Información genética: estructura del ADN y ARN

Información genética.

La información genética es la información que pasa de padres a hijos. Se encuentra codificada. Es material genético, debe tener que poder:

•             Codificarse.
•             Replicarse.
•             Mutarse.

Se sabe que el material genético se encuentra en los ácidos nucleicos, normalmente en el DNA, aunque ocasionalmente puede estar en forma de RNA.

Pasemos ahora a estudiar la estructura de los ácidos nucléicos.

Estructura.

Los ácidos nucleicos están formados por nucleótidos:

            Ácido fosfórico: H3PO4.

            Azúcares: pentosas en forma furanósica:

•             Ribosa.
•             Desoxirribosa.

            Bases orgánicas nitrogenadas:

                    Púricas:

•             Citosina (C).
•             Timina (T).
•             Uracilo (U).

                  Pirimidínicas:

•             Adenina (A).
•             Guanina (G).

Una base más una pentosa unidos por un enlace n-glucosídico formarán un nucleósido.

Enlace N-glicosídico.

 Se forma entre el C1 de la pentosa y el N1 e las bases púricas o el N9 de las pirimidínicas.

Cuando al nucleósido se le une el ácido fosfórico, se formará el nucleótido. Dependiendo de la cantidad de grupos fosfato que se unan se formarán NMP (nucleótido monofosfato) cuando se une un ácido fosfórico, NDP (nucleótido difostato) cuando se unen dos ácidos fosfóricos y NTP (nucleótido trifostato) cuando se unen tres ácidos fosfóricos. Si la base es la adenina y el azúcar la ribosa, obtendremos el AMP, ADP y ATP respectivamente. Si el azúcar es la desoxirribosas, dAMP, dADP y dATP respectivamente.

Pentosas fosfato.

El ADN y el ARN se forman por enlace fosfodiéster. Se trata de una unión 3’ y 5’ de los azúcares.

Los ARN y ADN se diferencian unos de otros en peso molecular, composición o relación de bases y secuencia de las mismas.

En ocasiones aparecen bases derivadas de las cinco conocidas (pueden dar lugar a mutaciones).

Los ácidos nucléicos suelen escribirse como secuencias de las bases nitrogenadas:

A – T – C – T – G – A – T – C …

Estructura del ADN.

El estudio de la estructura del ADN fue llevado a cabo por Watson y Crack basándose en los estudios de Chargaff, Franklin y Wilkins. Chargaff analizó las bases de ADN. Observó que variaban de una especie a otra. Las células de un mismo organismo tenían el mismo ADN. No variaba con la edad, ni en distintas condiciones. Para todas las especias había un carácter común, la relación entre adeninas y timinas era igual a la relación entre citosinas y guaninas y en ambos casos era igual al 1: A/T = C/G = 1. Es decir, en un ADN hay tanta adenina como timina y tanta citosina como guanina, en resumen, tantas bases púricas como pirimidínicas.

Enlace fosfórico y posiciones 3' y 5'

 Franklin y Willkins midieron el DNA tipo b mediante difracción de rayos X. Tenían una estructura fibrosa, unos periodos que se repetían cada 3,5armstrongs. Cada diez periodos formaban un nuevo periodo de 34armstrongs. El diámetro era algo mayor de 20armstrongs.

El modelo final de DNA está formado por dos cadenas antiparalelas, dextrohelicoidales, arrolladas sobre el mismo eje y con aproximadamente diez pares de base por vuelta:

Cadenas antiparalelas de ADN.

 Siempre se enlazan Adenina con Timina y Citosina con Guanina, es decir, una púrica con una pirimidínica. Dos bases púricas son demasiado pequeñas, quedan demasiado lejos como para enlazarse. Dos bases pirimidínicas son demasiado grandes, no pueden emparejarse.

Emparejamiento de bases.

 Las dos hebras son diferentes. No son iguales, son complementarias. Solo son iguales en número de nucleótidos.

ADN y bases

A cada vuelta de ADN corresponden 10,4 pares de bases, que corresponden a 34armstrongs.

Distancia por vuelta de ADN.

 Los pares de bases son planos unos a otros y perpendiculares al eje de la molécula. Los azúcares delimitan, más o menos, un plano que es casi perpendicular al plano de la base al cual están unidos.

La ciclación produce una estría principal, más ancha, una estría secundaria, más estrecha. Se debe a que el enlace N-glucosídico de las bases con el azúcar no es totalmente perpendicular, sino que está ligeramente inclinado.

Estrías principal y secundaria del ADN.

Por la estría principal el ADN es más accesible. A las proteínas, por ejemplo. Además, los surcos no son iguales químicamente. Por los surcos, quedan en contarlo con el medio algunas partes de la molécula. 

Veamos las diferencias entre qué queda al descubierto en la estría principal y en la secundaria.

Diferencias entre estría principal y estría secundaria.

La molécula se estabiliza por las interacciones hidrófobas del medio. Las bases, que son hidrófobas, se sitúan en el interior. Las bases, además, se encuentran muy juntas, hay interacciones de Van der Waals. Los grupos fosfato tienen tendencia a unirse con cationes (Mg2+, por ejemplo).

La estructura de todos los ADN es esencialmente la misma, al margen de su secuencia de bases. Pero puede haber variaciones. Secuencias de bases distintas originan ligeros cambios en la estructura del ADN.

El polinucleótido puede girar por seis sitios diferentes. Y existen factores que pueden variar la estructura, por ejemplo el ángulo de rotación. Si suponemos que un paso de vuelta son 360º, entre 10 bases debería haber un giro de 36º. Pero ese dato no es real, ese ángulo puede variar entre 28º y 42º. Hay, por lo tanto, hélices más o menos apretadas.

Un segundo elemento de variación es la torsión o giro del propulsor. A veces, las dos bases que forman un par de bases no son coplanarias, sus planos forman un cierto ángulo:

Ángulo en el apareamiento de bases.

Un tercer elemento sería el balanceo de las pares de bases, es decir, la interacción de un par de bases con el contiguo.

Todas estas variaciones son casos concretos, debidos a secuencias concretas. Esto va a dar al ADN una cierta flexibilidad, pudiendo este desdoblarse o replegarse. Todo el ADN tiene que estar en el núcleo de una célula, tiene que replegarse en un pequeño volumen.

Estas pequeñas diferencias locales, además, van a permitir que una proteína encuentre una secuencia específica de bases de ADN, pudiendo reconocer las variaciones de la estructura. Las proteínas también pueden detectar los puentes de hidrógeno en la estría principal o secundaria, en los surcos.

El ADN puede desenrollarse. Lo hace de manera natural en procesos como la replicación. También se puede desnaturalizar, provocar la ruptura de los puentes de hidrógeno y demás enlaces débiles, de forma que la hebra se estropea. Esto se puede conseguir con temperatura, cambios en el pH, etc.

El que un DNA se desnaturalice mejor o peor está influido por su composición de bases. Si es rico en pares de base GC es más estable, ya que estas bases están unidas por tres puentes de hidrógeno, mientras que los pares AT están unidos por solo dos. El ADN comenzará a abrirse por zonas con más cantidad de pares AT.

El proceso también es reversible (como sucede con las proteínas). Será un proceso más sencillo si hay lugares en los que las dos hebras estén unidas. Si están totalmente separadas, resulta mucho más difícil.

En todas las células y en muchos virus el ADN se estructura así. Sin embargo, en algunos virus encontraremos que el número de A y T no es el mismo y el número de C y G tampoco. Se trata, por lo tanto, de ADN monohebra en lugar de doble hebra.

Los extremos 3’ y 5’, en ocasiones, se unen. Se trataría de ADN circular. Encontraremos muchos ADN circulares. Salvo en los virus que antes comentamos, estos ADN también será dúplex (doble hebra).

El ADN circular aparece en todas las células procariotas, virus, mitocondrias y cloroplastos. Cuando se extraen en su forma natural, suele aparecer superenrollado, con enrollamiento a la derecha, también denominado superhélice negativa. La superhélice positiva se puede formar in Vitro.

En cuanto a la formación de la superhélice, cuando se forma el círculo de ADN no sen formado todas las vueltas, faltan algunas vueltas para conseguir un estado estable. Las moléculas, espontáneamente, tienden a cerrarse, tienden a formar las vueltas que le faltan. Y al hacerlo, provocan el superenrollamiento general de toda la hélice. Lo hace según la siguiente fórmula: L = T + W. Donde L es en número de veces que una hebra giró sobre la otra antes de cerrarse, T el número de vueltas de la hélice según el modelo de Watson y Crick y W el número de superenrollamientos o número de ochos (será un número negativo).

El superenrollamiento a la izquierda o positivo se forma cuando una doble hélice está sobreenrollada, con un promedio de más de diez bases por vuelta. Forman tantas superhélices como bases le sobren. La fórmula sería la misma, pero en este caso W tendría un valor positivo.

Estructura del ARN.

En general están formados por una sola hebra. No obstante, puede formar, parcialmente, zonas de unión por complementariedad de bases. La complementariedad es, en este caso, AU y CG. Se trata de una unión de la hebra consigo misma.

Estructura del ARN con bases apareadas.

En algunos virus el ARN es de doble hebra, formando una doble hélice parecida a la del ADN. Se asemeja al ADN-A debido al hidroxilo en la posición 2’ de la ribosa. Este hidroxilo en la posición 2’ además hace que el ARN sea más reactivo. También puede tener relación con que el ARN tenga una mayor flexibilidad en la hebra.