Los ácidos nucleicos importantes en la naturaleza incluyen ácido desoxirribonucleico o ADN y ácido ribonucleico o ARN. Se llaman ácidos porque son donantes de protones (es decir, átomos de hidrógeno) y, por lo tanto, tienen una carga negativa.
Químicamente, el ADN y el ARN son polímeros, lo que significa que consisten en unidades repetidas, a menudo un gran número de ellas. Estas unidades se llaman nucleótidos. Todos los nucleótidos a su vez incluyen tres porciones químicas distintas: un azúcar pentosa, un grupo fosfato y una base nitrogenada.
El ADN se diferencia del ARN en tres formas principales. Una es que el azúcar que forma la "columna vertebral" estructural de la molécula de ácido nucleico es la desoxirribosa, mientras que en el ARN es la ribosa. Si está familiarizado con la nomenclatura química, reconocerá que se trata de una pequeña diferencia en el esquema estructural general; la ribosa tiene cuatro grupos hidroxilo (-OH), mientras que la desoxirribosa tiene tres.
La segunda diferencia es que mientras una de las cuatro bases nitrogenadas que se encuentran en el ADN es la timina, la base correspondiente en el ARN es el uracilo. Las bases nitrogenadas de los ácidos nucleicos son las que dictan las características últimas de estos moléculas, porque las porciones de fosfato y azúcar no varían dentro o entre moléculas del el mismo tipo.
Finalmente, el ADN es de doble hebra, lo que significa que consta de dos largas cadenas de nucleótidos unidos químicamente por dos bases nitrogenadas. El ADN está enrollado en forma de "doble hélice", como una escalera flexible retorcida en direcciones opuestas en ambos extremos.
Características generales del ADN
La desoxirribosa consiste en un anillo de cinco átomos, cuatro carbonos y un oxígeno, con forma de pentágono o quizás de home en el béisbol. Debido a que el carbono forma cuatro enlaces y el oxígeno dos, esto deja ocho sitios de unión libres en los cuatro átomos de carbono, dos por carbono, uno arriba y otro debajo del anillo. Tres de estos lugares están ocupados por grupos hidroxilo (-OH) y cinco están ocupados por átomos de hidrógeno.
Esta molécula de azúcar puede unirse a una de las cuatro bases nitrogenadas: adenina, citosina, guanina y timina. La adenina (A) y la guanina (G) son purinas, mientras que la citosina (C) y la timina (T) son pirimidinas. Las purinas son moléculas más grandes que las pirimidinas; Debido a que las dos cadenas de cualquier molécula de ADN completa están unidas en el medio por sus bases nitrogenadas, estos enlaces debe formarse entre una purina y una pirimidina para mantener aproximadamente el tamaño total de las dos bases en la molécula constante. (Es útil hacer referencia a cualquier diagrama de ácidos nucleicos al leer, como los de las Referencias). Da la casualidad de que A se une exclusivamente a T en el ADN, mientras que C se une exclusivamente a G.
La desoxirribosa unida a una base nitrogenada se denomina nucleósido. Cuando se agrega un grupo fosfato a la desoxirribosa en el carbono a dos puntos de donde se une la base, se forma un nucleótido completo. Las peculiaridades de las respectivas cargas electroquímicas en los diversos átomos de los nucleótidos son responsable de que el ADN de doble hebra forme naturalmente una forma helicoidal, y las dos hebras de ADN en la molécula son llamados hebras complementarias.
Características generales del ARN
El azúcar pentosa en el ARN es ribosa en lugar de desoxirribosa. La ribosa es idéntica a la desoxirribosa excepto que la estructura del anillo está unida a cuatro grupos hidroxilo (-OH) y cuatro átomos de hidrógeno en lugar de tres y cinco respectivamente. La porción de ribosa de un nucleótido está unida a un grupo fosfato y a una base nitrogenada, como ocurre con el ADN, con fosfatos y fosfatos alternados. azúcares que forman la "columna vertebral" del ARN. Las bases, como se señaló anteriormente, incluyen A, C y G, pero la segunda pirimidina en el ARN es uracilo (U) en lugar de que T.
Mientras que el ADN se ocupa únicamente del almacenamiento de información (un gen es simplemente una hebra de ADN que codifica una sola proteína), los diferentes tipos de ARN asumen funciones diferentes. El ARN mensajero, o ARNm, se elabora a partir del ADN cuando el ADN, normalmente de doble hebra, se divide en dos hebras simples con el propósito de la transcripción. El ARNm resultante finalmente se abre camino hacia las partes de las células donde se produce la fabricación de proteínas, llevando las instrucciones para este proceso entregadas por el ADN. Un segundo tipo de ARN, el ARN de transferencia (ARNt), participa en la fabricación de proteínas. Esto ocurre en orgánulos celulares llamados ribosomas, y los ribosomas mismos consisten principalmente en un tercer tipo de ARN llamado, acertadamente, ARN ribosómico (ARNr).
Las bases nitrogenadas
Las cinco bases nitrogenadas: adenina (A), citosina (C), guanina (G) y timina (T) en el ADN y las tres primeras más uracilo (U) en el ARN: son las porciones de ácidos nucleicos que son responsables en última instancia de la diversidad de productos génicos en los seres vivos. cosas. Las porciones de azúcar y fosfato son esenciales porque proporcionan estructura y andamiaje, pero las bases son donde se generan los códigos. Si piensa en su computadora portátil como un ácido nucleico o al menos una cadena de nucleótidos, el hardware (por ejemplo, unidades de disco, monitor pantalla, microprocesador) es análogo a los azúcares y fosfatos, mientras que cualquier software y aplicaciones que esté ejecutando son como nitrógeno bases, porque la variedad única de programas que ha cargado en su sistema hace que su computadora sea única en su tipo. "organismo."
Como se describió anteriormente, las bases nitrogenadas se clasifican como purinas (A y G) o pirimidinas (C, T y U). A siempre se empareja en una hebra de ADN con T, y C siempre se empareja con G. Es importante destacar que cuando una hebra de ADN se utiliza como plantilla para la síntesis (transcripción) de ARN, en cada punto a lo largo de la molécula de ARN en crecimiento, el nucleótido de ARN que se crea a partir del nucleótido de ADN "principal" incluye la base que es la que siempre une la base "principal" a. Esto se explora en una sección adicional.
Las purinas consisten en un anillo de nitrógeno y carbono de seis miembros y un anillo de nitrógeno y carbono de cinco miembros, como un hexágono y un pentágono que comparten un lado. La síntesis de purina implica el ajuste químico de un azúcar ribosa, seguido de la adición de amino (-NH2) grupos. Las pirimidinas también tienen un anillo de nitrógeno y carbono de seis miembros, como las purinas, pero carecen del anillo de cinco miembros de nitrógeno y carbono de las purinas. Por lo tanto, las purinas tienen una masa molecular más alta que las pirimidinas.
La síntesis de nucleótidos que contienen pirimidinas y la síntesis de nucleótidos que contienen purinas ocurren en el orden opuesto en un paso crucial. En las pirimidinas, la porción de base se ensambla primero y el resto de la molécula se modifica en un nucleótido más tarde. En las purinas, la parte que finalmente se convierte en adenina o guanina se modifica hacia el final de la formación de nucleótidos.
Transcripción y traducción
La transcripción es la creación de una hebra de ARNm a partir de una plantilla de ADN, que lleva las mismas instrucciones (es decir, código genético) para producir una proteína en particular que la plantilla. El proceso ocurre en el núcleo celular, donde se encuentra el ADN. Cuando una molécula de ADN de doble hebra se separa en hebras simples y la transcripción prosigue, el ARNm que se genera a partir de una La hebra del par de ADN "descomprimido" es idéntica al ADN de la otra cadena de ADN descomprimido, excepto que el ARNm contiene U en lugar de T. (Nuevamente, es útil hacer referencia a un diagrama; ver las Referencias.) El ARNm, una vez completo, sale del núcleo a través de los poros de la membrana nuclear. Una vez que el ARNm abandona el núcleo, se adhiere a un ribosoma.
Luego, las enzimas se adhieren al complejo ribosómico y ayudan en el proceso de traducción. La traducción es la conversión de la instrucción del ARNm en proteínas. Esto ocurre cuando los aminoácidos, las subunidades de proteínas, se generan a partir de "codones" de tres nucleótidos en la cadena de ARNm. El proceso también involucra rRNA (ya que la traducción tiene lugar en los ribsomas) y tRNA (que ayuda a ensamblar los aminoácidos).
De las hebras de ADN a los cromosomas
Las cadenas de ADN se ensamblan en una doble hélice debido a una confluencia de factores relacionados. Uno de ellos son los enlaces de hidrógeno que se colocan naturalmente en diferentes partes de la molécula. A medida que se forma la hélice, los pares de enlace de bases nitrogenadas son perpendiculares al eje de la doble hélice en su conjunto. Cada turno completo incluye un total de aproximadamente 10 pares unidos base-base. Lo que podrían haberse llamado los "lados" del ADN cuando se dispuso como una "escalera" ahora se llaman las "cadenas" de la doble hélice. Estos consisten casi en su totalidad en las porciones de ribosa y fosfato de los nucleótidos, con las bases en el interior. Se dice que la hélice tiene ranuras mayores y menores que determinan su forma finalmente estable.
Si bien los cromosomas pueden describirse como cadenas muy largas de ADN, esto es una simplificación burda. Es cierto que un cromosoma dado podría, en teoría, desenrollarse para revelar una única molécula de ADN intacta, pero esto no indica el intrincado enrollamiento, spooling y agrupamiento que el ADN hace en el camino para formar un cromosoma. Un cromosoma presenta millones de pares de bases de ADN, y si todo el ADN se estirara sin romper la hélice, su longitud se extendería desde unos pocos milímetros hasta más de un centímetro. En realidad, el ADN está mucho más condensado. Las proteínas llamadas histonas se forman a partir de cuatro pares de proteínas subunitarias (ocho subunidades en total). Este octámero sirve como una especie de carrete para que la doble hélice del ADN se enrolle dos veces, como un hilo. Esta estructura, el octámero más el ADN envuelto a su alrededor, se llama nucleosoma. Cuando un cromosoma se desenrolla parcialmente en una hebra llamada cromátida, estos nucleosomas aparecen en el microscopio como cuentas en una cuerda. Pero por encima del nivel de los nucleosomas, se produce una mayor compresión del material genético, aunque el mecanismo preciso sigue siendo difícil de alcanzar.
Ácidos nucleicos y el surgimiento de la vida
Se consideran ADN, ARN y proteínas. biopolímeros porque son secuencias repetidas de información y aminoácidos que están asociados con los seres vivos ("bio" significa "vida"). Los biólogos moleculares reconocen hoy que el ADN y el ARN de alguna forma son anteriores al surgimiento de la vida en Tierra, pero a partir de 2018, nadie había descubierto el camino desde los primeros biopolímeros hasta la vida simple. cosas. Algunos han teorizado que el ARN de alguna forma fue la fuente original de todas estas cosas, incluido el ADN. Ésta es la "hipótesis del mundo del ARN". Sin embargo, esto presenta una especie de escenario del huevo y la gallina para los biólogos, porque moléculas de ARN suficientemente grandes aparentemente no podrían haber emergido por ningún otro medio que no sea transcripción. En cualquier caso, los científicos están, con creciente entusiasmo, investigando actualmente el ARN como objetivo de la primera molécula autorreplicante.
Terapias medicas
Los productos químicos que imitan los constituyentes de los ácidos nucleicos se utilizan como fármacos en la actualidad, y se están realizando nuevos desarrollos en esta área. Por ejemplo, una forma ligeramente modificada de uracilo, el 5-fluorouracilo (5-FU), se ha utilizado durante décadas para tratar el carcinoma de colon. Lo hace imitando una verdadera base nitrogenada lo suficientemente cerca como para que se inserte en el ADN recién fabricado. Esto finalmente conduce a un colapso en la síntesis de proteínas.
Los imitadores de nucleósidos (que, como recordará, son un azúcar ribosa más una base nitrogenada) se han utilizado en terapias antibacterianas y antivirales. A veces, es la porción de base del nucleósido la que se modifica y, en otras ocasiones, el fármaco se dirige a la porción de azúcar.