Fundamentos de los Ácidos Nucleicos: Estructura, Función y Tipos de ADN y ARN

1. Importancia de los Ácidos Nucleicos

Los ácidos nucleicos son polímeros formados por la unión de nucleótidos mediante el enlace nucleotídico (también conocido como enlace fosfodiéster).
Los ácidos nucleicos controlan la síntesis de proteínas, así como el metabolismo de glúcidos y lípidos.
Contienen las instrucciones genéticas necesarias para realizar los procesos vitales, siendo responsables de todas las funciones básicas del organismo.
Aunque los virus no son considerados organismos celulares y carecen de la estructura de una célula, poseen su propia molécula de ácido nucleico.
La relevancia en la síntesis de proteínas específicas se pone de manifiesto cuando, al introducir en una célula una molécula de ácido nucleico de otro individuo, se comienzan a sintetizar proteínas de este último.
Los ácidos nucleicos (ADN y ARN) son macromoléculas formadas por la unión de muchos monómeros llamados nucleótidos.
Estas moléculas almacenan la información biológica de los individuos y de las especies.

2. Nucleótidos

Son las unidades fundamentales que forman los ácidos nucleicos; equivalen a los monómeros que constituyen otras macromoléculas biológicas.
Cada nucleótido es una molécula relativamente compleja, compuesta por la unión de tres unidades: un monosacárido (pentosa), una base nitrogenada y uno o varios grupos fosfato.
Tanto la base nitrogenada como los grupos fosfato se encuentran unidos químicamente a la pentosa.

Componentes de los Nucleótidos

Pentosas

Siempre es una aldopentosa. En el ARN se encuentra la ribosa (β-D-ribofuranosa), mientras que en el ADN se encuentra la desoxirribosa (β-D-2-desoxirribofuranosa). Son monosacáridos cíclicos cuyos átomos de carbono, cuando forman parte de los nucleótidos, se enumeran como 1’, 2’, 3’ (prima), para evitar confusiones con la numeración de los átomos de carbono y nitrógeno de las bases nitrogenadas.

Bases Nitrogenadas

Son compuestos heterocíclicos formados por carbono y nitrógeno. Existen dos tipos principales:

Bases púricas: Derivan de la purina; son la adenina (A) y la guanina (G), ambas presentes tanto en el ADN como en el ARN.
Bases pirimidínicas: Derivan de la pirimidina; son la citosina (C), la timina (T) y el uracilo (U). La timina se encuentra solo en el ADN, y el uracilo solo en el ARN.

Tipos de Nucleósidos

Resultan de la unión entre una base nitrogenada y una pentosa mediante un enlace N-glucosídico entre el carbono 1’ de la pentosa y un nitrógeno de la base (N1 si es pirimidínica, N9 si es púrica), con liberación de una molécula de agua (H₂O). Se nombran añadiendo al nombre de la base el sufijo -osina si es una base púrica (ejemplo: adenosina) o -idina si es pirimidínica (ejemplo: citidina). Si la pentosa es desoxirribosa, se antepone el prefijo desoxi- (ejemplo: desoxiadenosina).

Grupos Fosfato

Están presentes en los nucleótidos en forma de ion fosfato. Puede existir más de un grupo fosfato unido en cadena. Se emplean abreviaturas para nombrar a los nucleótidos; por ejemplo, GTP indica guanosín trifosfato.

3. Importancia Biológica de los Nucleótidos

Los nucleótidos poseen un gran interés biológico; además de constituir los ácidos nucleicos, realizan funciones básicas para los seres vivos. El más importante es el ATP.
Son los componentes básicos del ADN y el ARN.
Son moléculas que almacenan y donan energía, y algunos actúan como coenzimas.

Moléculas Acumuladoras y Donantes de Energía

Existen nucleótidos con una importancia biológica notable que no forman parte de los ácidos nucleicos. Ciertas reacciones metabólicas tienen como finalidad la producción de energía.

Otros nucleótidos (fundamentalmente la adenosina) con más de un grupo fosfato desempeñan funciones energéticas.
Cuando existe energía disponible, una molécula de ADP la emplea para unir un tercer grupo fosfato y obtener ATP.
El sistema ATP/ADP constituye una forma eficaz de “guardar” y transportar la energía liberada.
Algunos nucleótidos actúan como moléculas señalizadoras o mensajeros intracelulares.

Adenosín Monofosfato Cíclico (AMPc)

El AMPc actúa como una molécula mensajera. Interviene en el desencadenamiento de las respuestas celulares ante la información recibida del medio extracelular. La interacción de los primeros mensajeros (hormonas) con los receptores suele promover la producción de segundos mensajeros, siendo el AMPc el más común. Se forma a partir del ATP intracelular mediante una reacción catalizada que se activa cuando determinadas hormonas se unen a la célula.

Moléculas con Función Coenzimática

Son moléculas orgánicas no proteicas que intervienen en las reacciones químicas como coenzimas, actuando como transportadores de electrones. Muchas de ellas son nucleótidos y son responsables de la transformación química durante la catálisis. Las principales son:

Nicotinamín adenín dinucleótido (NAD+): Derivado de la vitamina B3 o nicotinamida.
Nicotinamín adenín dinucleótido fosfato (NADP+): Posee un grupo fosfato adicional en el carbono 2’ del nucleótido de adenina.
Flavín adenín dinucleótido (FAD): Derivado de la vitamina B2 o riboflavina.

Estas tres moléculas participan en reacciones de deshidrogenación, fundamentales en el catabolismo celular.

4. Enlace Nucleotídico o Enlace Fosfodiéster

La existencia de grupos hidroxilo (-OH), tanto en la pentosa como en el fosfato, permite la unión de los nucleótidos.
La unión es una esterificación que se realiza entre el grupo fosfato situado en la posición 5’ de un nucleótido y el grupo hidroxilo del carbono 3’ de otro nucleótido.
La unión de cientos o miles de nucleótidos constituye cadenas de polinucleótidos, moléculas gigantescas con una masa molecular muy elevada.
La unión se produce entre pentosas y fosfatos; las bases nitrogenadas no participan en el esqueleto del enlace.
La secuencia de las bases nitrogenadas es la que proporciona la especificidad a una cadena determinada.
En los polinucleótidos existe un extremo 3’ (con el grupo -OH libre) y un extremo 5’ (con el grupo fosfato libre). Ambos extremos son distintos, lo que otorga polaridad a la cadena.
Se suele emplear una notación simplificada para indicar la secuencia, por ejemplo: 5’ CATTGCACG 3’.

5. Ácidos Nucleicos: ADN y ARN

En 1869, el médico suizo Friedrich Miescher aisló estas sustancias a partir de núcleos celulares. Posteriormente se observó su presencia en el citoplasma. Existen dos tipos: ADN y ARN.

4.1. Ácido Desoxirribonucleico (ADN)

Está formado por la unión de desoxirribonucleótidos. Contiene toda la información genética y es la molécula más importante de la herencia.
Sus bases nitrogenadas son adenina, guanina, citosina y timina (nunca uracilo).

Estructura Primaria

Está determinada por la secuencia de nucleótidos unidos por enlaces covalentes de tipo fosfodiéster en dirección 5’ → 3’.

Estructura Secundaria: El Modelo de Watson y Crick

Establecida en 1953 por James Watson y Francis Crick, basándose en los siguientes hallazgos:

Ley de Chargaff: Erwin Chargaff observó que el número de adeninas es igual al de timinas (A=T) y el de guaninas igual al de citosinas (G=C).
Difracción de rayos X: Rosalind Franklin y Maurice Wilkins dedujeron una estructura helicoidal con periodicidades de 0,34 nm y 3,4 nm.

Características de la doble hélice:

El ADN está constituido por dos cadenas polinucleotídicas unidas entre sí.
Las cadenas son antiparalelas (el extremo 3’ de una se enfrenta al 5’ de la otra).
La unión se realiza mediante puentes de hidrógeno entre bases complementarias: A=T (dos enlaces) y G≡C (tres enlaces).
Las cadenas están enrolladas en espiral formando una doble hélice dextrógira y plectonémica (para separarlas hay que desenrollarlas).
Las bases quedan en el interior y el esqueleto de pentosa-fosfato en el exterior.
La anchura es de 2 nm y cada vuelta completa mide 3,4 nm, conteniendo 10 pares de nucleótidos por vuelta.

Estructura Terciaria

Consiste en el empaquetamiento complejo de la doble hélice para ocupar menos espacio y regular la actividad genética. En eucariotas, esto da lugar a la cromatina.

Desnaturalización del ADN

Cuando el ADN se somete a temperaturas elevadas, cambios de pH o altas concentraciones salinas, las dos cadenas se separan al romperse los puentes de hidrógeno. Este proceso es reversible si el tratamiento no ha sido demasiado drástico.

4.2. Ácido Ribonucleico (ARN)

Formado por ribonucleótidos de A, G, C y U unidos por enlaces fosfodiéster en sentido 5′ → 3′.
Generalmente es monocatenario, aunque puede presentar zonas de doble hélice intracatenaria por complementariedad (A-U y G-C).
Se sintetiza a partir del ADN en un proceso llamado transcripción.

Tipos de ARN

ARN mensajero (ARNm): Transporta la información genética desde el ADN hasta los ribosomas para la síntesis de proteínas. Tiene una vida media muy corta.
ARN ribosómico (ARNr): Es el más abundante. Forma parte de la estructura de los ribosomas junto con proteínas. Participa en la formación de enlaces peptídicos. Existen diferencias entre los ribosomas procariotas (70S) y eucariotas (80S).
ARN de transferencia (ARNt): Su función es transportar los aminoácidos hasta los ribosomas. Está formado por una sola cadena replegada sobre sí misma con una estructura característica en forma de trébol.