Los ácidos nucleicos, estructura y función

Los ácidos nucleicos, estructura y función

Algo de historia  “Hemos encontrado el secreto de la vida”, se escuchó un 28 de Febrero de 1953 en el bar The Eagles, en Inglaterra.  Esta frase fue la conclusión de un largo trabajo de un equipo de científicos en Cambridge que estaba dedicado a averiguar la estructura de la molécula de ADN. El biólogo estadounidense James Watson y el físico inglés Francis Crick, que trabajaban en el Laboratorio Cavendish de Cambridge, se habían especializado en el empleo de los rayos X para deducir la estructura de las moléculas biológicas. Sin embargo, hasta ese momento los resultados que se obtenían eran muy imprecisos. Los científicos suponían que la molécula de ADN era helicoidal, incluso habían demostrado matemáticamente que, si realmente tenía esa forma, en las fotografías de la difracción de los rayos X aparecería reflejada como una cruz. Esta premisa fue confirmada al observar la fotografía obtenida por la científica británica Rosalind Franklin (ver Cuaderno Nº 65). Paralelamente, el químico de Cambridge Alexander Tood, había completado el análisis del ADN, que demostraba que la estructura estaba formada por unas largas cadenas de azúcar y fósforo unidas por unas moléculas planas o bases que contenían carbono y nitrógeno (bases nitrogenadas: adenina, guanina, timina y citosina). Además, contaron con la información del descubrimiento del bioquímico americano Erwin Chargaff que había demostrado que, en cada muestra de ADN la cantidad de la base adenina era la misma que la de timina, mientras que la de guanina se correspondía con la de citosina. Con todos estos datos, Watson y Crick comenzaron a construir modelos (ver Actividades de Cuaderno Nº 50), hasta que finalmente encontraron el que se correspondía con las investigaciones previas: el modelo de doble hélice del ADN. Dos meses más tarde, el descubrimiento fue publicado en la prestigiosa revista científica Nature. El conocimiento de la estructura del ADN abrió el camino a nuevas áreas de investigación dentro de la biología. Aparte de sus innumerables repercusiones en bacteriología y en virología (permi¬tió establecer cómo los virus infectan las células), hay que resaltar su con¬tribución a la ingeniería genética (ver Cuaderno Nº4). ¿Qué son los Ácidos nucleicos? Tanto el ADN como el ARN pertenecen a un tipo de moléculas llamadas “ácidos nucleicos”. El descubrimiento de estos ácidos se debe al investigador Friedrich Meischer (1869), el cual investigaba los leucocitos y espermatozoides de salmón, de los cuales obtuvo una sustancia rica en carbono, hidrógeno, oxígeno, nitrógeno y un porcentaje elevado de fósforo. Por encontrarse dentro del núcleo, llamó a esta sustancia nucleina. Años más tarde, se encontró que tenía un componente proteico y un grupo prostético (no proteico). Debido a que este último es de carácter ácido, a la nucleína se la pasó a llamar ácido nucleico. La estructura de los ácidos nucleicos Los ácidos nucleicos son biopolímeros formados a partir de unidades llamadas monómeros, que son los nucleótidos. Durante los años 20, el bioquímico P.A. Levene analizó los componentes del ADN. Encontró que los nucleótidos se forman a partir de la unión de: a)    Un azúcar de tipo pentosa (cinco átomos de carbono). Puede ser D-ribosa en el ARN, o D-2- desoxirribosa, en el ADN. Adaptado de http://www.arrakis.es/~lluengo/biologia.html       En este esquema se muestra la estructura química de los dos tipos de azúcares que forman el ADN y ARN. La diferencia entre ambas, radica en la presencia de un grupo hidroxilo o alcohol (-OH) en la ribosa o un hidrógeno (-H) en la desoxirribosa, unidos al Carbono 2.  Los números indican la posición de cada uno de los cinco carbonos de la molécula de azúcar. b)    Una base nitrogenada. Son compuestos orgánicos cíclicos, que incluyen dos o más átomos de nitrógeno y son la parte fundamental de los ácidos nucleicos. Biológicamente existen cinco bases nitrogenadas principales, que se clasifican en dos grupos: -    Las Bases Purínicas, derivadas de la estructura de las Purinas (con dos anillos): la Guanina (G) y la Adenina (A). Ambas bases se encuentran tanto en el ADN como el ARN. -    Las Bases Pirimidínicas, derivadas de la estructura de las Pirimidinas (con un anillo): la Timina (T), Citosina (C) y Uracilo (U). La timina sólo se encuentra en la molécula de ADN, el uracilo sólo en la de ARN y la citosina, en ambos tipos de macromoléculas.

Expresión génica

Expresión génica

El ADN es el material genético de todos los organismos de la Tierra. Cuando se transmite de padres a hijos, el ADN puede determinar algunas de las características de los hijos (como el color de sus ojos o de su cabello). Pero, ¿cómo puede la secuencia de una molécula de ADN realmente tener efecto sobre las características de un ser humano o de cualquier otro organismo? Por ejemplo, ¿cómo puede la secuencia de nucléotidos (As, Ts, Cs y Gs) del ADN de las plantas de chícharos de Mendel determinar el color de sus flores?

Los genes especifican productos funcionales (como proteínas)

Una molécula de ADN no solo es una larga y aburrida cadena de nucleótidos. En realidad, se divide en unidades funcionales llamadas genes. Cada gen proporciona las instrucciones para formar un producto funcional, o sea, una molécula necesaria para desempeñar un trabajo en la célula. En muchos casos, el producto funcional es una proteína. Por ejemplo, en el experimento de Mendel, el gen del color de las flores tiene las instrucciones para hacer una proteína que ayuda a producir moléculas coloridas (pigmentos) en los pétalos de las flores.

Diagrama que muestra cómo un gen puede dictar un fenotipo (característica observable) de un organismo. El gen del color de las flores que estudió Mendel se compone de una tira de ADN que se encuentra en un cromosoma. El ADN tiene una secuencia particular; parte de esta se muestra en el diagrama y es 5'-GTAAATCG-3' (cadena superior), que está emparejada con la secuencia complementaria 3'-CATTTAGC-5' (cadena inferior). El ADN del gen especifica la producción de una proteína que ayuda a formar pigmentos. Cuando la proteína está presente y es funcional, se producen pigmentos y las flores de la planta tienen un color púrpura.

Imagen basada en los datos experimentales reportados por Hellens et al$^1$start superscript, 1, end superscripty en una figura similar de Reece et al$^2$start superscript, 2, end superscript.

El producto funcional de la mayoría de los genes son proteínas, o para ser más exactos, polipéptidos. El término polipéptido es solo una palabra para designar una cadena de aminoácidos. Aunque muchas proteínas se conforman de un solo polipéptido, algunas están hechas de varios polipéptidos. Los genes que especifican polipéptidos se conocen como genes codificantes de proteínas.

No todos los genes codifican proteínas. Por el contrario, algunos proporcionan instrucciones para producir moléculas de ARN funcionales, como los ARN de transferencia y los ARN ribosomales que desempeñan papeles en la traducción. 

[Más sobre los genes codificantes de proteínas y de ARN]

Examples of different functional products that genes can specify.

In this example, there is a stretch of DNA that contains three different genes:

• Gene 1 encodes an mRNA, which is then translated to make a polypeptide (protein or protein subunit).
• Gene 2 encodes a regulatory RNA. This RNA is not translated into a polypeptide, but rather, carries out a job in the cell itself (regulating expression of other genes).
• Gene 3 encodes a transfer RNA (tRNA). This RNA is also not translated into a polypeptide. Instead, it folds into a complex cloverleaf shape and will play a key role in the synthesis of proteins.

¿Cómo puede la secuencia de ADN de un gen especificar una proteína en particular?

Muchos genes proporcionan instrucciones para producir polipéptidos. ¿Cómo dirige exactamente el ADN la construcción de un polipéptido? Este proceso consta de dos pasos: transcripción y traducción.

• En la transcripción, la secuencia de ADN de un gen se copia para obtener una molécula de ARN. Este proceso es llamado transcripción porque implica reescribir, o trancribir, la secuencia de ADN en un "alfabeto" de ARN similar. En eucariontes, la molécula de ARN debe someterse a un procesamiento para convertirse en un ARN mensajero (ARNm) maduro.
• En la traducción, la secuencia de ARNm se decodifica para especificar la secuencia de aminoácidos de un polipéptido. El nombre traducción refleja que la secuencia de nucleótidos del ARNm se debe traducir al "idioma", completamente diferente, de los aminoácidos.

Esquema simplificado del dogma central que muestra las secuencias de las moléculas participantes.

Las dos cadenas de ADN tienen las siguientes secuencias:

5'-ATGATCTCGTAA-3' 3'-TACTAGAGCATT-5'

La transcripción de una de las cadenas de ADN produce un ARNm con una secuencia casi idéntica a la otra cadena de ADN. Sin embargo, debido a las diferencias bioquímicas entre el ADN y el ARN, las T del ADN se reemplazan con U en el ARNm. La secuencia de ARNm es:

5'-AUGAUCUCGUAA-5'

La traducción implica leer los nucleótidos del ARNm en grupos de tres, cada uno de los cuales especifica un aminoácido (o proporciona una señal de terminación que indica que ha finalizado la traducción).

3'-AUG AUC UCG UAA-5'

AUG $\rightarrow$right arrowmetionina AUC $\rightarrow$right arrowisoleucina UCG $\rightarrow$right arrowserina UAA $\rightarrow$right arrow"alto"

Secuencia del polipéptido: (extremo-N) metionina-isoleucina-serina (extremo-C)

Por lo tanto, durante la expresión de un gen codificante de proteína, la información fluye de ADN $\rightarrow$right arrow ARN $\rightarrow$right arrow proteína. Este flujo de información se conoce como el dogma central de la biología molecular. Los genes no codificantes (genes que producen ARN funcionales) también se transcriben para producir ARN, pero este ARN no se traduce en un polipéptido. Para cualquier tipo de gen, el proceso de pasar de ADN a producto funcional se conoce como expresión génica.

[¿Por qué los genes codificantes de proteínas se expresan en dos pasos?]

Transcripción

En la transcripción, una cadena del ADN que compone al gen, llamada cadena no codificante, funciona como molde para que una enzima llamada ARN polimerasa sintetice una cadena de ARN correspondiente (complementaria). Esta cadena de ARN se llama transcrito primario.

Las dos cadenas de ADN tienen las siguientes secuencias:

5'-ATGATCTCGTAA-3' 3'-TACTAGAGCATT-5'

El ADN se abre para formar una burbuja y la cadena inferior sirve como molde para la síntesis de una cadena de ARN complementaria. Esta es llamada cadena molde. La transcripción de la cadena molde produce un ARNm que es casi idéntico en secuencia a la otra cadena (cadena codificante) de ADN. Sin embargo, debido a una diferencia bioquímica entre el ADN y el ARN, las T del ADN se reemplazan con U en el ARNm. La secuencia de ARNm es:

5'-AUGAUCUCGUAA-5'

El transcrito primario tiene la misma secuencia de información que la cadena de ADN que no se transcribió, generalmente llamada cadena codificante. Sin embargo, el transcrito primario y la cadena codificante no son idénticos debido a ciertas diferencias bioquímicas entre el ADN y el ARN. Una diferencia importante es que las moléculas de ARN no contienen la base timina (T). En lugar de timina, las moléculas de ARN utilizan una base similar llamada uracilo(U). El uracilo, al igual que la timina, forma pareja con la adenina.

[Otras diferencias entre el ADN y el ARN]

$-\text{OH}$minus, O, H

DNA nucleotide: lacks a hydroxyl group on the 2' carbon of the sugar (i.e., sugar is deoxyribose). Bears a thymine base that has a methyl group attached to its ring.

RNA nucleotide: has a hydroxyl group on the 2' carbon of the sugar (i.e., sugar is ribose). Bears a uracil base that is very similar in structure to thymine, but does not have a methyl group attached to the ring.

$^3$start superscript, 3, end superscript

Transcripción y procesamiento de ARN: eucariontes frente a bacterias

En bacterias, el transcrito primario puede servir directamente como ARN mensajero o ARNm. El ARN mensajero obtiene su nombre por el hecho de actuar como mensajero entre el ADN y los ribosomas. Los ribosomas son las estructuras de ARN y proteínas en el citosol donde se forman las proteínas.

En eucariontes (como los seres humanos), el transcrito primario debe someterse a algunos pasos extra para convertirse en un ARNm maduro. Durante el procesamiento, se añaden casquetes en ambos extremos del ARN y se eliminan cuidadosamente algunas de sus porciones en un proceso conocido como empalme. Estos pasos no ocurren en bacterias.

Célula eucarionte: la transcripción ocurre en el núcleo. El transcrito primario se somete a pasos de procesamiento adicionales en el núcleo para convertirse en ARNm maduro. Luego, se exporta al citosol, donde se puede juntar con un ribosoma y dirigir la síntesis de un polipéptido en el proceso de traducción.

Bacteria: la transcripción ocurre en el citosol. Debido a esto, el ARNm no necesita viajar a ningún otro lado antes de poder ser traducido por un ribosoma. De hecho, un ribosoma puede comenzar a traducir un ARNm incluso antes de que se transcriba completamente (mientras la transcripción sigue en proceso).

El lugar donde ocurre la transcripción también es diferente entre procariontes y eucariontes. La transcripción eucarionte ocurre en el núcleo, donde se almacena el ADN, mientras que la síntesis de proteínas ocurre en el citosol. Debido a esto, el ARNm eucarionte debe ser exportado del núcleo antes de que pueda traducirse en un polipéptido. Las células procariontes, por otra parte, no tienen núcleo, por lo que la transcripción y la traducción se llevan a cabo en el citosol.

Traducción

Después de la transcripción (y de algunos pasos de procesamiento en eucariontes), la molécula de ARNm está lista para dirigir la síntesis de proteínas. El proceso de usar información de un ARNm para producir un polipéptido se llama traducción.

El código genético

Durante la traducción, la secuencia de nucleótidos de un ARNm se traduce en la secuencia de aminoácidos de un polipéptido. Específicamente, los nucleótidos del ARNm se leen en tripletes (grupos de tres) llamados codones. Existen $61$61 codones que especifican aminoácidos. Uno de esos codones es un codón de "inicio" que señala dónde comienza la traducción. El codón de inicio codifica para el aminoácido metionina, por lo que la mayoría de los polipéptidos comienzan con este aminoácido. Otros tres codones de "terminación" indican el final de un polipéptido. Estas relaciones se llaman código genético. 

[Tabla del código genético]

Genetic code table. Each three-letter sequence of mRNA nucleotides corresponds to a specific amino acid, or to a stop codon. UGA, UAA, and UAG are stop codons. AUG is the codon for methionine, and is also the start codon.

La secuencia del ARNm es:

5'-AUGAUCUCGUAA-5'

La traducción implica leer los nucleótidos del ARNm en grupos de tres, cada uno de los cuales especifica un aminoácido (o proporciona una señal de terminación que indica que ha finalizado la traducción).

3'-AUG AUC UCG UAA-5'

AUG $\rightarrow$right arrowmetionina AUC $\rightarrow$right arrowisoleucina UCG $\rightarrow$right arrowserina UAA $\rightarrow$right arrow"alto"

Secuencia del polipéptido: (extremo-N) metionina-isoleucina-serina (extremo-C)

Los pasos de la traducción

La traducción ocurre dentro de estructuras conocidas como ribosomas. Los ribosomas son máquinas moleculares cuya función es construir polipéptidos. Una vez que un ribosoma se monta sobre un ARNm y encuentra el codón de "inicio", se desplazará rápidamente por el ARNm un codón a la vez. Al avanzar, construirá poco a poco una cadena de aminoácidos que refleja exactamente la secuencia de codones en el ARNm.

¿Cómo "sabe" el ribosoma qué aminoácido insertar para cada codón? Pues resulta que esta correspondencia no la hace el ribosoma por sí mismo. En realidad, depende de un grupo de moléculas de ARN especializadas llamadas ARN de transferencia (ARNt). Cada ARNt tiene tres nucleótidos que sobresalen en un extremo y pueden reconocer (complementar sus bases con) uno o unos cuantos codones en particular. En el otro extremo, el ARNt transporta un aminoácido: específicamente, el aminoácido que corresponde con esos codones.

La traducción ocurre en el ribosoma. El ARNm se une al ribosoma, donde puede interactuar con moléculas de ARNt.

En esta imagen, la secuencia del ARNm es:

3'-...AUG UAC AUC UCG GAU...-5'

El ARNt unido al tercer codón (5'-AUC-3') tiene la secuencia complementaria 3'-UAG-5'. Lleva una cadena de polipéptido compuesta por metionina e isoleucina, la cual se une al ARNt mediante la isoleucina. A la derecha de este ARNt hay otro ARNt que se une al siguiente codón (5'-UCG-3'). Dicho ARNt también tiene una secuencia de nucleótidos complementaria (3'-AGC-3') y lleva al aminoácido serina, que es el aminoácido especificado por el codón del ARNm. La serina que transporta el ARNt será añadida a la creciente cadena de polipéptido.

Otros ARNt que transportan otros aminoácidos están flotando alrededor. Uno lleva Glu (ácido glutámico) y la secuencia de nucleótidos en su extremo es 3'-CUU-5'. El otro transporta Asp (ácido aspártico) y la secuencia de nucleótidos en su extremo es 3'-CUA-5'.

Hay muchos ARNt flotando en una célula, pero solo el ARNt que coincide (cuyas bases se complementan) con el codón que se lee en ese momento puede unirse y suministrar su carga de aminoácido. Una vez que el ARNt está perfectamente unido a su codón correspondiente en el ribosoma, su aminoácido se añadirá al final de la cadena polipeptídica.

1. El RNAt correspondiente se une al codón expuesto en la ranura que está en la extrema derecha del ribosoma.
2. La cadena de aminoácidos se transfiere del ARNt en la ranura central del ribosoma al aminoácido del ARNt en la ranura de la derecha. Con esto, el aminoácido se agrega al final de la cadena de aminoácidos.
3. El ribosoma se desplaza un codón. El ARNt que antes estaba en la ranura del centro se mueve a la ranura de la izquierda y sale del ribosoma. El ARNt que antes estaba en la ranura de la derecha se mueve a la ranura del centro y sigue unido a la cadena de aminoácidos. Un nuevo codón queda expuesto en la ranura de extrema derecha para que se una ahí un nuevo ARNt.

Este proceso se repite muchas veces y el ribosoma se mueve sobre el ARNm un codón a la vez. La cadena de aminoácidos se construye pieza por pieza con una secuencia de aminoácidos que coincide con la secuencia de codones en el ARNm. La traducción termina cuando el ribosoma alcanza un codón de terminación y libera el polipéptido.

¿Qué sucede después?

Una vez terminado el polipéptido, este puede ser procesado, modificado, combinado con otros polipéptidos o enviado a algún destino en específico dentro o fuera de la célula. En última instancia, este polipéptido realizará un trabajo específico para la célula o el organismo, tal vez como molécula de señalización, algún elemento estructural o una enzima.

Recapitulación:

• El ADN se divide en unidades funcionales llamadas genes, los cuales pueden especificar polipéptidos (proteínas y subunidades proteicas) o ARN funcionales (como los ARNt y ARNr).
• La información de un gen se utiliza para construir un producto funcional en un proceso llamado expresión génica.
• Los genes que codifican polipéptidos se expresan en dos pasos. En este proceso, la información fluye de ADN $\rightarrow$right arrow ARN $\rightarrow$right arrow proteína, lo que constituye una relación direccional conocida como el dogma central de la biología molecular.
  • Transcripción: una cadena del ADN del gen se copia en ARN. En eucariontes, el transcrito de ARN se debe someter a pasos adicionales de procesamiento para convertirse en un ARN mensajero maduro (ARNm).
  • Traducción: la secuencia de nucleótidos del ARNm se decodifica para especificar la secuencia de aminoácidos de un polipéptido. Este proceso ocurre dentro de un ribosoma y requiere de moléculas adaptadoras llamadas ARNt.
• Durante la traducción, los nucleótidos del ARNm se leen en grupos de tres llamados codones. Cada codón especifica un aminoácido en particular o una señal de alto. Este conjunto de relaciones se conoce como código genético.