ÀCIDS NUCLEICS: CARACTERÍSTIQUES, FUNCIONS, ESTRUCTURA - BIOLOGIA - 2025

Els àcids nucleics són grans biomolècules formades per unitats o monòmers anomenades nucleòtids. Estan encarregades de l'emmagatzematge i transmissió de la informació genètica. També participen en cada un dels passos de la síntesi de proteïnes.

Estructuralment, cada nucleòtid es troba format per un grup fosfat, un sucre de cinc carbonis i una base nitrogenada heterocíclica (A, T, C, G i U). A pH fisiològic, els àcids nucleics es troben carregats negativament, són solubles en aigua, formen solucions viscoses i són bastant estables.

Font: pixabay.com

Hi ha dos tipus principals d'àcids nucleics: l'ADN i l'ARN. La composició d'ambdós àcids nucleics és similar: en tots dos trobem una sèrie de nucleòtids units per enllaços fosfodièster. No obstant això, en l'ADN trobem timina (T) i en l'ARN uracil (U).

L'ADN és més llarg i es troba en una conformació de doble hèlix i l'ARN està format per una sola bri. Aquestes molècules es troben presents en tots els organismes vius, des dels virus fins als grans mamífers.

perspectiva històrica

Descobriment dels àcids nucleics

El descobriment dels àcids nucleics es remunta a l'any 1869 quan Friedrich Miescher va identificar la cromatina. En els seus experiments, Miescher va realitzar l'extracció d'un material de consistència gelatinosa provinent de l'nucli i va descobrir que aquesta substància era rica en fòsfor.

Inicialment, el material de naturalesa misteriosa va ser designat com "nucleína". Experiments posteriors sobre la nucleína van concloure que aquesta no és només ric en fòsfor, sinó també en carbohidrats i en bases orgàniques.

Phoebus Levene va trobar que la nucleïna era un polímer lineal. Encara que es coneixien les propietats químiques bàsiques dels àcids nucleics, no es considerava que hi hagués una relació entre aquest polímer i el material hereditari dels éssers vius.

Descobriment de la funció de l'ADN

A mitjans dels anys 40, resultava poc convincent per als biòlegs de el moment que la molècula encarregada de transmetre i emmagatzemar la informació d'un organisme residís en una molècula amb una conformació tan simple com l'ADN - composta de quatre monòmers (nucleòtids) molt similars entre si.

Les proteïnes, polímers compostos per 20 tipus d'aminoàcids, semblaven per a l'època candidats més plausibles per a ser la molècula de l'herència.

Aquesta visió va canviar l'any 1928, quan l'investigador Fred Griffith va sospitar que la nucleïna estava implicada en l'herència. Finalment, el 1944 Oswald Avery va aconseguir concloure amb evidència robusta que l'ADN contenia la informació genètica.

Així, l'ADN va passar de ser una molècula avorrida i monòtona, constituïda per només quatre blocs estructurals, a una molècula que permet l'emmagatzematge d'un nombre immens d'informació, i que pot conservar-la i transmetre-la de manera precisa, exacta i eficaç.

Descobriment de l'estructura de l'ADN

L'any 1953 va ser revolucionari per a les ciències biològiques, ja que els investigadors James Watson i Francis Crick van dilucidar l'estructura correcta de l'ADN.

Basats en les anàlisis dels patrons de reflexió de raigs X, els resultats de Watson i Crick van suggerir que la molècula és una doble hèlix, on els grups fosfats formen un esquelet extern i les bases es projecten a l'interior.

Generalment s'usa l'analogia d'una escala, on els passamans corresponen als grups fosfats i els esglaons a les bases.

Descobriment de la seqüenciació de l'ADN

En les últimes dues dècades han passat avenços extraordinaris en la biologia, liderats per la seqüenciació de l'ADN. Gràcies als avenços tecnològics, avui dia comptem en la tecnologia necessària per conèixer amb una precisió força elevada la seqüència de l'ADN - per "seqüència" volem dir l'ordre de les bases.

Inicialment, dilucidar la seqüència era un esdeveniment costós i requeria de molt temps per completar-se. Actualment no és problema conèixer la seqüència de genomes sencers.

Característiques

Càrrega i solubilitat

Com el seu nom indica, la naturalesa dels àcids nucleics és àcida i són molècules amb alta solubilitat en aigua; és a dir, són hidrofílics. A l'pH fisiològic, la molècula està carregada negativament, per la presència dels grups fosfats.

Com a conseqüència d'això, les proteïnes amb les que l'ADN es troba associat són rics en residus d'aminoàcids amb càrregues positives. L'associació correcta de l'ADN és crucial per al seu empaquetament en les cèl·lules.

viscositat

La viscositat de l'àcid nucleic depèn si aquest és de doble o simple banda. L'ADN de doble banda forma solucions de viscositat elevada, ja que la seva estructura és rígida, oposant resistència davant la deformació. A més, són molècules extremadament llargues en relació al seu diàmetre.

En contrast també existeixen les solucions d'àcids nucleics en simple banda, que es caracteritzen per una viscositat reduïda.

estabilitat

Una altra característica dels àcids nucleics és la seva estabilitat. Naturalment, una molècula amb una tasca tan indispensable com l'emmagatzematge de l'herència ha de ser molt estable.

Comparativament, l'ADN és més estable que l'ARN, ja que manca d'un grup hidroxil.

És possible que aquesta funció química tingués un paper important en l'evolució dels àcids nucleics i en l'elecció de l'ADN com a material hereditari.

Segons les transicions hipotètiques plantejades per alguns autors, l'ARN va ser reemplaçat per l'ADN en l'esdevenir evolutiu. No obstant això, avui dia hi ha alguns virus que fan servir ARN com a material genètic.

Absorció de llum ultraviolada

L'absorció dels àcids nucleics també depèn si es troba en doble banda o en simple banda. El pic d'absorció dels anells en la seva estructura és de 260 nanòmetres (nm).

A mesura que el bri d'ADN doble banda comença a separar-se, l'absorció de la longitud d'ona esmentada s'incrementa, ja que queden exposats els anells que componen els nucleòtids.

Aquest paràmetre és important per als biòlegs moleculars al laboratori, ja que a l'mesurar l'absorció poden estimar la quantitat d'ADN que hi ha en les seves mostres. De manera general, el coneixement de les propietats de l'ADN contribueix a la seva purificació i tractament en els laboratoris.

Classificació (tipus)

Els dos àcids nucleics principals són l'ADN i l'ARN. Tots dos són components de tots els éssers vius. ADN són les sigles per àcid desoxiribonucleic i ARN per àcid ribonucleic. Les dues molècules tenen un paper fonamental en l'herència i en la síntesi de proteïnes.

L'ADN és la molècula que emmagatzema tota la informació necessària per al desenvolupament d'un organisme, i es troba agrupada en unitats funcionals anomenades gens. L'ARN s'encarrega de prendre aquesta informació i, en conjunt amb complexos proteics, tradueix la informació d'una cadena de nucleòtids a una cadena d'aminoàcids.

Les cadenes d'ARN poden tenir llargs d'uns centenars o uns pocs milers de nucleòtids, mentre que les cadenes d'ADN superen els milions de nucleòtids i poden ser visualitzades sota la llum d'un microscopi òptic si es tenyeixen amb colorants.

Les diferències estructurals bàsiques entre les dues molècules les detallarem en el següent apartat.

l'ARN

En les cèl·lules, hi ha diferents tipus d'ARN que en conjunt treballen per orquestrar la síntesi de proteïnes. Els tres tipus d'ARN principals són el missatger, el ribosomal i el de transferència.

ARN missatger

L'ARN missatger s'encarrega de copiar el missatge que hi ha en l'ADN i transportar-lo fins la síntesi de proteïna que té lloc en estructures anomenades ribosomes.

ARN ribosòmic o ribosomal

L'ARN ribosòmic es troba formant part d'aquesta maquinària essencial: el ribosoma. De l'ribosoma, un 60% està format per ARN ribosoma i la resta l'ocupen gairebé 80 proteïnes diferents.

ARN de transferència

L'ARN de transferència és una espècie d'adaptador molecular que transporta els aminoàcids (els blocs estructurals de les proteïnes) a l'ribosoma, perquè sigui incorporat.

ARN petits

A més d'aquests tres tipus bàsics, hi ha una sèrie d'ARN addicionals que s'han descobert recentment i que tenen un paper essencial en la síntesi proteica i en l'expressió dels gens.

Els ARN petits nuclears, abreujats com snRNA participen com a ens catalítics en el splicing (procés que consisteix en l'eliminació dels introns) de l'ARN missatger.

Els ARN nucleolares petits o snoRNA estan implicats en el processament dels transcrits pre-ARN ribosomal que formaran part de la subunitat de l'ribosoma. Això passa en el nuclèol.

Els ARN curts d'interferència i els microARN són seqüències petites d'ARN el paper principal és la modulació de l'expressió gènica. Els microARN es codifiquen a partir d'ADN, però no continua la seva traducció a proteïnes. Són monocatenarios i poden complementar-se a un ARN missatge, inhibint la seva traducció a proteïnes.

Estructura i composició química

Els àcids nucleics són llargues cadenes de polímers formades d'unitats monomèriques anomenades nucleòtids. Cada un està compost per:

Un grup fosfat

Hi ha quatre tipus de nucleòtids i aquests tenen una estructura en comú: un grup fosfat enllaçat a una pentosa per mitjà d'un enllaç fosfodiéster. La presència de fosfats li atorga a la molècula un caràcter àcid. El grup fosfat es troba dissociat a el pH de la cèl·lula, de manera que es troba carregat negativament.

Aquesta càrrega negativa permet l'associació dels àcids nucleics amb molècules la càrrega sigui positiva.

A l'interior de les cèl·lules i també en els fluids extracel·lulars podem trobar petites quantitats de nucleòsids. Aquests són molècules formades per tots els components d'un nucleòtid, però que no tenen grups fosfat.

Segons està nomenclatura, un nucleòtid és un nucleòsid que posseeix un, dos o tres grups fosfats esterificats al hidroxil ubicat al carboni 5 '. Els nucleòsids amb tres fosfats estan implicats en la síntesi dels àcids nucleics, encara que també compleixen altres funcions en la cèl·lula.

una pentosa

Una pentosa és un carbohidrat monomérico format cinc àtoms de carbonis. En l'ADN la pentosa és una desoxiribosa, la qual es caracteritza per la pèrdua d'un grup hidroxil en el carboni 2 '. En l'ARN la pentosa és una ribosa.

Una base nitrogenada

La pentosa es troba al seu torn enllaçada a una base orgànica. La identitat de l'nucleòtid està proporcionada per la identitat de la base. Existeixen cinc tipus, abreujades per la seva inicial: adenina (A), guanina (G), citosina (C), timina (T) i uracil (U).

És comú que en la literatura trobem que facin servir aquestes cinc lletres per referir-se a tot el nucleòtid. No obstant això, estrictament parlant, aquestes només són part de l'nucleòtid.

Les tres primeres, A, G i C, són comuns tant a l'ADN com a l'ARN. Mentre que la T és única de l'ADN i l'uracil es restringeix a la molècula d'l'ARN.

Estructuralment, les bases són compostos químics heterocíclics, els anells estan compostos de molècules de carboni i nitrogen. A i G estan formades per un parell d'anells fusionats i formen part de el grup de les purines. Les bases restants pertanyen a les pirimidines i la seva estructura està formada per un únic anell.

És comú que en els dos tipus d'àcids nucleics trobem una sèrie de bases modificades, com ara un grup metil addicional.

Quan passa aquest esdeveniment diem que la base està metilada. En els procariotes, solen trobar-se les adenines metilades i tant en els procariotes com en els eucariotes les citosines poden comptar amb un grup metil addicional.

Com ocorre la polimerització?

Com esmentem, els àcids nucleics són llargues cadenes formades per monòmers - els nucleòtids. Per formar les cadenes, aquests s'enllacen d'una manera particular.

Quan els nucleòtids polimeritzen, el grup hidroxil (-OH) que es troba en el carboni 3 'd'el sucre d'un dels nucleòtids forma un enllaç de l'tipus èster amb el grup fosfat provinent d'una altra molècula de nucleòtid. Durant la formació d'aquest enllaç, ocorre l'eliminació d'una molècula d'aigua.

Aquest tipus de reacció es denomina "reacció de condensació", i és molt similar a la que ocorre quan es formen els enllaços peptídics de les proteïnes entre dos residus d'aminoàcids. Els enllaços entre cada parell de nucleòtids s'anomenen enllaços fosfodiéster.

Com passa en els polipèptids, les cadenes d'àcids nucleics tenen dues orientacions químiques en els seus extrems: un és l'extrem 5 que contenen un grup hidroxil lliure o un grup fosfat en el carboni 5 'de l'sucre terminal, mentre que a l'extrem 3 'trobem un grup hidroxil lliure de l'carboni 3'.

Imaginem que cada bloc de l'ADN és un bloc de el joc Lego, amb un extrem que s'insereix i amb un forat lliure on pot ocórrer la inserció d'un altre bloc. L'extrem 5'amb el fosfat serà l'extrem a inserir i el 3'és anàleg a l'forat lliure.

altres nucleòtids

En la cèl·lula, trobem un altre tipus de nucleòtids amb una estructura diferent a l'esmentada anteriorment. Malgrat que aquests no formaran part dels àcids nucleics, juguen papers biològics molt importants.

Entre els més rellevants tenim a l'mononuclétido de riboflavina, conegut com FMN, el coenzim A, el dinucleòtid d'adenina i nicotinamina, entre d'altres.

Estructura de l'ARN

L'estructura lineal de l'polímer d'àcid nucleic correspon a l'estructura primària d'aquestes molècules. Els polinucleòtids també tenen la capacitat de formar arranjaments en tres dimensions estabilitzats per forces no covalents - similar a el plegament que trobem en les proteïnes.

Malgrat que la composició primària de l'ADN i de l'ARN és força similar (amb excepció de les diferències esmentades més amunt), la conformació de la seva estructura és marcadament diferent. Als ARN els trobem comunament com una cadena única de nucleòtids, encara que pot prendre diferents arranjaments.

Els ARN de transferència, per exemple, són molècules petites formades per menys de 100 nucleòtids. La seva estructura secundària típica és en forma d'un trèvol amb tres braços. És a dir, la molècula d'ARN troba bases complementàries en el seu interior i pot plegar-se sobre si mateixa.

Els ARN ribosomals són molècules més grans que prenen conformacions tridimensionals complexes i presenten estructura secundària i terciària.

Estructura de l'ADN

doble hèlix

A diferència de l'ARN lineal, l'arranjament de l'ADN consisteix en dos brins entrellaçades. Aquesta diferència estructural és crucial per dur a terme les seves funcions específiques. L'ARN no és capaç de formar aquest tipus d'hèlixs per un impediment estèric imposat pel grup OH addicional que presenta el seu sucre.

Complementarietat de bases

Entre les bases existeix complementarietat. És a dir, com a conseqüència de la seva grandària, forma i composició química, les purines s'han apariar amb una pirimidina mitjançant enllaços d'hidrogen. Per això, en l'ADN natural trobem que A gairebé sempre està aparellada amb T i G amb C, formant ponts d'hidrogen amb les seves companyes.

Els parells de base entre G i C estan enllaçats per tres ponts d'hidrogen, mentre que el parell A i T és més feble, i només dos enllaços d'hidrogen els mantenen units.

Els fils d'ADN poden separar-se (això passa tant en la cèl·lula com en els procediments de laboratori) i la calor necessària depèn de la quantitat de GC que tingui la molècula: com més gran sigui, més energia es necessitarà per separar-ho.

Orientació de les fibres

Una altra característica de l'ADN és la seva orientació oposada: mentre que un fil corre en direcció 5 '- 3', la seva companya està en direcció 3'- 5 '.

Conformacions naturals i al laboratori

L'estructura o conformació que trobem normalment a la natura s'anomena ADN B. Aquest es caracteritza per posseir 10,4 nucleòtids per cada volta, separats per una distància de 3,4. L'ADN B gira cap a la dreta.

Aquest patró d'enrotllament porta com a conseqüència l'aparició de dos solcs, un major i un altre menor.

En els àcids nucleics formats al laboratori (sintètics) es poden trobar altres conformacions, que també apareixen en condicions molt puntuals. Aquests són l'ADN A i l'ADN Z.

La variant A també realitza el gir cap a la dreta, encara que és més curt i una mica més ample que el natural. La molècula adquireix aquesta forma quan la humitat disminueix. Gira cada 11 parells de bases.

L'última variant és la Z, caracteritzada per ser estreta i per girar a l'esquerra. Està formada per un grup de hexanucleótidos que s'agrupen en un dúplex de cadenes antiparal·leles.

funcions

ADN: molècula de l'herència

L'ADN és una molècula que pot emmagatzemar informació. La vida, tal com la coneixem al nostre planeta, depèn de l'habilitat per guardar i traduir aquesta informació.

Per a la cèl·lula, l'ADN és una espècie de llibreria on es troben totes les instruccions necessàries per a la fabricació, desenvolupament i manteniment d'un organisme viu.

En la molècula d'ADN trobem una organització d'ens funcionals discrets denominats gens. Alguns d'ells seran portats fins proteïnes, mentre que altres compliran funcions reguladores.

L'estructura de l'ADN que descrivim en l'apartat anterior és clau per realitzar les seves funcions. L'hèlix ha de poder separar-se i unir-se fàcilment - propietat clau per als esdeveniments de replicació i transcripció.

L'ADN es troba en els procariotes en un lloc puntual del seu citoplasma, mentre que en els eucariotes es localitza dins de l'nucli.

RNA: una molècula multifuncional

Paper en la síntesi de proteïnes

L'ARN és un àcid nucleic que trobem en diferents etapes de la síntesi de proteïnes i en la regulació de l'expressió gènica.

La síntesi proteica comença amb la transcripció de l'missatge encriptat en l'ADN a una molècula d'ARN missatger. Seguidament, el missatger ha d'eliminar les porcions que no seran traduïdes, conegudes amb el nom d'introns.

Per a la traducció de l'missatge de l'ARN a residus d'aminoàcids són necessaris dos components addicionals: l'ARN ribosomal que forma part dels ribosomes, i l'ARN de transferència, que portarà els aminoàcids i s'encarregarà d'inserir l'aminoàcid correcte en la cadena de pèptids en formació.

En altres paraules, cada tipus principal d'ARN té un paper fonamental en aquest procés. Aquest pas d'ADN a ARN missatger i aquest finalment a proteïnes és el que els biòlegs anomenen "el dogma central de la biologia".

No obstant això, com la ciència no pot estar basada en dogmes, hi ha diferents casos on aquesta premissa no es compleix, com ara els retrovirus.

Paper en la regulació

Els ARN petits esmentats anteriorment participen de manera indirecta en la síntesi, orquestrant la síntesi de l'ARN missatger i participant en la regulació de l'expressió.

Per exemple, en la cèl·lula hi ha diferents ARN missatgers que estan regulats per petits ARN, que tenen una seqüència complementària a aquesta. Si el petit ARN s'acobla a l'missatge pot escindir a l'missatger, impedint així la seva traducció. Hi ha múltiples processos que estan regulats d'aquesta forma.

referències

1. Alberts, B., Bray, D., Hopkin, K., Johnson, AD, Lewis, J., Raff, M.,… & Walter, P. (2015). Essential cell biology. Garland Science.
2. Berg, JM, Tymoczko, JL, Stryer, L. (2002). Bioquímica. 5th edition. WH Freeman.
3. Cooper, GM, & Hausman, RE (2000). The cell: Molecular approach. Sinauer Associates.
4. Curtis, H., & Barnes, NS (1994). Invitation to biology. Macmillan.
5. Fierro, A. (2001). Breu història de la descoberta de l'estructura de l'ADN. Rev Méd Clínica Les Comtes, 20, 71-75.
6. Forterre, P., Filée, J. & Myllykallio, H. (2000-2013) Origin and Evolution of DNA and DNA Replication Machineries. En: Madame Curie Bioscience Database. Austin (TX): Landes Bioscience.
7. Karp, G. (2009). Cell and molecular biology: concepts and experiments. John Wiley & Sons.
8. Lazcano, A., Guerrero, R., Margulis, L., & Or, J. (1988). The evolutionary transició del la RNA to DNA in early cells. Journal of molecular evolution, 27 (4), 283-290.
9. Lodish et, H., Berk, A., Darnell, JE, Kaiser, CA, Krieger, M., Scott, MP,… & Matsudaira, P. (2008). Molecular cell biology. Macmillan.
10. Voet, D., & Voet, JG (2006). Bioquímica. Ed. Mèdica Panamericana.
11. Voet, D., Voet, JG, & Pratt, CW (1999). Fonamental of biochemistry. New York: John Willey and Sons.