Estructura de los ácidos nucleicos

¿De qué están formados los ácidos nucleicos?

Como vimos anteriormente, los ácidos nucleicos están formados por largas cadenas de monómeros llamados nucleótidos, es decir, son polímeros o polinucleótidos. Los nucleótidos son, por lo tanto, los monómeros de los ácidos nucleicos, y están formados por una mezcla de cuatro bases nitrogenadas diferentes: adenina (A), timina (T), citosina (C) y guanina (G) en el ADN; en el ARN la timina se cambia por uracilo (U).

Ahora veremos cómo la unión de estos nucleótidos forman cadenas de ARN y cadenas mucho más largas de ADN.

Estructura del ADN

Las características de la estructura del ADN están relacionadas a su función principal, que es contener la información genética que dirige la síntesis de proteínas.

• Para esto, los nucleótidos de ADN deben unirse, formando polinucleótidos que corresponden a la estructura primaria del ADN.
• Luego dos cadenas se unen para formar la doble hélice o estructura secundaria del ADN.

La molécula de ADN es muy extensa, por lo que debe tener una conformación especial para mantenerse de forma ordenada dentro de cada célula.

Organización del ADN

El ADN presente en las células es una molécula larguísima, cuya estructura primaria extendida mide alrededor de 1 milímetro de largo en organismos procariotas y hasta 1 metro de largo en organismos eucariotas. Para conseguir que el ADN quepa dentro del reducido volumen (alrededor de 10 micrómetros) del citoplasma de las células procariotas y el núcleo de las células eucariotas, la estructura secundaria del ADN se tiene que compactar aún más y de una forma en que no se enrede.

Fig. 1: Estructura primaria del ADN, mostrando los enlaces fosfodiéster entre nucleótidos adyacentes.

• En el caso de los organismos procariotas, que en su mayoría poseen ADN circular bicatenario, la estructura secundaria del ADN se pliega sobre sí misma, como un cable enredado, formando el cromosoma bacteriano.
• En los organismos eucariotas, la estructura secundaria del ADN se compacta formando cromatina, que es la conformación que adopta el ADN en el núcleo de las células. Alrededor de este, la hélice del ADN se enrolla formando una estructura similar a un collar de perlas. Cada una de estas perlas, con el ADN enrollado sobre ellas, se conoce como nucleosoma. Por último, este collar de perlas se pliega alrededor de otro tipo de histonas y forma fibras de cromatina. Durante la división celular el ADN se compacta todavía más y forma cromosomas.

Veamos cómo se forman y mantienen estas conformaciones y niveles estructurales.

Estructura primaria del ADN

La estructura primaria del ADN corresponde a la larga cadena de nucleótidos unidos a través de enlaces éster. Estos enlaces reciben el nombre de enlace fosfodiéster y se producen entre las ribosas de dos nucleótidos. Específicamente, el enlace se forma entre el grupo fosfato unido al carbono 5´ de la ribosa de un nucleótido y el grupo hidroxilo (OH) situado en el carbono 3' de la ribosa del otro nucleótido.

Fig. 2: Estructura primaria del ADN, mostrando los enlaces fosfodiéster entre nucleótidos adyacentes.

Ahora bien, la estructura de los nucleótidos le da una direccionalidad a la cadena de ADN, podemos ver que los dos extremos (que por ser extremos tienen una lado no unido a otro nucleótido) del esqueleto de azúcar-fosfato de la cadena no son iguales.

• En un extremo, tenemos un fosfato en carbono 5’ como último grupo, mientras que en el otro extremo, el último grupo es un azúcar ribosa con el carbono 3’ libre.
• Tomamos el grupo fosfato como el inicio de la cadena y lo marcamos con 5' (leído como 5 prima), y el azúcar ribosa al otro extremo, donde termina la cadena, lo marcamos con 3'.

Estructura secundaria del ADN

La estructura secundaria del ADN corresponde a la conformación espacial de doble hélice que adoptan las dos cadenas de nucleótidos (hebras de la hélice) que forman la molécula del ADN. Las dos cadenas de nucleótidos se unen entre sí por enlaces de hidrógeno entre las bases nitrogenadas de las cadenas opuestas. Este fenómeno se denomina apareamiento de bases complementarias y es esencial para la replicación del ADN y la síntesis de proteínas.

Fig. 3: Estructura secundaria del ADN, mostrando los puentes de hidrógeno entre pares de bases complementarias, que resulta en la doble hélice del ADN.

La doble hélice es antiparalela, porque las hebras de ADN van en direcciones opuestas entre sí: recuerda que una va en dirección 5´ a 3´, por lo tanto la otra va en dirección 3´a 5´ (Fig. 2).

Apareamiento de bases complementarias

El apareamiento de bases complementarias requiere la unión de una base de pirimidina (T, C) en una cadena, con una base de purina (A, G) en la cadena complementaria, mediante enlaces de hidrógeno. El apareamiento se produce entre las bases complementarias de la siguiente forma:

• La adenina se empareja con la timina a través de 2 enlaces de hidrógeno: A ⇉T
• La citosina se empareja con la guanina a través de 3 enlaces de hidrógeno: C ⇶ G

Las cadenas de nucleótidos que presentan secuencias de bases complementarias son conocidas como cadenas o secuencias complementarias.

Como la citosina y la guanina forman 3 enlaces de hidrógeno, este par es más fuerte que el de la adenina y la timina, que sólo forman 2 enlaces de hidrógeno. Esto contribuye a la estabilidad de la estructura secundaria del ADN: las moléculas de ADN con una alta proporción de enlaces citosina-guanina son más estables que las moléculas de ADN con una menor proporción de estos enlaces.

El emparejamiento de bases complementarias en la estructura del ADN es importante porque permite que este se replique, dando paso a la división celular. Durante la preparación para la división celular, la hélice de ADN se separa en sus dos hebras. Estas hebras simples actúan como moldes o plantillas (cadenas de referencia) para la replicación de dos nuevas moléculas de ADN de doble cadena.

Estructura del ARN

La estructura del ARN es un poco diferente a la del ADN: aunque el ARN está formado por la unión de los ribonucleótidos, a través de enlaces fosfodiéster (como en el ADN), es una molécula monocatenaria (formada por una única cadena) y las cadenas son mucho más cortas. Debido a esto, en la mayoría de los casos, el ARN posee solo estructura primaria; aunque, en ciertas ocasiones, el ARN puede adoptar estructuras más complejas en las que existe apareamiento de bases complementarias.

Fig. 4: Estructura del ARNm

Esta conformación estructural ayuda al ARN a llevar a cabo una de sus principales funciones: la de transferir la información genética desde el núcleo a los ribosomas. Sin embargo, la estructura del ARN es menos estable que la del ADN.

Como vimos en el artículo de Ácidos nucleicos, existen muchos tipos de ARN que cumplen cada uno una función específica. Vamos a examinar la estructura de dos tipos específicos de ARN en detalle, cada uno de los cuales tiene funciones especializadas en la síntesis de proteínas:

Estructura del ARN mensajero

El ARN mensajero (ARNm) es una molécula monocatenaria que transporta el producto de la transcripción, o transcrito, del ADN a los ribosomas. El ARNm es un polinucleótido helicoidal corto y lo suficientemente pequeño como para difundirse a través del poro nuclear. Debido a que el ARNm es la decodificación del ADN, los nucleótidos contienen la misma secuencia de bases que la cadena molde del ADN (la única diferencia es que la timina en el ADN es uracilo en el ARN, Fig. 3).

Estructura del ARN de transferencia

El ARN de transferencia (ARNt) transporta los aminoácidos desde el citoplasma de la célula hasta los ribosomas para la síntesis de proteínas. Al igual que el ARNm, el ARNt está formado por una cadena de polinucleótidos, plegada en una increíble estructura en forma de hoja de trébol (Fig. 4). Su tamaño varía entre 60 y 95 nucleótidos. Existen dos regiones funcionalmente esenciales del ARNt:

• Un bucle anticodón: que está compuesto por tres nucleótidos de ARN complementarios a los codones que se encuentran en el ARNm. Por ejemplo, el codón de inicio del ARNm, AUG, se unirá al ARNt con un bucle anticodón de UAC.
• Un sitio de unión de aminoácidos: es, como su nombre indica, donde se une temporalmente el aminoácido que debe transferirse al ribosoma.

Fig. 5: Estructura del ARNt.

Similitudes y diferencias entre la estructura del ARN y del ADN

Estructuralmente, sólo hay una similitud principal entre estos ácidos nucleicos, y es que ambos están formados por al menos una cadena de polinucleótidos. Además, tanto el ADN como el ARN tienen las bases de adenina, citosina y guanina.

Ahora, hay diferencias entre el ADN y el ARN, que se enumeran a continuación:

• El ARN está compuesto por una hebra de polinucleótidos, mientras que el ADN está formado por dos hebras de polinucleótidos.
• El ARN es relativamente más corto que el ADN, ya que se corresponde con un solo gen; el ADN es mucho más largo, ya que contiene todo el genoma.
• El ARN contiene el azúcar pentosa ribosa, mientras que el ADN contiene el azúcar pentosa desoxirribosa.
• El ARN contiene la base uracilo; en cambio, el ADN contiene la base timina.