ADN (Ácido Desoxirribonucleico) y ARN (Ácido ribonucleico)

Ácidos nucleicos. Enlaces fosfodiéster. Pentosas. Información genética

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El ADN y el ARN desempeñan funciones distintas

El ADN son moléculas muy largas, que contienen muchos miles de desoxirribonucleótidos de cuatro clases distintas, unidos en una secuencia que es característica para cada organismo, y que constan habitualmente, de dos hebras. El cromosoma de las células procarióticas es una gran molécula de ADN, dispuesta de modo compacto en una zona nuclear o nucleoide. En los procariotas no existe una membrana que envuelva al material genético.

Las células eucarióticas contienen muchas moléculas de ADN, cada una de las cuales es, en general, mucho más grande que la molécula de ADN de las procariotas. En los eucariotas las moléculas de ADN esta combinadas con proteínas y se hallan organizadas en las fibras de cromatina en el interior del núcleo, el cual esta rodeado por un complejo sistema de doble membrana. Las funciones del ADN consisten en almacenar la información genética completa, necesaria para especificar la estructura de todas las proteínas y d cada una de las clases de ARN del organismo, en programar en el tiempo y en el espacio la biosíntesis ordenada de los componentes de la célula y de los tejidos, en determinar las actividades de un organismo a lo largo de su ciclo vital y, finalmente, en definir la individualidad de un organismo dado.

Los virus también contienen ácidos nucleicos como material genético; algunos contienen ADN y otros ARN. Los ácidos nucleicos vírales, que son relativamente pequeños comparados con los ADN de las bacteria, codifican las proteínas características que se encuentran en las partículas vírales y también algunos enzima que son necesarios para la replicación del virus en su célula huésped.

Los ácidos ribonucleicos constan de largas cadenas de ribunucleótidos, y aunque son mucho más cortos que los ADNs, son mucho más abundantes en la mayoría de las células. Tanto en las células procarióticas como en las eucarióticas, las tres clases principales de ARN son el ARN mensajero (mARN), el ARN ribosómico (rARN) y el ARN de transferencia (tARN). Cada uno de ellos consta de una sola cadena de ribonucleótidos y posee un peso molecular, una secuencia nucleotídica y una función biológica característica. El ARN mensajero actúa como matriz utilizada por los ribosomas para la traducción de la información genética en la secuencia aminoácido de las proteínas. La secuencia nucleotídica del mARN es complementaria al mensaje genético contenido en su segmento especifico de la cadena patrón del ADN. En una célula eucariótica pueden existir 104 moléculas de mARN distintas, cada una de las cuales modifica una o más cadenas polipeptídicas diferentes.

Los ARNs de transferencia constan de una sola cadena de ribonucleótidos que posee una conformación muy plegada. Contiene entre 70 y 95 ribonucleótidos y sus pesos moleculares oscilan entre 23000 y 30000 dáltones. Cada uno de los 20 aminoácidos que se encuentran en las proteínas tiene uno o más tARNs correspondientes a los que se une para ser transportados a los ribosomas, en donde los tARNs actúan como adaptadores para traducir los vocablos del código genético del mARN en la secuencia aminoácido de las proteínas. Cada tARN contiene una secuencia trinucleotídica específica determinada anticodón, que es complementaria con el codón, secuencia trinucleotídica del mARN que codifica a un aminoácido especifico.

Los ARNs ribosómicos (rARNs) son los componentes principales de los ribosomas y constituyen hasta un 65% de su peso. En los ribosomas procarióticos hay tres clases de rARN mientras que en los ribosomas eucarióticos existen cuatro. Los ARNs ribosómicos desempeñan un importante papel en la estructura y función de los ribosomas.

En las células eucarióticas hay dos clases adicionales de ARNs”: los ARNs nucleares heterogéneos (hnARNs), que son los precursores nucleares de los mARNs, y los ARNs nucleares pequeños (snARNs), que participan en la elaboración del ARN.

Las unidades nucleotídicas del ADN y del ARN

Tienen bases y pentosas características.

Los nucleótidos contienen tres componentes característicos: (1) una base nitrogenada, (2) una pentosa, y (3) ácido fosfórico, unidos de tal modo que la base esta unida covalentemente, mediante enlace N-glucosilo, al átomo de carbono 1' de la pentosa, el ácido fosfórico esta esterificado al carbono 5'. Las bases nitrogenadas derivan de dos compuestos heterocíclicos originarios, la primigenia y la purgan. El DNA contiene dos bases pirimidínicas principales, la citocina (C) y la timina (T), y dos bases purínicas principales, la adenina (A) y la guanina (G). Los ARNs también contienen dos pirimidinas principales, la citocina (C) y el uranio (U), y dos bases purínicas principales, la adenina (A) y la guanina (G). La única diferencia importante entre las bases del DNA y el ARN es que la timina es una pirimidina en los dos ADNs, pero no es habitual en los ARNs; por el contrario, el uracio es la pirimidina principal en los ARNs. Las bases pirimidínicas y purínicas son moléculas casi planas, relativamente insolubles en el agua.

En los ácidos nucleicos existen dos clases de pentosas. Las unidades de desoxirribonucleótidos que se repiten en el DNA contienen 2'-desoxi-D-ribosa, y las unidades des ribonucleótidos del ARN contienen D-ribosa. Ambas pentosas se encuentran en los nucleótidos en su forma de B-furanosa.

Los enlaces fosfodiéster

Unen las sucesivas unidades nucleotídicas

Tanto el ADN como el ARN, los sucesivos nucleótidos están unidos entre sí por convalencía mediante puentes construidos por grupos fosfato. El grupo 5'-hidroxilio del nucleótido siguiente por un enlace fosfodiéster. De este modo, el esqueleto covalente de los ácidos nucleicos esta constituido por grupos alternantes de fosfato y de pentosa, mientras que las bases características aparecen como grupos laterales unidos al esqueleto a intervalos regulares: Debe indicarse, también, que los esqueletos del ADN y del ARN son muy polares, ya que los grupos fosfato son ácidos y están cargados negativamente al pH de la célula. Por otra parte, las bases purinas y pirimidínicas, que son relativamente insolubles en el agua, son hidrofobicas. Se observa que las cadenas de ADN y de ARN tienen una polaridad o dirección especifica, ya que todos los enlaces fosfodiéster internucleotídicos tienen la misma orientación a lo largo de la cadena. Debido a esta polaridad, cada cadena lineal de ácido nucleico tiene un extremo 5' terminal y un extremo 3' terminal.

Los enlaces internucleotídicos presentes en el ADN y el ARN pueden ser escindidos químicamente por hidrólisis, y también pueden ser hidrolizados enzimaticamente por acción de las nucleasa. Algunas nucleasas pueden hidrolizar enlaces entre dos nucleótidos adyacentes situados en el interior de las cadenas del ADN o del ARN; estas nucleasas se denominan endonucleasas. Otra clase de nucleasas, las exonucleasas, solo pueden hidrolizar el enlace nucleotídico terminal; algunas actúan en el extremo 4' y otras en e extremo 3'. Las desoxirribonucleasas, especificas para la hidrólisis de algunos enlaces internucleotídicos de los ADNs, y las ribonucleasas especificas para los ARNs, se encuentran en todas las células. Son secretadas por el páncreas en el tracto intestinal, en donde participan en la hidrólisis de los ácidos nucleicos durante la digestión.

El ADN almacena la información genética

La historia del ADN empieza con Friedrich Miescher, un biólogo suizo que realizo los primeros estudios químicos sistemáticos de los núcleos celulares. En 1868 Miescher aisló una sustancia que contenía fósforo a partir del núcleo de las células del pus, obtenido de vendajes quirúrgicos de desecho, a la que denomino nucleína. (Las células de pus son las células blancas de la sangre, o leucocitos). Miescher descubrió que la nucleína estaba constituida por una porción ácida, que hoy en día conocemos como ADN, y una solución básica en la que concurre la proteína. Mas tarde descubrió una sustancia similar en las cabezas de las células del esperma d salmón. Aunque separo la fracción de ácido nucleico y estudio sus propiedades, la estructura covalente del ADN. No se conoció con exactitud hasta la década de los años cuarenta.

Aunque Miescher y otros muchos que lo siguieron sospecharon que la nucleína o el ácido nucleico tenia alguna relación con la herencia celular, la primera evidencia directa de que el ADN era el portador de la información genética tuvo lugar en 1943, merced al descubrimiento efectuado por Oswald T. Avery, Collin MacLeod y Maclyn McCarty en el Instituto Rockefeller. Estos investigadores encontraron que el ADN extraída de una cepa virulenta (productora de enfermedad) de la bacteria Streptococcus pneumoniae, conocida también como neumococo, transformada de forma permanente en una cepa no virulenta de este organismo en una forma virulenta Avery y sus colaboradores llegaron a la conclusión que el ADN extraído de la sepa virulenta era el portador del mensaje genético heredable responsable de la virulencia, y que este quedaba incorporado de modo permanente en el ADN de las células no virulentas receptoras. Al principio no todos aceptaron estas conclusiones. Algunos sugirieron que el verdadero de la información genética en los experimentos de Avery podía ser alguna traza proteica que impurificaba la muestra de ADN. Esta posibilidad fue pronto descartada, ya que el tratamiento de ADN con enzima proteolíticos no destruía la actividad transformante, pero si lo hacia la adición de desoxirribonucleasas.

Mas tarde, un segundo experimento importante proporciono evidencia de que el ADN era el portador de la información genética. En 1952 Alfred D. Hershey y Martha Chase, descubrieron por medio de experimentos con marcadores isotópicos que cuando el bacteriofago T2 infecta a su célula huésped, E. coli, es el ADN de la partícula viril T2 y no realmente su parte proteica la que penetra en la célula huésped, y proporciona la información genética necesaria para la replicaron del virus.

Gracias a estos experimentos y muchos otros realizados se a comprobado que el ADN es la molécula responsable de la información genética.