanto libres como formando parte de los ácidos nucleicos. El compuesto "base" de la familia es el AMP (adenosín monofosfato). A su grupo fosfato puede unírsele otro más, formando el ADP (adenosín difosfato), o incluso dos, para dar lugar al ATP (adenosín trifosfato). Los enlaces que unen entre sí los grupos fosfato son ésteres de alta energía, que queda liberada al romperse. Muchas enzimas tienen capacidad de acoplar la hidrólisis de estos enlaces a otras reacciones químicas, permitiendo que ocurran procesos endotérmicos. Otro compuesto importante de esta familia de nucleótidos es el AMP cíclico, en el que el grupo fosfato se une dos veces a la ribosa, formando un anillo. Este compuesto, que se forma a partir del ATP, actúa como un mensajero químico intracelular, transmitiendo hasta el núcleo la información que llega desde el exterior de la célula.

• Familia de la flavina: estos nucleótidos nunca forman parte de los ácidos nucleicos, sino que actúan como coenzimas de oxidación-reducción, en general unidos íntimamente a la proteína cuya función ayudan a realizar. Básicamente son dos compuestos, el FMN (flavín mononucleótido) y el FAD (flavín adenín dinucleótido). Este último es, como su nombre indica, un dímero formado por la unión de un mononucleótido de flavina y otro de adenina.
• Familia del NAD: NAD son las siglas de nicotín adenín dinucleótido. Es decir, se trata de la unión de dos nucleótidos, uno de los cuales tiene la adenina como base nitrogenada, mientras que la base del otro es la nicotinamida. Los nucleótidos de este grupo no forman parte de los ácidos nucleicos, sino que actúan como coenzimas de oxidación-reducción aunque, a diferencia de los nucleótidos de flavina, no se unen firmemente a la enzima, sino que quedan libres en el entorno. Esto permite que puedan capturar electrones (y protones) en una reacción y liberarlos en otra distinta, incluso si ocurre en otro lugar de la célula. El NAD⁺ (es una molécula cargada positivamente) puede captar un par de electrones y un protón, asociándose a otro, dando lugar al NADH+H⁺. Existe otro par de compuestos similar a esta pareja, pero con un fosfato más en su composición: NADP⁺ (forma oxidada) y NADPH+H⁺ (forma reducida), que interviene fundamentalmente en la fotosíntesis.

Cadenas de nucleótidos

En un nucleótido hay dos grupos que pueden intervenir en la formación de un enlace con otras moléculas similares:

• Uno de los oxígenos del grupo fosfato que, a su vez, se encuentra unido al carbono 5' del monosacárido.
• El grupo hidroxilo del carbono 3' del monosacárido.

La presencia de estos dos grupos hace que cada nucleótido pueda formar dos enlaces distintos, uno a través de su grupo fosfato (extremo P o 5') y otro a través de su hidroxilo del carbono 3' (extremo 3' u OH). La unión 5'→3' de varios nucleótidos consecutivos da lugar a una cadena, llamada genéricamente ácido nucleico, que sigue teniendo dos extremos capaces de reaccionar, igual que cada uno de los nucleótidos, por lo que puede continuar aumentando su tamaño.

Existen dos tipos de cadenas, según estén formados por ribonucleótidos (si el monosacárido es la ribosa) o desoxirribonucleótidos (si el monosacárido es la 2' desoxirribosa). El primer tipo de ácido nucleico recibe el nombre de ácido ribonucleico (ARN), mientras que el segundo se denomina ácido desoxirribonucleico (ADN).