TEMA 7: ÁCIDOS NUCLEICOS
1. Experimento de Griffith
Durante mucho tiempo se supo de la existencia de los ácidos nucleicos pero se desconocía su función. Aunque algunas evidencias parecían relacionarlos con la información genética, la primera experiencia que aportó información sobre la posible función de los ácidos nucleicos fue el experimento de Griffith (1928).
Griffith trabajaba con bacterias que producen neumonía -neumococos- y que pueden ser de dos tipos:
1) Neumococos tipo R (Rough = Rugosa); estas bacterias poseen una cápsula que envuelve a la célula y son muy virulentas, es decir, que si se inyectan a un ratón, en pocos días éste muere de neumonía.
2) Neumococos tipo S (Smooth = Lisa); estas bacterias no tienen cápsulas y son poco virulentas de manera que al inyectárselas a ratones éstos sufren una leve neumonía pero viven.
Griffith estaba intentando obtener una vacuna que protegiese frente a las infecciones por neumococos tipo R y se le ocurrió lo siguiente:
Tomó neumococos tipo R, los mató a todos calentándolos, los mezcló con neumococos S vivos y esta mezcla se la inyectó a ratones. Sorprendentemente estos ratones morían y de su sangre se podían obtener neumococos R vivos.
Conclusión: los neumococos S han tomado algo que había en los neumococos R muertos y se han transformado en R, es decir, han adquirido la capacidad de fabricar la cápsula.
Años después (1944) Ávery Mc Carthy y Mc Leod, decidieron investigar qué sustancia era la que transformaba a los neumococos S en R. Para ello hicieron lo siguiente: tomaron neumococos R, los fragmentaron y separaron sus diferentes componentes (membranas, ribosomas, ácidos nucleicos, pared celular, etc.) Cada uno de esos componentes se mezcló por separado con neumococos S vivos y se inyectaron a ratones. Sólo en el caso de la mezcla con los ácidos nucleicos los ratones morían.
2. Experimento con bacteriófagos
Se sabía que el material genético debía estar en el núcleo, incluso en los cromosomas. Como candidatos para este papel estaban los ácidos nucleicos (apoyados por el experimento de Griffith y otras evidencias) y las proteínas (dada su gran variabilidad, pues resultan de combinar 20 aminoácidos y que también forman parte de los cromosomas). La prueba definitiva que atribuyó al ADN la función de material genético en los seres vivos fue obtenida en 1952 por Alfred Hershey y Martha Chase trabajando con el bacteriófago T2.
virus que se replicaron en presencia de 32P (un isótopo radioactivo). Este tipo de
virus solo tenían radioactivo el ADN (la envuelta no, ya que no hay ningún aa que contenga fósforo).
virus que se replicaron en presencia de 35S (un isótopo radioactivo). Estos virus
tenían radioactiva la envuelta proteica (ya que hay aa que contienen azufre) pero no el ADN, pues ningún nucleótido contiene azufre.
Cada uno de estos virus se mezcló por separado con bacterias y se siguió la marcha de la radioactividad. Se encontró que sólo la radioactividad procedente del 32P
penetraba en las bacterias mientras que la correspondiente al 35S se quedaba fuera. Lo
1. Componentes de los ácidos nucleicos: nucleótidos
Al igual que los polisacáridos y las proteínas, los ácidos nucleicos son polímeros. Las moléculas que se unen para formar los ácidos nucleicos se denominan nucleótidos. Cada nucleótido está a su vez formado por tres moléculas que son:
Un azúcar, pudiendo ser la β-D-ribosa (ARN) o la β-D-desoxirribosa (ADN) El ácido fosfórico
Una sustancia de carácter básico (base nitrogenada). Puede ser de dos tipos:
o Púricas (derivan de la purina). Son dos, adenina y guanina
o Pirimidínicas (derivan de la pirimidina) Son tres, citosina, timina y uracilo
(Todos estos compuestos contienen nitrógeno. Las bases púricas están formadas por dos anillos y la pirimidínica por un anillo)
Nucleósidos
Si unimos el azúcar y la base nitrogenada obtenemos un nucleósido. El azúcar y la base se unen mediante un enlace N-glucosídico que se establece entre el C1 del azúcar
y el N1 de las bases pirimidínica o el nitrógeno N9 de de las bases púricas
Nucleótidos
Los nucleótidos se obtienen por esterificación del nucleósido con ácido fosfórico; la esterificación se produce con el carbono 5’ del monosacárido (para no confundir los carbonos del azúcar con los carbonos de la base, los bioquímicos han decidido que los carbonos del azúcar se enumeren como primas, 1’, 2’, 3’). El nombre de los nucleótidos se construye:
Ribonucleótidos: ácido - nombre de la base – ílico. También se utilizan siglas. Ej. AMP
Desoxirribonucleótidos: ácido – desoxi – nombre de la base – ílico. También se utilizan siglas Ej. dAMP
Moléculas relacionadas con transferencia de energía (AMP, ADP y ATP). El nucleótido AMP puede ganar fosfatos y así participar en las reacciones en las que se transfiere energía. Si el AMP gana un fosfato se convierte en ADP y si gana otro se convierte en ATP. Las reacciones contrarias liberan fosfato y, por tanto energía.
Moléculas que funcionan como coenzimas. Algunos nucleótidos son también parte de coenzimas muy importantes en el metabolismo como:
o Los piridín nucleótidos (NAD+ / NADH y NADP+ / NADPH). Derivan
de la vitamina B5 o nicotinamida. Intervienen en reacciones red-ox. La
carencia de esta vitamina produce pelagra, dermatitis, demencia.
o Los flavín nucleótidos (FMN/FMNH2 y FAD / FADH2). Derivan de la
vitamina B2 o riboflavina. Intervienen en reacciones red-ox. Su carencia
provoca lesiones en las mucosas.
o Coenzima A. Deriva de la vitamina B3 o ácido pantoténico. Interviene en
reacciones de transferencia de grupos acil. Su carencia provoca insomnio, fatiga y el síndrome de los pies ardorosos.
Segundos mensajeros. Son moléculas que transmiten al interior de la célula mensajes que, en forma de hormonas o neurotransmisores (primeros mensajeros) llegan desde fuera. Uno de los segundos mensajeros más importantes es el AMP cíclico.
Enlace entre nucleótidos: formación de los ácidos nucleicos.
La única parte variable en los ácidos nucleicos es la secuencia de las bases nitrogenadas, es decir A, C, G y T en el ADN y A, C, G y U en el ARN.
Unión de nucleótidos
2. Modelo de Watson y Crick
La estructura del ADN fue descubierta por James Watson Y Francis Crick en 1953 y ello le valió el premio Novel de Medicina en 1962. Watson y Crick no hicieron experimentos si no que fueron recopilando los datos que otros investigadores iban publicando sobre el ADN; con ellos propusieron un modelo teórico que se comprobó era cierto al 100%.
De todos los datos recopilados los más importantes fueron dos:
El análisis de la molécula de ADN por difracción de rayos X, obtenido por Rosalind Franklin (la gran olvidada) y Maurice Wilkins. Este análisis indicaba que la molécula de ADN tenía forma de hélice
Análisis de las secuencias de nucleótidos en ADN obtenido a partir de organismos de distintas especies. Estos análisis se resumen en lo que se llama ley de Chargaf que dice que, en todas las moléculas de ADN se cumple que el porcentaje de adenina es igual al de timina y el de citosina al de guanina.
El modelo que Watson y Crick propusieron fue el siguiente:
El ADN no es una hélice simple como la α-hélice de las proteínas sino una doble hélice, se parece a una escalera de caracol en la que los pasamanos corresponden a las partes constantes de cada cadena de nucleótidos, es decir, las secuencias de azúcar y fosfato y los escalones son las bases de ambas cadenas que quedan enfrentadas y unidas por puentes de hidrógeno (2 entre A y T y 3 entre C y G). Sólo son posibles los siguientes enfrentamientos: A - T y C - G, es decir,
siempre se enfrentan una base púrica (que tiene dos anillos) con una base pirimidínica (que tiene un anillo). El peldaño tiene por tanto una longitud de tres anillos.
No son posibles los enfrentamientos púrica con púrica porque el peldaño seria demasiado grande, ni pirimidínica con pirimidínica ya que sólo tendría dos anillos (demasiado corto). Tampoco son posibles los enfrentamientos A - C ni G - T porque, aunque tendría tres anillos, estas bases no forman entre sí puentes de hidrógeno.
Para que se formen los enlaces entre las bases, ambas cadenas tienen que colocarse de forma antiparalela.
El diámetro de la hélice es de 20Å, las bases están separadas 3,4Å y desplazadas 36º, el enrollamiento es dextrógiro (hacia la derecha)
La estructura secundaria de la molécula de ADN se destruye si calentamos la muestra por encima de una temperatura crítica (punto de fusión del ADN), produciéndose la separación de las dos cadenas de nucleótidos. Este proceso se denomina desnaturalización y es un proceso reversible que ha permitido diseñar una técnica llamada hibridación, muy utilizada en medicina legal, filogenia, etc.
Tipos de ADN
Estudios posteriores han demostrado que dentro de la célula el ADN puede variar su conformación para adaptarse a las condiciones ambientales. Las dos estructuras especiales alternativas más importantes son:
ADN-A. No aparece en condiciones fisiológicas. Se presenta en casos de importante deshidratación. Se trata de una hélice más apretada y en la que las bases se disponen inclinadas respecto al eje de la hélice
ADN-Z. Se forma cuando aparecen grandes concentraciones del par G - C. es una hélice levógira e irregular. Se interpreta como señales para proteínas reguladoras de la expresión génica.
En las células eucariota el ADN que encontramos consiste en moléculas de ADN bicatenario lineal, además este ADN está unido a proteínas denominadas histonas constituyendo lo que se llama fibra de cromatina; cuando esta fibra se condensa aparecen los cromosomas con su típica forma. Cada cromosoma tiene por tanto una molécula de ADN (1 cromosoma = 1 molécula de ADN).
En las bacterias, en las mitocondrias y en los cloroplastos, encontramos una molécula de ADN bicatenario circular, esto no significa que tenga forma de circulo, si no que no tiene extremos libres. Cada célula contiene una sola molécula de ADN, es decir, un solo cromosoma y este ADN no esta unido a proteínas.
En los virus encontramos todo tipo de material genético: ADN bicatenario lineal → T pares (T2, T4, T8…)
En su trabajo sobre el ADN, Watson y Crick, además de proponer una estructura también propusieron un modo de duplicación del ADN:
“Nosotros suponemos que antes de la duplicación los puentes de hidrogeno se rompen y las dos cadenas se desenrollan y se separan. Cada cadena actúa ahora como molde para formar una nueva cadena, al final tendremos dos moléculas, cada una de las cuales contiene una cadena antigua y una cadena nueva”.
En 1957 Meselson y Sthal demostraron que el ADN se duplica según el modelo semiconservativo. La demostración la hicieron en un experimento en el que analizaron ADN de diferentes densidades mediante ultracentrifugación en gradientes de cloruro de cesio:
Cultivaron bacterias de Escherichia coli (E. coli) en un medio con 15N (isótopo pesado).
E. coli utilizará ese N para formar sus moléculas, por lo que tendrá un ADN pesado. Al cabo de un tiempo las pasaron a un medio con 14 N (isótopo normal) y esperaron 30
3. Las moléculas de ARN
Una vez demostrado que el ADN era el material genético de la célula, había que responder a la siguiente pregunta: ¿en que se traduce la información del ADN? Había evidencias que indicaban que la información del ADN servía para producir proteínas:
El experimento de los bacteriófagos
Cuando el ADN se daña aparecen alguna proteína rara.
El ADN es una secuencia de nucleótidos y las proteínas son secuencias de aa. Se pensó que debía haber un código que hiciera equivaler nucleótidos con aa, buscando ese código se descubrió que hacia falta un paso intermedio y que en dicho paso participaba el ARN.
Pruebas a favor de ello son:
En las células eucariotas el ADN está en el núcleo y nunca sale del núcleo, mientras que las proteínas se fabrican en el citoplasma. Los ARN sin embargo pueden salir del núcleo.
Las células que fabrican muchas proteínas tienes muchos ARN y las que fabrican pocas tienen poco.
Hay virus que en lugar de ADN llevan ARN y a partir de ese ARN fabrican sus proteínas.
A partir de estos descubrimientos los bioquímicos se centraron en el estudio de los ARN y se fue descubriendo lo siguiente:
1. Son también polinucleótidos pero el azúcar que llevan es la ribosa 2. Las bases que llevan son A, G, C y U pero nunca T
3. Son monocatenarios (salvo en algunos retrovirus) y aunque a veces pueden formar doble hélice se trata de una sola cadena que esta plegada.
4. Se descubrió que existen varios tipos de ARN:
ARN mensajero (ARNm): es una copia de fragmentos de una de las dos cadenas del ADN. Es capaz de salir del núcleo y pasar al citoplasma
ARN ribosómico (ARNr): forma parte de los ribosomas y es capaz de “leer” la información que hay en el ARNm
ARN mensajero:
Son moléculas largas y lineales, su vida media es muy corta. Comienza siempre en el extremo 5’ con una secuencia de nucleótidos que se llama secuencia líder. Esta secuencia sirve para que un ribosoma la reconozca y se pegue a ella, a continuación, viene una secuencia de nucleótidos que el ribosoma lee de 3 en 3; cada grupo de tres nucleótidos equivale a un aa en la proteína.
ARN ribosómico:
Forma los ribosomas; 2/3 de un ribosoma es ARN ribosómico, el tercio restante son proteínas. Existen varios tipos de ARN ribosómico que a su vez son diferentes en células procariotas y eucariotas. Representa EL 80% del ARN celular.
ARN transferente:
Hay unos 50 ARNt distintos. En su composición suelen aparecer bases modificadas como la inosina, la ridotimidina, el pesudouracilo, etc. Son moléculas pequeñas y plegadas en forma de trébol. Tienen cuatro brazos que son zonas de doble cadena y en el extremo de cada uno aparece un bucle:
Bucle1 o brazo D. Es el lugar de reconocimiento de la aminoacil-ARNt-sintetasa. Enzima que une un aminoácido al extremo 3’ según el anticodón del ARNt).
Bucle 3 o brazo T. Es el lugar de reconocimiento del ribosoma Extremo 3’. Es el lugar de unión con el aminoácido
6. El descubrimiento del código genético
Se denomina código genético, a la clave que relaciona una secuencia de nucleótidos del ARNm con una secuencia de aminoácidos de una cadena polipeptídica. Es pues, una equivalencia entre ambos tipos de polímeros. Sólo hay 4 nucleótidos diferentes mientras que hay 20 aa. distintos, por tanto en este código un nucleótido no puede equivaler a un aa; 2 tampoco, ya que al combinar los 4 nucleótidos de 2 en 2 salen 16 combinaciones diferentes, de manera que la equivalencia en este código debe ser 3 nucleótidos = 1 aa. Obtenemos así 64 combinaciones, de las que varias significan el mismo aa. Cada triplete de nucleótidos se denomina codón.
Este código fue descifrado entre 1961 y 1965 por Severo Ochoa, Nirenberg y Khorana. Para el desciframiento fue providencial el aislamiento de una enzima de E. coli capaz de sintetizar ARN “in vitro”. Con ella fabricaron ARN sintéticos a los que añadieron extractos ribosómicos de E. coli y aminoácidos marcados radiactivamente. Comprobaron que:
Un poli U originaba un polipéptido formado exclusivamente por Phe Un poli A originaba un polipéptido formado exclusivamente por Lys Un poli C originaba un polipéptido formado exclusivamente por Pro Un poli G originaba un polipéptido formado exclusivamente por Gly
Estos fueron los primeros codones descifrados (UUU, AAA, CCC, GGG). Posteriormente probaron con distintas mezclas de ribonucleótidos y consiguieron descifrar los 64 codones del código.
El código genético presenta las siguientes características:
Es casi universal → casi la totalidad de los seres vivos fabrican sus proteínas con el mismo código. Existen algunas excepciones, ya que un reducidísimo número de bacterias y las mitocondrias tienen un código ligeramente distinto.
Que sea universal tiene 2 consecuencias importantes:
De los 64 codones → 61 codifican algún aa. y 3 no significan nada, son señales de stop o fin de la proteína.
El código esta degenerado → varios codones significan el mismo aa El código genético presenta balanceo en la 3ª base, lo que quiere decir
que cuando varios codones significan lo mismo, sólo suele variar la 3ª base del codón. Esta característica explica que ciertas mutaciones no tengan ningún efecto en la proteína.
ÁCIDOS NUCLEICOS
1) Señale los errores del siguiente texto. “el ADN es el ácido nucleico más abundante en la célula. Se encuentra, exclusivamente, en el núcleo celular y posee una masa molecular muy elevada. Químicamente está formado por dos cadenas de polinucleótidos “
2) Formule un dinucleótido e indique cuántos enlaces éster contiene
3) Indique a qué tipo de ácido nucleico corresponden las siguientes secuencias de bases nitrogenadas;
5’ ..CCGATC..3’ 3’... GGATCC..5’ 3’…UACCGA.. 5’ 5’…ACCGGC..3’
4) El ADN presente en una determinada especie bacteriana posee, sobre el total de bases nitrogenadas, un 18% de citosina. Calcular el porcentaje de las restantes bases nitrogenadas presentes en el ADN de esa bacteria.
5) En qué tripletes de ARNm, de los que codifican la Gly, es más probable que la sustitución al azar de una sola base:
a) codifique la Ser
b) sea un codón sin sentido c) codifique la Met
6) ¿Cuántas secuencias diferentes de ADN llevan información para la síntesis del polipéptido H2N-Gly-Cys-Gly-Ala-Ser-COOH?
7) Una hebra de ADN posee la siguiente composición de bases nitrogenadas: A = 21%, G = 30%, C = 26% y T = 23%. Esta hebra es replicada por la ADN-polimerasa. La cadena resultante es utilizada como modelo por la ARN polimerasa. Razone que proporción de bases tendrá el ARN producido.
8) ¿Cuántas moléculas de ADN hay en una célula somática humana?
9) El ADN del planeta Rama está constituido por seis tipos de nucleótidos A, B, C, D, E y F. A y B se llaman marcinas, C y D orcinas y E y F pirinas. Para el ADN de Rama valen las reglas siguientes:
Marcinas totales = orcinas totales = pirinas totales a) Haga un modelo de la estructura del ADN de Rama
b) La mitosis en Rama produce tres células hijas. Teniendo esto en cuenta, haga un esquema de cómo ocurre la replicación de su modelo de ADN
10) Si extrae el ADN del colifago x-174, descubrirá que se compone de un 25% de A, un 33% de T, un 24% de G y un 18 % de C. ¿Tiene esto algún sentido en relación con las reglas de Chargaff?. ¿Qué interpretación daría a estos resultados?. ¿Cómo podría replicar un fago como este su ADN?
fundamento de esta estimación, y qué indicaría una temperatura alta de desnaturalización?
12) Comenta:
a) ¿Qué resultado hubiesen obtenido Meselson y Stahl si la replicación del ADN hubiese sido conservativa? (conteste para la 1ª, 2ª y 3ª generación)
b) ¿Qué molécula radiactiva utilizarías para marcar el ADN sin marcar el ARN de un cultivo de células en división?
c) Sabiendo que el ADN de una determinada bacteria posee, sobre el total de bases nitrogenadas, un 18% de citosina, calcula el porcentaje de las restantes bases nitrogenadas presentes en el ADN de esa bacteria
13) Indica:
a) De los siguientes apareamientos de bases, cuáles no son posibles y porqué: A-C. G-A, C-G, A-T, G-T y C-T
b) Cómo distinguirías una molécula de ARN de otra de ADN monocatenario. c) Qué características posee el ADN para ser el material genético de la célula d) De qué tipo de ARN puede tratarse en los siguientes casos:
i) comienza con una secuencia llamada líder ii) contiene bases raras
iii) forma parte de un pequeño orgánulo iv) tiene forma de hoja de trébol
v) es el ARN más abundante de la célula vi) puede contener exones e intrones
14) Explica:
a) Las principales diferencias entre las formas B, A y Z del ADN b) ¿Qué son los exones e intrones?
c) ¿Qué se probó en los experimentos de: Griffith, de Hersehey y Chasse y de Meselson y Stahl?
d) ¿Por qué las proporciones de A y T son siempre iguales en las moléculas de ADN?
15) Una hebra de ADN posee la siguiente composición de bases nitrogenadas: A=21%, G=26% y T=23% . Esta hebra es replicada por la ADN polimerasa. La cadena resultante es utilizada como modelo por la ARN polimerasa. Razone qué composición de bases tendrá el ARN producido.
16) Busca las fórmulas de las bases nitrogenadas y construye el siguiente fragmento de ARN:
5’... CCGG..3’.
Construye también los siguientes nucleótidos: dGMP, CMPcíclico, dGTP
17) El siguiente fragmento de ARN contiene la información necesaria para fabricar una proteína completa, indica:
a) La secuencia de aminoácidos de la proteína
b) ¿Qué consecuencia tendría para la proteína la sustitución del nucleótido Nº 24 (G) por una A (empezamos a contar por el extremo 5’
d) Utilizando las letras A, C, G y U escriba la fórmula del trozo de ARN correspondiente a los 4 primeros nucleótidos.
5’...AUCUUAAAAAUGUUUCCAGCAUGGUACAAUGUUCUUCC AUAAAUG...3’
Preguntas de Selectividad
1) Tipos de ARN y funciones que realizan
2) Localización y función del ARNm en células eucariotas
3) Describa el modelo de Watson y Crick para el ADN, razonando qué características hacen que sea la principal molécula responsable de la información genética.
4) Escribe la fórmula general de un nucleótido e indica brevemente las diversas funciones que desempeñan en la célula
5) Relaciona las dos columnas:
Uracilo Nucleósido
Adenosina Azúcar presente en el ARN
Histonas Nucleótido
ATP Nucleósido
Ribosa Base pirimidínica
6) Sobre el ARN, responde: Tipos y funciones.
7) Diferencias entre ADN y ARN en cuanto a: Composición. Estructura. Función. Localización.
8) Supongamos la hebra de ADN: 3’……TTGTGTAAC…..5’
Durante la transcripción de la misma se produce con cierta frecuencia un error, de manera que frente al nucleótido C, se sitúa uno de A. Usando el código:
Escribir las secuencias peptídicas que se originarán en la posterior traducción: a) Cuando la transcripción se hubiese producido correctamente.
b) Cuando se hubiese cometido el error.
