Ácidos Nucleicos
Algunos ácidos nucleicos contienen ribosas, otros contienen desoxirribosa; una molécula de ácido nucleico nunca contiene ambos azucares. Así, de acuerdo con el tipo de azucares presentes en la molécula, podemos clasificar los ácidos nucleicos en dos tipos:
Ácidos ribonucleicos
Composición
Como el ADN, el ARN está formado por una cadena de compuestos químicos
llamados nucleótidos. Cada uno está formado por una molécula de un
azúcar llamado ribosa, un grupo fosfato y uno de cuatro posibles
compuestos nitrogenados llamados bases: adenina, guanina, uracilo y
citosina. Estos compuestos se unen igual que en el ácido
desoxirribonucleico (ADN). El ARN se diferencia químicamente del ADN por
dos cosas: la molécula de azúcar del ARN contiene un átomo de oxígeno
que falta en el ADN; y el ARN contiene la base uracilo en lugar de la timina del ADN.Estructuras:
Estructura secundaria
A diferencia del ADN, las moléculas de ARN son de cadena simple y no
suelen formar dobles hélices extensas. No obstante, sí se pliega como
resultado de la presencia de regiones cortas con apareamiento
intramolecular de bases, es decir, pares de bases formados por
secuencias complementarias más o menos distantes dentro de la misma
hebra. El ARNt posee aproximadamente el 60% de bases apareadas en cuatro
brazos con estructura de doble hélice.
Una importante característica estructural del ARN que lo distingue del
ADN es la presencia de un grupo hidroxil en posición 2' de la ribosa,
que causa que las dobles hélices de ARN adopten una conformación A, en
vez de la conformación B que es la más común en el ADN. Esta hélice A
tiene un surco mayor muy profundo y estrecho y un surco menor amplio y
superficial.
Una segunda consecuencia de la presencia de dicho hidroxilo es que los
enlaces fosfodiéster del ARN de las regiones en que no se forma doble
hélice son más susceptibles de hidrolisis química que los del ADN; los
enlaces fosfodiéster del ARN se hidrolizan rápidamente en disolución
alcalina, mientras que los enlaces del ADN son estables.
La vida media de las moléculas de ARN es mucho más corta que las del
ADN, de unos minutos en algunos ARN bacterianos o de unos días en los
ARNt humanos.
Estructura terciaria
La estructura terciaria del ARN es el resultado del apilamiento de
bases y de los enlaces por puente de hidrógeno entre diferentes partes
de la molécula. Los ARNt son un buen ejemplo;
en disolución, están plegados en forma de "L" compacta estabilizada por
apareamientos de Watson y Crick convencionales (A=U, C=G) y por
interacciones de bases entre dos o más nucleótidos, como tripletes de
bases; las bases pueden donar átomos de hidrógeno para unirse al
esqueleto fosfodiéster; el OH del carbono 2' de la
ribosa es también un importante dador y aceptor de hidrógenos.
Ácido desoxirribonucleico
Es aquel que posee desoxirribosa en su molécula. Es más conocido
internacionalmente por DNA, iniciales de la denominación ingles
"desoxirribonucleic acid". Como en el caso anterior utilizaremos la
denominación ADN equivalente en español a las iniciales de ácido
desoxirribonucleico.
Composición
El ADN es un largo polímero formado por unidades repetitivas, los nucleótidos.
Una doble cadena de ADN mide de 22 a 26 angstrom
(2,2 a 2,6 nanómetros) de ancho, y una unidad (un nucleótido) mide 3,3 Å
(0,33 nm) de largo. Aunque cada unidad individual que se repite es muy pequeña,
los polímeros de ADN pueden ser moléculas enormes que contienen millones de nucleótidos.
Por ejemplo, el cromosoma humano más largo, el cromosoma número 1, tiene aproximadamente 220 millones de pares de bases.
Estructuras
El ADN es una molécula
bicatenaria, es decir, está formada por dos cadenas dispuestas de forma antiparalela
y con las bases nitrogenadas enfrentadas. En su estructura tridimensional, se
distinguen distintos niveles:
Estructura
primaria
Secuencia de nucleótidos encadenados. Es en estas cadenas donde se encuentra la información
genética, y dado que el esqueleto es el mismo para todos, la diferencia
de la información radica en la distinta secuencia de bases nitrogenadas.
Esta secuencia presenta un código, que determina una información u otra,
según el orden de las bases.
Estructura secundaria
Es
una estructura en doble hélice. Permite explicar el almacenamiento
de la información genética y el mecanismo de duplicación del ADN.
Fue postulada por Watson y Crick, basándose en la difracción de
rayos X que habían realizado Franklin y Wilkins, y en la
equivalencia de bases de Chargaff, según la cual la suma de
adeninas más guaninas es igual a la suma de timinas más
citosinas.
Es
una cadena doble, dextrógira o levógira, según el tipo de ADN.
Ambas cadenas son complementarias, pues la adenina y la guanina de
una cadena se unen, respectivamente, a la timina y la citosina de la
otra. Ambas cadenas son antiparalelas, pues el extremo 3´ de una se
enfrenta al extremo 5´ de la homóloga.
Existen
tres modelos de ADN. El ADN de tipo B es el más abundante y es el
que tiene la estructura descrita por Watson y Crick.
Estructura terciaria
Se refiere a cómo se
almacena el ADN en un espacio reducido, para formar los cromosomas.
Varía según se trate de organismos procariotas o eucariotas:
1. En procariotas
el ADN se pliega como una súper-hélice, generalmente en forma circular y
asociada a una pequeña cantidad de proteínas. Lo mismo ocurre en orgánulos
celulares como las mitocondrias y en los cloroplastos.
2. En eucariotas, dado que la cantidad de ADN de cada cromosoma es muy grande, el empaquetamiento ha de ser más complejo y compacto; para ello se necesita la presencia de proteínas, como las histomas y otras proteínas de naturaleza no histónica (en los espermatozoides estas proteínas son las protaminas).
El ADN existe en muchas
conformaciones. Sin embargo, en organismos vivos sólo se han observado las conformaciones ADN-A, ADN-B y ADN-Z.
La conformación que adopta el ADN depende de su secuencia, la cantidad y
dirección de superenrrollamiento
que presenta, la presencia de modificaciones químicas en las bases y las condiciones de la solución, tales como
la concentración de iones de metales
y poliaminas.
De las tres conformaciones, la forma "B" es la más común en las
condiciones existentes en las células. Las dos dobles hélices alternativas
del ADN difieren en su geometría y dimensiones.
La forma "A" es una espiral que gira hacia la derecha, más amplia que la "B", con una hendidura menor superficial y más amplia, y una hendidura mayor más estrecha y profunda. La forma "A" ocurre en condiciones no fisiológicas en formas deshidratadas de ADN, mientras que en la célula puede producirse en apareamientos híbridos de hebras ADN-ARN, además de en complejos enzima-ADN.
Estructura del ADN: El modelo de Watson y Crick
Hacia principios de los años 50, un joven científico americano, James
D. Watson, llegó a Cambridge, Inglaterra, con una beca de investigación
para estudiar problemas de estructura molecular. Allí en el laboratorio
Cavendish, se encontró con el médico Francis Crick.
Ambos estaban interesados en estudiar el ADN y pronto comenzaron a trabajar juntos para resolver el problema de su estructura molecular. No realizaron experimentos en el sentido usual, sino más bien se encargaron de examinar todos los datos acerca del ADN y unificarlos en un todo significativo. A partir de estos datos, Watson y Crick intentaron construir un modelo de ADN que estuviera de acuerdo con los hechos conocidos.
Estaban muy conscientes del papel biológico del
ADN. A fin de poder obtener esa gran cantidad de información, las
moléculas tendrían que ser heterogéneas y distintas. Asimismo, tendrían
que tener alguna forma peculiar de duplicarse fácilmente y con gran
precisión a fin de que pudieran pasar copias fieles de células a células
y de padres a hijos, generación tras generación. Llegaron así a
elaborar el modelo de doble hélice a que ya hemos hecho referencia.Veamos a que se parecía el modelo de Watson y Crick. Si se toma una escalera de mano y se tuerce formando una hélice, manteniendo los peldaños perpendiculares, esto seria un modelo aproximado de la molécula de ADN. Los dos lados longitudinales de la escalera están formados por moléculas de azúcar y fosfato alternada.
Estaban muy conscientes del papel biológico del
ADN. A fin de poder obtener esa gran cantidad de información, las
moléculas tendrían que ser heterogéneas y distintas. Asimismo, tendrían
que tener alguna forma peculiar de duplicarse fácilmente y con gran
precisión a fin de que pudieran pasar copias fieles de células a células
y de padres a hijos, generación tras generación. Llegaron así a
elaborar el modelo de doble hélice a que ya hemos hecho referencia.
Regulación genética: Modelo de Jacob y Monod
En 1961, Jacob y Monod
exploraron la idea de que el control de los niveles de expresión de
enzimas en las células es el resultado de la retroalimentación
sobre la transcripción de secuencias de ADN. Sus experimentos e
ideas impulsaron el campo emergente de la biología molecular del
desarrollo y de la regulación transcripcional en particular.
Durante muchos años se ha sabido que
las células bacterianas y otras podrían responder a las condiciones
externas mediante la regulación de sus niveles de enzimas
metabólicas clave, y / o la actividad de estas enzimas. Por ejemplo,
si una bacteria se encuentra en un caldo que contiene lactosa, en
lugar de la glucosa de azúcar simple, que debe adaptarse a la
necesidad de 1) importación lactosa, 2) escindir la lactosa a su
constituyentes glucosa y galactosa, y 3) convertir el galactosa en
glucosa. Se sabe que las células rampa encima de su producción de
las enzimas que hacen estos pasos cuando se expone a la lactosa, en
lugar de producir estas enzimas derrochador todo el tiempo. Los
estudios de control de la actividad enzimática se avanza a través
de las teorías de la acción (alostérico) de moléculas pequeñas
en la molécula de la enzima en sí (de ponerlo en marcha o apagado),
pero el método de control de la producción de enzimas que no se
entendía bien en ese momento.
Con la determinación anterior de
la estructura y la importancia central de ADN, se hizo evidente que
todas las proteínas se producían en algún modo de su código
genético, y que este paso podría formar un punto de control clave.
Jacob y Monod hicieron descubrimientos experimentales y teóricos
clave que demostraron que en el caso del sistema de lactosa descrito
anteriormente (en la bacteria E. coli), hay proteínas específicas
que se dedican a la represión de la transcripción del ADN a su
producto (RNA, que a su vez se decodifica en la proteína).
Este
represor (el represor lac) se lleva a cabo en todas las células,
vincula directamente al ADN con los genes que controla, y evita que
el aparato transcriptor tengan acceso al ADN.
Jacob y Monod
extendieron este modelo represor de todos los genes de todos los
organismos. La regulación de la actividad de los genes se ha
convertido en un gran sub-disciplina de la biología molecular, y en
verdad exhibe gran variedad de mecanismo y muchos niveles de
complejidad.
Código genético
Debido a esto, el número de codones posibles es 64, de los cuales 61
codifican aminoácidos (siendo además uno de ellos el codón de inicio,
AUG) y los tres restantes son sitios de parada (UAA, llamado ocre; UAG,
llamado ámbar; UGA, llamado ópalo). La secuencia de codones determina la
secuencia de aminoácidos en una proteína en concreto, que tendrá una
estructura y una función específicas.
Transcripción (genética)
La transcripción del ADN es el primer proceso de la expresión genética, mediante el cual se transfiere la información contenida en la secuencia del ADN hacia la secuencia de proteína utilizando diversos ARN como intermediarios. Durante la transcripción genética, las secuencias de ADN son copiadas a ARN mediante una enzima llamada ARN polimerasa que sintetiza un ARN mensajero que mantiene la información de la secuencia del ADN. De esta manera, la transcripción del ADN también podría llamarse síntesis del ARN mensajero.
Etapas de la transcripción:
Clásicamente se divide el proceso de la transcripción en 3 etapas
principales (iniciación, elongación y terminación), pero realmente se
pueden diferenciar 5 etapas :
Preiniciación
Al contrario de la replicación de ADN,
durante el inicio de la transcripción no se requiere la presencia de un
cebador para sintetizar la nueva cadena, de ARN en este caso. Antes del
inicio de la transcripción se necesita toda una serie de factores de transcripción que ejercen los factores de iniciación. Estos se unen a secuencias
específicas de ADN para reconocer el sitio donde la transcripción ha de
comenzar. Esta secuencia de ADN en la que se ensamblan los complejos de
transcripción se llama promotor. Los promotores se localizan en los
extremos 5'-terminales de los genes, antes del comienzo del gen, y a
ellos se unen los factores de transcripción mediante fuerzas de Van der
Waals y enlaces de hidrógeno. Los promotores tienen secuencias reguladoras definidas, muy conservadas en cada especie, donde las más conocidas son la caja TATA
(situada sobre la región -10), con la secuencia consenso
TATA(A/T)A(A/T); y la caja TTGACA (situada en el punto -35). La
formación del complejo de transcripción se realiza sobre el promotor
TATA, allí se forma el núcleo del complejo de iniciación. Sobre la caja
TATA se fija una proteína de unión (TBP) junto con el factor de
transcripción TFII D (TF proviene del inglés: transcription factor). Después, a ellos se unen otros factores de transcripción específicos: TFII B se une a TBP, TFII A (opcional), que estabiliza el complejo TFII B-TBP; luego se une el complejo TFII F y ARN polimerasa, y al final TFII E y TFII H.
Todo ello forma un complejo que se llama «complejo de preiniciación
cerrado» o PIC. Cuando la estructura se abre por mediación del factor de
transcripción TFII H, da comienzo la iniciación y al «complejo abierto» (por su acción helicasa dependiente de ATP).
Iniciación
Primero, una Helicasa separa las hebras de ADN en estas denominadas cajas TATA, ya que entre adenina y timina se establecen dos enlaces de hidrógeno, mientras que entre citosina y guanina se forman tres. Posteriormente se unen los factores y las proteínas de transcripción (TBP, TF2D, TF2B) permitiendo, de esta manera, el acceso de la ARN polimerasa al molde de ADN de cadena simple, siendo esta la última en posicionarse. Aunque la búsqueda del promotor por la ARN polimerasa es muy rápida, la formación de la «burbuja de transcripción» o apertura del ADN y la síntesis del cebador es muy lenta. La burbuja de transcripción es una apertura de ADN desnaturalizado de 18 pares de bases, donde empieza a sintetizarse el ARN cebador a partir del nucleótido número 10 del ADN molde de la burbuja de transcripción. La burbuja de transcripción se llama «complejo abierto».
La ARN polimerasa es una
enzima formada por 5 subunidades: 2 subunidades α, 1 subunidad β, 1
subunidad β' y 1 subunidad ω que tiene como función la unión de
ribonucleótidos tri fosfato. Cuando se forma el complejo abierto, la ARN
polimerasa comienza a unir ribonucleótidos mediante enlaces
fosfodiéster, y una vez que se forma el primer enlace fosfodiéster,
acaba la etapa de iniciación y comienza así la siguiente etapa.
Disgregación del promotor
Una vez sintetizado el primer enlace fosfodiéster, se debe deshacer
el complejo del promotor para que quede limpio para volver a funcionar
de nuevo. Durante esta fase hay una tendencia a desprenderse el
transcrito inicial de ARN y producir transcritos truncados, dando lugar a
una iniciación abortada, común tanto en procariontes como eucariontes.
Una vez que la cadena transcrita alcanza una longitud de unos 23
nucleótidos, el complejo ya no se desliza y da lugar a la siguiente
fase, la elongación.
La disgregación del promotor coincide con una fosforilación de la
serina 5 del dominio carboxilo terminal de la ARN polimerasa, que es
fosforilado por el TFII H (que es una proteína quinasa dependiente de ATP)
Elongación
La ARN polimerasa cataliza la elongación de cadena del ARN. Una cadena de ARN se une por apareamiento de bases a la cadena de ADN, y para que se formen correctamente los enlaces de hidrógeno que determina el siguiente nucleótido del molde de ADN, el centro activo de la ARN polimerasa reconoce a los ribonucleótidos trifosfato entrantes. Cuando el nucleótido entrante forma los enlaces de hidrógeno idóneos, entonces la ARN polimerasa cataliza la formación del enlace fosfodiéster que corresponde. A esto se le llama elongación, la segunda etapa de la transcripción del ARN.
Terminación
Al finalizar la síntesis de ARNm, esta molécula ya se ha separado
completamente del ADN (que recupera su forma original) y también de la
ARN polimerasa, terminando la transcripción. La terminación es otra
etapa distinta de la transcripción, porque justo cuando el complejo de
transcripción se ha ensamblado activamente debe desensamblarse una vez
que la elongación se ha completado. La terminación está señalizada por
la información contenida en sitios de la secuencia del ADN que se está
transcribiendo, por lo que la ARN polimerasa se detiene al transcribir
algunas secuencias especiales del ADN. Estas secuencias son ricas en guanina y citosina, situadas en el extremo de los genes, seguidas de secuencias ricas en timina, formando secuencias palindrómicas,
que cuando se transcriben el ARN recién sintetizado adopta una
«estructura en horquilla» que desestabiliza el complejo ARN-ADN,
obligando a separarse de la ARN polimerasa, renaturalizándose la burbuja
de transcripción. Algunas secuencias de ADN carecen de la secuencia de
terminación, sino que poseen otra secuencia a la que se unen una serie
de proteínas reguladoras específicas de la terminación de la
transcripción como rho.
Traducción (genética)
La traducción es el segundo proceso de la síntesis proteica (parte del proceso general de la expresión genética). La traducción ocurre tanto en el citoplasma, donde se encuentran los ribosomas, como también en el retículo endoplasmático rugoso (RER). Los ribosomas están formados por una subunidad pequeña y una grande que rodean al ARNm. En la traducción, el ARN mensajero se decodifica para producir un polipéptido específico de acuerdo con las reglas especificadas por el código genético. Es el proceso que convierte una secuencia de ARNm en una cadena de aminoácidos para formar una proteína. Es necesario que la traducción venga precedida de un proceso de transcripción. El proceso de traducción tiene cuatro fases: activación, iniciación, elongación y terminación (entre todos describen el crecimiento de la cadena de aminoácidos, o polipéptido, que es el producto de la traducción).
Fases de la traducción
Iniciación
La iniciación de la traducción en las procariotas supone
ensamblar los componentes del sistema de traducción, que son: las
dos subunidades ribosomales,
el ARNm a traducir,
el primer aminoacil-ARNt (el ARNt cargado con el primer aminoácido), GTP (como fuente de energía) y factores de iniciación que ayudan a
ensamblar el sistema de iniciación. La iniciación procariótica es
el resultado de la asociación de las subunidades pequeña y grande
del ribosoma y el acoplamiento del primer aminoacil-ARNt (fmet-ARNt)
con el codón de iniciación mediante el emparejamiento de bases
anticodón-codón.
Elongación
La elongación de la cadena polipeptídica consiste en la adición de aminoácidos al extremo carboxilo de la cadena.
La elongación comienza cuando el nuevo aminoacil-ARNt se
acopla en el sitio A. El factor de elongación Tu (EF-Tu), una pequeña
GTPasa,
facilita este acoplamiento. Ahora el sitio P contiene el comienzo de la
cadena peptídica de la proteína a codificar y el sitio A tiene el
siguiente aminoácido que debe añadirse a la cadena peptídica. El
polipéptido creciente que está conectado al ARNt en el sitio P se
desacopla del ARNt y se forma un enlace péptidico
entre el último de los aminoácidos del polipéptido y el aminoácido que
está acoplado al ARNt en el sitio A. Este proceso, conocido como
formación del enlace peptídico, está catalizado por una ribozima, la
peptidil-trasferasa, una actividad intrínseca al ARNr
23s de la unidad ribosómica 50s. En este punto, el sitio A ha formado
un nuevo péptido, mientras que el sitio P tiene un ARNt descargado (ARNt
sin aminoácido). En la fase final de la elongación, la traslación,
el ribosoma se mueve 3 nucleótidos hacia el extremo 3' del ARNm. Como
los ARNt están enlazados al ARNm mediante el emparejamiento de bases
codón-anticodón, los ARNt se mueven respecto al ribosoma recibiendo el
polipéptido naciente del sitio A al sitio P y moviendo el ARNt
descargado al sitio E de salida. Este proceso está catalizado por el
factor de elongación G (EF-G) gastando un GTP.
El ribosoma continúa trasladando los codones restantes del ARNm mientras siguen acoplándose más aminoacil-ARNt al sitio A, hasta que el ribosoma alcanza un codón de parada (codón de término) en el ARNm (UAA, UGA o UAG).
El ribosoma continúa trasladando los codones restantes del ARNm mientras siguen acoplándose más aminoacil-ARNt al sitio A, hasta que el ribosoma alcanza un codón de parada (codón de término) en el ARNm (UAA, UGA o UAG).
Terminación
La terminación ocurre cuando uno de los tres codones de terminación
entra en el sitio A. Estos codones no son reconocidos por ningún ARNt.
En cambio, son reconocidos por unas proteínas llamadas factores de liberación,
concretamente la RF-1 (que reconoce los codones de parada UAA y UAG) o
la RF-2 (que reconoce al UAA y al UGA). Un tercer factor de liberación,
el RF3, cataliza la liberación producida por el RF-1 y el RF-2 al final
del proceso de terminación. Estos factores disparan la hidrólisis del enlace éster de la peptidil-ARNt y la liberación del ribosoma de la proteína recién sintetizada. O fin de la fase.
Reciclaje
El sistema de post-terminación formado al final de la terminación
consiste en el ARNm con el codón de terminación en el sitio A, los ARNt y
el ribosoma. La fase de reciclaje del ribosoma es responsable del
desmantelamiento del sistema ribosómico posterior a la terminación. Una
vez que la proteína nueva es liberada durante la terminación, el factor del reciclaje del ribosoma
y el factor de elongación G (EF-G) se ponen en funcionamiento para
liberar el ARNm y los ARNt de los ribosomas y desligar los ribosomas 70s
en las subunidades 30s y 50s. El IF-3 también ayuda al proceso de
reciclaje del ribosoma convirtiendo a las subunidades transitorias
desacopladas en subinidades estables, enlazándose con las subunidades
30s. Esto "recicla" los ribosomas para posteriores rondas de traducción.
Polisomas
La traducción es ejecutada por varios ribosomas al mismo tiempo.
Debido al gran tamaño de los ribosomas, solo se pueden acoplar al ARNm a
una distancia de 35 nucleótidos unos de otros. El sistema consistente
en un ARNm y un cierto número de ribosomas se llama polisoma o poliribosomas.
Síntesis de proteínas
Se conoce como síntesis de proteínas
al proceso por el cual se componen nuevas proteínas a partir de los
veinte aminoácidos esenciales. En este proceso, se transcribe el ADN en
ARN.
La síntesis de proteínas se realiza en los ribosomas situados en el
citoplasma celular.
En el proceso de síntesis,
los aminoácidos son transportados por ARN de transferencia
correspondiente para cada aminoácido hasta el ARN mensajero donde se
unen en la posición adecuada para formar las nuevas proteínas.
Al finalizar la síntesis de una proteína,
se libera el ARN mensajero y puede volver a ser leído, incluso antes de
que la síntesis de una proteína termine, ya puede comenzar la
siguiente, por lo cual, el mismo ARN mensajero puede utilizarse por
varios ribosomas al mismo tiempo.
A continuación puedes ver más
información sobre en qué consiste el proceso de la síntesis de
proteínas, cuales son sus fases y los pasos que se realizan en cada fase
de la síntesis de proteínas.
Fases de las síntesis de proteínas
La realización de la biosíntesis de las proteínas, se divide en las siguientes fases:- Fase de activación de los aminoácidos.
- Fase de traducción que comprende:
- Inicio de la síntesis proteica.
- Elongación de la cadena polipeptídica.
- Finalización de la síntesis de proteínas.
- Asociación de cadenas polipeptídicas y, en algunos casos, grupos prostésicos para la constitución de las proteínas.
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