FUNDAMENTOS DE FISIOLOGÍA CELULAR
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EVOLUCIÓN Y GENÉTICA
INTRODUCCIÓN Y ASPECTOS GENERALES
A modo de introducción general al planteamiento de la biología molecular y la ingeniería genética en esta unidad, se comenzará describiendo de modo sucinto los tres aspectos que mejor ponen de manifiesto el papel de los ácidos nucleicos en la célula y en especial del DNA como portador de la información genética: por un lado, la descripción global de las rutas de transmisión de la información genética; en segundo lugar, los antecedentes experimentales que demostraron el importante papel de los ácidos nucleicos; finalmente, las características generales del genoma de eucariotas, como punto de partida para el estudio posterior en profundidad de los conceptos teóricos, las tecnologías y las aplicaciones de esta materia en las ciencias de la salud.
Francis Crick introdujo el término ‘‘dogma central de la genética molecular’’ para describir, incluso antes de conocerse por completo su relevancia en los seres vivos, el flujo de la información genética y la utilización de dicha información en las células. En concreto, la transmisión de la información contenida en la secuencia del DNA ( ácido desoxirribonucleico, cuyas siglas en castellano son ADN; sin embargo, son muy utilizadas las siglas en inglés (DNA ) a las células y organismos descendientes mediante la replicación, y su expresión en biomoléculas funcionales mediante los procesos de transcripción y traducción. Esta descripción comprende, pues, el conjunto de relaciones generales existentes entre el DNA, el RNA y las proteínas.
El ácido desoxirribonucleico, abreviado como DNA (siglas en inglés) o ADN (siglas en español), es un ácido nucleico que contiene las instrucciones genéticas usadas en el desarrollo y funcionamiento de todos los organismos vivos y algunos virus; también es responsable de la transmisión hereditaria. La función principal de la molécula de ADN es el almacenamiento a largo plazo de información para construir otros componentes de las células, como las proteínas y las moléculas de ARN. Los segmentos de ADN que llevan esta información genética son llamados genes, pero las otras secuencias de ADN tienen propósitos estructurales o toman parte en la regulación del uso de esta información genética.
Debe evitarse la posible interpretación errónea de la representación abreviada de este ‘‘dogma’’, DNA - RNA - proteína, que no indica la transformación de una molécula en otra, tal como se utiliza normalmente en las rutas metabólicas, sino que cada elemento en este esquema aporta la información necesaria para la síntesis del siguiente. En este sentido, es importante el concepto de plantilla o molde molecular: aunque cada paso está catalizado por una enzima, los sustratos (nucleótidos, aminoácidos) no son seleccionados por dicha enzima, sino que vienen especificados por la intervención del molde, en concreto por su secuencia de nucleótidos.
El progreso en el conocimiento de los procesos de transmisión de la información genética obligó a la ampliación de este esquema básico original para acomodar otros procesos que también ocurren, al menos en algunos organismos particulares, como es el caso de algunos virus:
Debe resaltarse también el papel esencial de los productos finales (proteínas y algunos RNA) como componentes estructurales de todas las células y como responsables de la catálisis de las reacciones bioquímicas que conducen a la formación de las biomoléculas.
EL DNA COMO MATERIAL GENÉTICO
El conocimiento de la estructura de los ácidos nucleicos se inicia en el siglo XIX con el aislamiento a partir de núcleos celulares de un compuesto denominado inicialmente nucleína, formado por una parte ácida (hoy, DNA) y una parte básica (proteína), así como con el estudio parcial de las propiedades de la nucleína y de su relación con la herencia celular. Sin embargo, la estructura sólo se conoció a mediados del siglo XX, tras demostrarse que el DNA era el componente cromosómico depositario de la información genética. Cabe destacar en este sentido, como antecedentes clave, los experimentos de Frederick Griffith, Oswald T. Avery, Colin MacLeod y Maclyn McCarty, en 1928 y 1944, y de Alfred D. Hershey y Martha Chase, en 1952, que constituyen sendos hitos en la identificación del DNA como material genético.
Tras estas aportaciones iniciales identificando el DNA como portador de la información genética, el verdadero inicio de la biología molecular moderna lo constituyó la propuesta de estructura en doble hélice para el DNA, formulada en 1953 por James D. Watson y Francis Crick. A partir de este momento, casi todo el esfuerzo realizado se centra en el estudio del DNA genómico, desde el punto de vista estructural y funcional, en procariotas y eucariotas, con una atención especial a mamíferos en general y humanos en particular. Los avances logrados, tanto teóricos como técnicos y aplicados, han sido enormes. A ello ha contribuido la aparición de la ingeniería genética, como principal área derivada de la biología molecular. Una vez concluido en 2003 el Proyecto Genoma Humano (genómica estructural) se inició el análisis de las funciones de cada gen (genómica funcional) y la disección de la estructura y función de las proteínas (proteómica). Como expresión de estos nuevos conocimientos ha surgido una gran variedad de campos de actividad en las ciencias de la salud (medicina, farmacia y veterinaria), tales como anticuerpos monoclonales, métodos inmunoquímicos, biochips para el diagnóstico, clonación molecular y clonación animal, farmacogenes, ingeniería de proteínas, proteínas recombinantes de interés diagnóstico y terapéutico, sondas de hibridación, terapia celular y terapia génica, transferencia de genes, vectores, virus, etc. Nuestro objetivo no es describir los aspectos concretos de estos campos, sino sólo poner de manifiesto las bases moleculares que les sirven de soporte, como punto de partida para un estudio detenido de cada campo en su correspondiente área de conocimiento. Con este fin se presentan en este primer capítulo las características generales del genoma de eucariotas.
CARACTERÍSTICAS GENERALES DEL GENOMA
Genoma de procariotas y eucariotas
Conceptualmente, el genoma (de la raíz griega gen, origen) puede ser considerado como el ‘‘patrimonio genético’’ de un organismo, es decir, el conjunto total de material genético hereditario presente en una célula. Debe incluirse en este concepto tanto el material genético existente en el núcleo como el que contienen mitocondrias y cloroplastos. Por otra parte, es más adecuada esta definición que la que se emplea en ocasiones, ‘‘conjunto de genes de un organismo’’ pues, como se estudiará más adelante, existe gran cantidad de material genético que no se expresa. La mayoría de organismos poseen un genoma constituido por DNA, pero algunos virus tienen un genoma de RNA. La parte codificante del genoma especifica, en forma de genes, la información necesaria para dar lugar a productos génicos, moléculas funcionales que son las proteínas y los RNA. Estos productos son responsables de toda la actividad celular, de sus características morfológicas y de muchas de las claves del comportamiento de un organismo, desde la embriogénesis a su crecimiento, maduración física e intelectual, estado adulto, reproducción, y todas sus funciones metabólicas y actividades fisiológicas. Con respecto al estudio del genoma, comenzaremos por resaltar las características diferenciales de procariotas y eucariotas:
Recuérdese que los procariotas (o procariontes) son organismos unicelulares (bacterias y arqueas) de tamaño pequeño (entre 0,2 y 5 mm de diámetro), con membrana plasmática rodeada generalmente por una pared celular rígida y con diversas estructuras superficiales (pili, flagelos, etc.), pero carecen de membrana nuclear, de orgánulos y de cualquier otro tipo de compartimentación interna. El genoma de procariotas es, comparativamente, de pequeño tamaño y relativamente sencillo. Se reduce a un único cromosoma formado por una molécula circular de DNA, localizada en suspensión en el citosol pero anclada a la membrana constituyendo la zona nuclear o nucleoide, sin membrana que la delimite. Es frecuente encontrar, además, una pequeña cantidad de material genético extra, no esencial, en forma de pequeñas moléculas circulares de DNA, llamadas plásmidos. Los plásmidos poseen la propiedad de replicación autónoma, es decir, sin coordinación alguna con la división celular. Desempeñan un papel importante, al codificar proteínas que confieren resistencia a los antibióticos u otros materiales tóxicos, y ofrecen una importante aplicación como herramientas en la tecnología del DNA recombinante, concretamente como vectores para la incorporación de DNA a células.
Las células de eucariotas (o eucariontes), tanto multicelulares (animales y plantas) como unicelulares y multicelulares simples (protozoos, hongos y algas), son más variadas y complejas. Son de mayor tamaño (entre 10 y 50 mm), poseen membrana plasmática, pueden poseer pared celular(plantas), tienen citoesqueleto interno, y muestran una gran compartimentación citoplasmática, con diferentes tipos de orgánulos subcelulares (mitocondrias en animales y plantas, cloroplastos en plantas, lisosomas en animales, etc.) y otras estructuras (retículo endoplásmico, complejo de Golgi, etc.). El núcleo tiene como característica esencial la presencia de una membrana nuclear doble. En el genoma de eucariotas debe distinguirse entre el genoma nuclear y el de orgánulos. El genoma nuclear aparece bajo dos formas estructuralmente diferentes a lo largo del ciclo celular: la cromatina como material filamentoso disperso por la mayor parte del núcleo en la interfase (entre divisiones), y los cromosomas, fácilmente observables como entidades morfológicas o corpúsculos independientes en los momentos previos a la división celular. Ambas formas están constituidas por las mismas moléculas lineales muy largas de DNA bicatenario, estrechamente asociado a proteínas. El genoma de orgánulos (cloroplastos y mitocondrias) está formado por cromosomas circulares, al igual que el de procariotas.
Las cifras relativas al número de genes han sufrido fuertes variaciones en los años recientes y aún son dispares dependiendo de la fuente que se consulte. Ello se debe a que no es sencillo definir qué región del DNA genómico es o no un gen, e incluso identificar con certeza sus puntos de comienzo y de fin, los que definen un ‘‘marco de lectura abierto’’; las técnicas de detección e identificación de genes en la secuencia del genoma continúan evolucionando. Como ejemplos de situaciones que hacen difícil esta precisión pueden mencionarse la existencia de copias de genes que no son funcionales (pseudogenes); el tamaño mucho menor de las regiones codificantes (exones) en la mayoría de genes frente a las no codificantes; la posibilidad de expresión en formas alternativas de algunos genes, dando lugar a diferentes productos (ayuste alternativo); los genes que codifican RNA funcionales son cortos y carecen de marco de lectura, etc. Todo ello complica la definición e identificación inequívocas de un segmento del genoma como un gen. Igualmente varían las cantidades derivadas, como la fracción del genoma constituida por regiones codificantes. Lo importante es, en todo caso, transmitir una idea de las cifras aproximadas, los diferentes tipos de secuencia implicados y las diferencias entre el genoma nuclear de los eucariotas y los genomas de orgánulos y de procariotas.
MAGNITUD DEL GENOMA NUCLEAR DE EUCARIOTAS
El material genético contenido en el núcleo supone generalmente más del 90% del total de DNA celular. El primer aspecto a destacar es su magnitud con respecto al genoma mitocondrial y al de procariotas. Además, a diferencia de éstos, el genoma nuclear está repartido en varios cromosomas, en número diferente según la especie, generalmente muy grandes y con el DNA muy condensado al estar estrechamente asociado con histonas y otras proteínas. La magnitud del genoma nuclear viene determinada por la cantidad total de DNA en el conjunto de cromosomas de una célula. Ésta se puede expresar de varias formas:
• En número de cromosomas, designado por n en organismos haploides y 2n en diploides, en los que hay 2 copias de cada cromosoma.
• En masa de DNA (pg = picogramos).
• Como valor C, notación que expresa la cantidad de DNA total en el genoma de una célula con respecto a la presente en una célula haploide de la misma especie. Como se verá, en células diploides el valor puede ser de 2C o 4C, dependiendo del estadio del ciclo celular.
• Lo más habitual es expresarlo en longitud: pb = pares de bases en bicatenario, o nt = nucleótidos en monocatenario. Para moléculas largas se emplean kilobases (kb o kpb = 103 pb) o megabases (Mb o Mpb = 106 pb).
Procede, por otra parte, analizar la magnitud del genoma de forma comparativa tanto entre individuos de una misma especie como entre especies diferentes:
a) Todas las células de los individuos de una misma especie poseen la misma cantidad total de DNA y número de cromosomas. De esta generalización deben exceptuarse las células germinales, dedicadas a la reproducción del individuo, que poseen la mitad. En todos los casos, estas cifras se refieren a células en un mismo estado de división celular (normalmente la interfase) pues, la cantidad total de DNA, aunque no el número de cromosomas, varía en una célula a lo largo del ciclo celular.
b) El contenido total de DNA, expresado en pg o en n.0 de pb, y el número de cromosomas varían ampliamente entre especies diferentes. A menudo se ha asumido que el tamaño del genoma pueda estar relacionado con el grado de complejidad del organismo, o su posición en la escala evolutiva, pero hoy en día está claro que esto no es así. Solamente al comparar virus, procariotas y eucariotas se aprecia una diferencia significativa en la magnitud del genoma. Dentro de los eucariotas, el tamaño del genoma varía ampliamente pero de forma independiente de la posición en la escala evolutiva o de lo que pudiera, bajo un punto de vista antropocéntrico, entenderse como complejidad de la especie. Así, por ejemplo, la célula humana contiene 700 veces más DNA que la de E. coli, pero 300 veces menos que las células de algunas salamandras y plantas angiospermas, e incluso menos que algunos protozoos (eucariotas unicelulares).
Por otro lado, no existe correlación alguna entre el tamaño del genoma de una especie y el número de cromosomas que lo componen. Por ejemplo, mientras que el genoma humano diploide (6,4 109 pb) está repartido en 46 cromosomas (23 pares, n = 23), las células de ratón, con un genoma menor (3 109 pb), poseen menor número de cromosomas (40), mientras que en las células de cebolla un genoma 2 veces mayor que el humano (1,5 1010 pb) está contenido en sólo 16 cromosomas. De forma similar, la mosca de la fruta, con un genoma (1,7 108 pb) mucho mayor que el de la levadura (1,6 107 pb), posee un número muy inferior de cromosomas (8 frente a 32).
Esta ausencia de correlación entre cantidad de material genético y complejidad del organismo es una de las pautas para sugerir que el tamaño de los genomas de organismos superiores es muy superior al necesario y, por tanto, que una gran parte es no codificante, es decir, no está organizado en genes, nunca traduce su información a un producto génico (RNA o proteína). De todos modos, se debe ser cauto al considerar una categorización de los organismos de acuerdo a su complejidad, pues es muy discutible que un ser humano sea más complejo que, digamos, un gusano. En cualquier caso, la hipótesis de una importante fracción no codificante en el genoma se ha confirmado. Por ejemplo, se ha encontrado que los genes tienen una longitud media de alrededor de 1.000 pb. Asumiendo esta cifra, el genoma humano haploide podría contener unos 3,2 millones de genes y, sin embargo, se estima hoy en día que sólo contiene unos 25.000, de modo que la fracción codificante sólo alcanza alrededor del 1% del DNA total.
Aunque la función de los genes está bien establecida para una pequeña fracción del total presente en el genoma humano, la diversidad en la cantidad total de DNA en los genomas puso de manifiesto la necesidad de estudiar con mayor precisión la organización estructural de genes y genomas a nivel molecular. Las características más relevantes del genoma nuclear son la presencia de grandes regiones que no codifican producto génico alguno (DNA no codificante) y la existencia de secuencias de DNA que se repiten un número más o menos elevado de veces (DNA repetitivo). Como se estudiará con detenimiento posteriormente, hay que unir a ello la existencia de una enorme diversidad en la secuencia en distintas regiones del DNA, tanto sencillas como repetitivas, codificantes o no.
Magnitud y características del genoma mitocondrial El genoma de orgánulos (mitocondrias en animales, mitocondrias y cloroplastos en plantas) es, posiblemente, un vestigio del cromosoma de bacterias arcaicas que accedieron al citoplasma de eucariotas primitivos, para dar lugar tras la evolución a dichos orgánulos (hipótesis endosimbionte). Se cree que la mitocondria (orgánulo que aporta casi toda la energía que necesitan las células) surgió al acumularse el oxígeno en la atmósfera terrestre. Posiblemente, la mitocondria y el núcleo de la célula eucariótica se formaron en paralelo, al incorporarse por endocitosis células procariotas aeróbicas al interior de la célula eucariótica anaeróbica y fusionarse ambas. Con el tiempo, la mayoría de los genes procarióticos (genes protomitocondriales) se integraron en el genoma nuclear, con lo que el eucariota primitivo anaeróbico ya podía vivir en una atmósfera rica en oxígeno; sólo una pequeña fracción del genoma procariótico primigenio permaneció en la mitocondria.
Las células animales poseen un número muy variable de mitocondrias, dependiendo de la especie y del tejido. Cada mitocondria posee varias copias de un único cromosoma (habitualmente menos de una decena), situadas en la matriz mitocondrial y ancladas a la membrana interna. En consecuencia, el número de copias de DNA mitocondrial (mtDNA) en una célula oscila entre 200 y 2.000 (algunas referencias hablan de hasta 100.000 en casos puntuales). El cromosoma mitocondrial es bicatenario y circular, como el de procariotas, aunque de tamaño muy inferior: 16.569 pb en humanos, con una longitud de 5 mm y una masa molecular de 10 MDa; esto supone una longitud 3.000 veces inferior a la del cromosoma nuclear más pequeño. Teniendo en cuenta el número de copias totales (2 del genoma nuclear frente a múltiples, y muy variables, del mitocondrial), se puede calcular que el DNA mitocondrial total supone, dependiendo del tejido, entre un 0,05 y un 0,5% del DNA total de la célula (quizás hasta el 20% en los casos extremos mencionados). Finalmente, la situación es similar para el cromosoma de cloroplastos, que es igualmente bicatenario y circular, pero de mayor tamaño que el mitocondrial.
A diferencia del DNA nuclear, con abundantes repeticiones y regiones no codificantes, el mt DNA es en su casi totalidad no repetitivo y codificante. En concreto, el cromosoma mitocondrial humano contiene un total de 37 genes que suponen el 93% del DNA. Entre ellos se cuentan 2 genes para RNA ribosómico, 22 para RNA transferente y 13 para proteínas; éstas forman parte de los complejos enzimáticos respiratorios I, III, IV y V, pero suponen sólo el 5% de las proteínas mitocondriales, estando el resto codificadas por DNA nuclear.
NUCLEÓTIDOS Y ÁCIDOS NUCLÉICOS
Los ácidos nucleicos (DNA y RNA) son las moléculas encargadas del almacenamiento, transmisión y expresión de la información genética. A lo largo del presente capítulo se analiza la estructura y composición química de sus constituyentes, los nucleótidos, así como otras funciones que éstos pueden desempeñar. Es muy importante comprender la naturaleza química de los ácidos nucleicos para relacionar su estructura con su función en la célula. De igual forma, el estudio del nucleótido ATP como moneda de intercambio energético de la célula resulta imprescindible para la comprensión del metabolismo celular.
El conocimiento de la estructura y función de los ácidos nucleicos permite comprender el flujo de la información genética.
INTRODUCCIÓN
Los nucleótidos participan en multitud de funciones celulares. Colaboran en funciones de oxidorreducción, transferencia de energía, señales intracelulares y reacciones de biosíntesis. Además, son los constituyentes de los ácidos nucleicos: ácido desoxirribonucleico (DNA) y ácido ribonucleico (RNA), las principales moléculas participantes en el almacenamiento y la descodificación de la información genética.
Los nucleótidos y los ácidos nucleicos también desempeñan papeles estructurales y catalíticos en la célula. Ningún otro tipo de biomolécula participa en funciones tan variadas o en tantas funciones esenciales para la vida.
Las funciones del DNA son el almacenamiento y la transmisión de la información biológica. En el DNA se encuentran especificadas las secuencias de aminoácidos de todas las proteínas y las secuencias de nucleótidos de todas las moléculas de RNA.
Un segmento de DNA que contiene la información necesaria para la síntesis de un producto biológico funcional (proteína o RNA) se denomina gen. Las células tienen miles de genes, lo que explica que las moléculas de DNA sean muy grandes.
En la célula existen diversas clases de RNA, tres de ellos fundamentales: los RNA ribosómicos (rRNA), que son componentes de los ribosomas; los RNA mensajeros (mRNA), que actúan como transportadores de la información desde un gen hasta el ribosoma, donde se sintetizan las proteínas; y los RNA de transferencia (tRNA), que traducen la información genética contenida en el mRNA a secuencias específicas de aminoácidos. Además, existen diversas moléculas de RNA que desempeñan funciones específicas que se detallarán en esta unidad.
LOS NUCLEÓTIDOS.
Los nucleótidos desempeñan numerosas funciones en el metabolismo:
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Actúan como transmisores de energía (ATP).
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Actúan como señales químicas en los sistemas celulares en respuesta a las hormonas y otros estímulos extracelulares (AMPc).
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Son componentes de una serie de coenzimas e intermediarios metabólicos
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(NAD⁺, FAD, NADP⁺).
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Son los constituyentes de los ácidos nucleicos (DNA Y RNA).
Nucleósidos y nucleótidos.
Composición química y estructura.
Los nucleótidos están constituidos por tres componentes característicos: una base nitrogenada, una pentosa y al menos un grupo fosfato.
Las bases nitrogenadas son moléculas planas, aromáticas, heterocíclicas, que derivan de la pruina o de la pirimidina. Las bases púricas más comunes son la adenina (A) y la guanina (G). Ambas aparecen tanto en el DNA como en el RNA. Las bases pirimidínicas principales son la citosina (C), el uracilo (U) y la timina (T) (fig. 1). La citosina se encuentra en ambos tipos de ácidos nucleicos, pero la tiamina solo aparece en el DNA y el uracilo únicamente en el RNA.
Fig. 1 Bases púricas y pirimidínicas de los ácidos nucleicos. Las bases nitrogenadas que forman parte del DNA y el RNA se forman a partir de la pirimidina. Se resaltan las modificaciones particulares de cada base.
Las bases se unen a una pentosa (mediante el N-1 en las pirimidinas y el N-9 en las purinas), a través de un enlace N-β-glucosídico con el C´-1 de la pentosa. A los átomos de las pentosas de los nucleótidos se les añade el signo prima (´) para distinguirlos de los átomos de las bases nitrogenadas. En los ribonucleótidos, la pentosa es la ᴅ-ribosa, mientras que en los desoxirribonucleótidos (desoxinucleótidos) el azúcar es la 2´-desoxi- ᴅ-ribosa.
Ambos tipos de pentosas se encuentran en forma β. El compuesto resultante de la unión de una base más la pentosa es un nucleósido (Fig. 2).
El grupo fosfato se une en la posición 5´ de la pentosa normalmente, aunque también puede aparecer en otras posiciones (2´,3´). La base más la pentosa más el fosfato constituyen el nucleótido (véase Fig. 2).
Figura 2. Nucléosidos y nucléotidos. En la figura se ilustra con dos ejemplos los procesos de formación de un nucléosido (base nitrogenada + azúcar) mediante un enlace N-glucosídico y de un nucleótido (base nitrogenada + azúcar + grupo fosfato) mediante un enlace éster fosfórico.
En la figura 3 se muestran las estructuras y los nombres de los cuatro desoxirribonucleótidos principales (desoxirribonucleósidos 5´-monofosfato), que forman parte del DNA, y los cuatro ribonucleótidos principales (ribonucleósidos 5´-monofosfato), que forman parte de RNA.
CONCEPTOS CLAVE
→Los nucleótidos desempeñan funciones muy variadas en la célula: transferencia de energía, señales intracelulares, reacciones de oxidación, reducción, biosíntesis, etc.
→Los nucleótidos son los constituyentes de los ácidos nucleicos: DNA (ácido desoxirribonucleico) y RNA (ácido ribonucleico).
→Un gen es un segmento de DNA que contiene la información necesaria para la síntesis de una proteína o un RNA.
→Las bases de los nucleótidos del DNA son de dos tipos: purinas (adenina y guanina) o pirimidinas (citosina y timina). El RNA contiene la pirimidina uracilo en lugar de timina.
Aunque la mayoría de los nucleótidos contienen las bases nitrogenadas A, C, G, T y U, el DNA y el RNA contienen también otras bases secundarias (fig. 4). En el DNA, las más comunes son las formas metiladas de las bases principales. En el RNA, y en especial en el tRNA, también se encuentran distintos tipos de bases secundarias. En el recuadro A se analiza el papel de algunos análogos de bases o de nucleótidos como agentes terapéuticos.
En las células también aparecen nucleótidos con grupo fosfato en posiciones diferentes del carbono 5´, como los ribonucleósidos 2´,3´-monofosfato cíclicos y los ribonucleósidos 3´-monofosfato, queson productos finales de la hidrólisis del RNA. Otros ejemplos son la adenosina-3´,5´-monofosfato cíclico (AMPc) y la guanosina-3´,5´-monofosfato cíclico (GMPc) (fig. 5-5). Al final del capítulo se comenta la estructura y función del AMPc.
Figura 3. Ribonucleótidos y desoxirribonucleótidos de los ácidos nucleicos. Los nucleótidos que forman parte de los ácidos nucleicos se encuentran en forma monofosfato, situándose el grupo fosfato en posición 5’. La parte nucleosídica de cada molécula aparece sombreada.
Figura 4. Algunas bases púricas y pirimidínicas secundarias. (a) Bases poco abundantes en el DNA. La 5-metilcitidina está presente en el DNA de los animales y plantas superiores, y la N 6-metiladenosina en el DNA bacteriano. (b) Bases poco abundantes presentes en los tRNA. La inosina contiene la base hipoxantina. La modificación con respecto al nucleótido original aparece en color.
Los nucleótidos de los ácidos nucleicos están unidos por enlaces fosfodiéster
Los nucleótidos pueden unirse unos a otros para formar el DNA o el RNA. La unión se realiza mediante «puentes» de grupos fosfato, en los cuales el grupo –OH en la posición 5´de un nucleótido está unido al grupo –OH del siguiente mediante un enlace fosfodiéster (Fig. 6). De esta forma, los esqueletos de los ácidos nucleicos consisten en residuos de fosfato y pentosa, quedando las bases nitrogenadas como grupos laterales unidos al esqueleto.
Todos los enlaces fosfodiéster tienen la misma orientación a lo largo de la cadena, con lo cual cada cadena lineal de ácido nucleico tiene una polaridad específica y extremos 5´y 3´diferenciados. El residuo terminal cuyo C-5´no está unido a otro nucleótido se conoce como extremo 5´, mientras que el residuo terminal cuyo C-3´ no está unido a otros nucleótidos se llama extremo 3´. Por convención, la secuencia de residuos nucleotídicos en un ácido nucleico se escribe, de izquierda a derecha, desde el extremo 5´hasta el 3´.
Un ácido nucleico de cadena corta se denomina oligonucleótido (ganeralmenta hasta 50 nucleótidos). Los ácidos nucleicos de mayor longitud se denominan polinucleótidos.
Figura 5 Estructura del AMPc y el GMPc, dos nucléotidos reguladores
Figura 6 Formación de enlaces fosfodiéster en el DNA y el RNA. Los enlaces fosfodiéster unen, los sucesivos nucleótidos. El extremo 5´ carece de nucléotido en la posición 5 yel extremo 3´ carece de nucleótido en la posición 3´.
ESTRUCTURA Y FUNCIÓN DEL DNA
El descubrimiento del material genético
La investigación de la bioquímica del DNA comenzó con Friedrich Miescher, un biólogo suizo, que realizó en 1868 los primeros estudios químicos sistemáticos de los núcleos celulares y aisló una sustancia que contenía fósforo, a la que denominó nucleína, a partir de los núcleos de las células de la pus (leucocitos) obtenida de vendajes quirúrgicos de desecho. Miescher demostró que dicha nucleína consistía en una porción ácida, que hoy se conoce como DNA, y una porción básica en la que se encuentra la proteína. Más tarde descubrió una sustancia similar en la cabeza del espermatozoide del salmón y logró purificar parcialmente los ácidos nucleicos y estudiar algunas de sus propiedades.
En 1928, el microbiólogo Frederick Griffith, de nacionalidad inglesa, estudió las bases de la patogenicidad de la bacteria Diplococcus pneumoniae, que causa neumonía. Observó que las células de cepas patógenas, llamadas S, estaban rodeadas de una cápsula formada por una cubierta delgada de polisacáridos, y que las cepas mutantes, que carecen de cápsula (R), no eran patógenas. Los descubrimientos de Griffith fueron sorprendentes: observó que si la cepa bacteriana R se mezcla con células S muertas por calor, y después se inyectan a ratones, éstos se infectan y mueren, pero ni las cepas S muertas por calor, ni las cepas R vivas fueron capaces de infectar cuando se inyectaron de forma separada. Además, pudo aislar células S vivas, encapsuladas, a partir de la sangre de ratones muertos. Dedujo entonces que las células S muertas por calor tenían algo que transformaba a las células R vivas en células S. Al factor causante de la transformación lo denominó «principio transformante», pero no pudo identificarlo (Fig. 7)
Figura 7 Experimento de Griffith con Diplococcus pneumoniae. Este experimento fue uno de los primeros que demostró la existencia en las bacterias de un "principio transformante" que provocaba la transformación de una cepa no patógena en otra virulenta.
Figura 8 Experimento de Avery, Macleod y McCarty. Este experimento permitió demostrar que el principio transformante en Diplococcus pneumoniae era el DNA y no las proteínas. Con ello demostraron que el ADN es la molécula portadora portadora de la información genética.
Es momento de tomar apuntes.
Te invitamos a ver el siguiente video y realizar una recapitulación de las investigaciones y los experimentos que durante la historia precedieron al descubrimiento del material genético.
Toma nota de los aspectos más relevantes y correlaciónalos con la información hasta ahora aportada, porque más adelante, utilizaremos esta información para las actividades de aprendizaje.
En 1944, Oswald Avery, Colin Macleod y Maclyn McCarty prepararon extractos libres de células de las bacterias S, fraccionaron los extractos en varios componentes y probaron su capacidad para transformar células R en células S in vitro. Encontraron que el principio transformante residía en el DNA. Una prueba decisiva para confirmar esto fue que la incubación del extracto con desoxirribonucleasa, una enzima que degrada específicamente el DNA, acabó con la actividad transformante, mientras que las enzimas proteolíticas tripsina y quimiotripsina, que degradan proteínas, no afectaron a esta actividad transformante (Fig. 8).
Estudios posteriores realizados con un bacteriófago que infecta a la bacteria Escherichia coli apoyaron los trabajos de Avery. En 1952, Martha Chase y Alfred D Hershey prepararon fagos T2 marcados con fósforo radiactivo (³²P), un constituyente del DNA pero no de las proteínas, y azufre radiactivo (³⁵S), un constituyente de las proteínas pero no del DNA (Fig. 9). Demostraron que, cuando el bacteriófago infecta a su célula huésped (E. coli), es el DNA de la partícula vírica, que contiene fósforo, y no la proteína de la cápsida del virus, que contiene azufre, el componente que penetra en la célula huésped y aporta la información genética para la replicación del virus. Estos experimentos y muchos otros han demostrado que el DNA es el único componente cromosómico que contiene la información genética en las células vivas.
Figura 9 El experimento de Hershey-Chase. Se prepararon dos muestras del bacteriógrafo T2 marcadas isotópicamente. Una marcada con 32p en los grupos de fosfato del DNA y la otra con 35S en los residuos de aminoácidos que contienen azúfre de las proteínas de la cápsida. Posteriormente se infectaron por separado suspensiones de bacterias no marcadas. Una vez realizada la infección, se separaron las cápsidas víricas y las bacterias. Las células infectadas por el fago marcado con 32P contenían radioactividad: el DNA vírico marcado había penetrado en las células y las cápsidas víricas vacías no contenían rasdioactividad. Las células infectadas con el fago marcado con 35S no contenían radioactividad, mientras que las cápsidas vacías sí. Después de la eliminación de las cubiertas del virus se observó la formación de nuevos virus en ambas suspensiones: el mensaje genético para la replicación de los virus había sido introducido por el DNA de los virus y no por su proteína.
Las moléculas de DNA tienen diferente composición de bases
En el descubrimiento de la estructura del DNA resultó de gran importancia el trabajo de Erwin Chargaff y sus colaboradores a finales de la década de 1940.
Encontraron que las cantidades de las cuatro bases de los nucleótidos del DNA variaban según el organismo y que las cantidades relativas de ciertas bases estaban muy relacionadas. La proporción cuantitativa de las bases en una macromolécula se adapta en ocasiones a las denominadas reglas de Chargaff.
Éstas fueron confirmadas por muchos investigadores y sirvieron como pauta para el establecimiento de la estructura tridimensional del DNA y cómo se transmite de una generación a la siguiente. Tales reglas son las siguientes:
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La composición de las bases del DNA generalmente varía de una especie a otra.
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Las muestras de DNA aisladas de los diferentes tejidos de la misma especie se componen de las mismas bases.
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La composición de bases del DNA de una determinada especie no varía con la edad del organismo, ni con su estado nutricional, ni con las variaciones ambientales.
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En todos los DNA de diferentes especies, el número de los residuos de adenina es igual al de los residuos de timina (A = T), y el número de residuos de guanina es igual al número de residuos de citosina (G = C). A partir de esta proporción es posible considerar que la suma de los residuos de purinas es igual a la suma de los residuos de pirimidinas, esto es:
A + G = T + C.
El DNA es una doble hélice
La determinación de la estructura del DNA por parte de James Watson y Francis Crick en 1953 marcó el nacimiento de la biología molecular moderna.
La estructura de Watson y Crick del DNA permitió la determinación del mecanismo molecular de la herencia.
Rosalind Franklin y Maurice Wilkins utilizaron la difracción de rayos X para analizar fibras de DNA. A principios de la década de 1950 demostraron que el DNA produce un diagrama de difracción de rayos X característico. El análisis de lso diagramas permitió deducir que las moléculas del DNA son helicoidales y que sus bases aromáticas planas forman un apilamiento paralelo al eje de la fibra. El reto que se planteaba era la construcción de un modelo tridimensional de la molécula de DNA que explicara los datos de difracción de rayos X, así como las equivalencias entre bases descubiertas por Chargaff, junto con otras propiedades químicas del DNA.
Con todos los datos disponibles, en 1953 Watson y Crick postularon un modelo tridimensional para el DNA.
El modelo de Watson y Crick tiene las siguientes características principales:
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Existen dos cadenas de polinucleótidos enrolladas alrededor de un eje común, formando una doble hélice.
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Las dos cadenas del DNA son antiparalelas (es decir, transcurren en direcciones opuestas), pero cada una forma una hélice dextrógira (la diferencia entre una hélice dextrógira y una levógira se muestra en la figura 10).
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Las bases ocupan el centro de la hélice y las cadenas de azúcares y fosfatos se sitúan en el exterior. Esto minimiza las repulsiones entre los grupos fosfato cargados. La superficie de la doble hélice contiene dos hendiduras de ancho desigual: los surcos mayor y menor (Fig. 11a).
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Cada base está unida por puentes de hidrógeno a una base de la hebra opuesta, para formar un par de bases plano. Cada residuo de adenina debe formar pareja con un residuo de timina y viceversa, y cada residuo de guanina debe aparearse con un residuo de citosina y viceversa (Fig. 11b). Estas interacciones por puentes de hidrógeno, conocidas como apareamiento de bases complementarias, dan como resultado la asociación específica de las dos cadenas de la doble hélice.
La doble hélice del DNA se mantiene unida por dos tipos de fuerzas: los enlaces de hidrógeno entre los pares de bases complementarias y las interacciones de apilamiento de las bases. Entre G y C se pueden formar tres enlaces de hidrógeno, mientras que solamente se pueden establecer dos entre A y T. Esta es una de las razones de la dificultad para separar las hebras apareadas del DNA: cuanto mayor sea la relación de pares de bases G≡C con respecto a las A=T, más difícil será su separación. La complementariedad de las hebras del DNA se debe a los enlaces de hidrógeno que se establecen entre los pares de bases.
Un gran número de resultados experimentales apoyan las principales características del modelo de Watson y Crick para el DNA. Además, a partir del propio modelo, se sugirió de inmediato un mecanismo para la transmisión de la información genética. La complementariedad de las dos hebras del DNA permitió deducir, antes de disponer de pruebas experimentales, que la replicación de la estructura podía tener lugar a través de la separación de las dos hebras y la síntesis de hebras complementarias de cada una de ellas. Cada hebra hace de molde para dirigir la síntesis de la hebra complementaria. Estas hipótesis se confirmaron experimentalmente.
CONCEPTOS CLAVE
→Diversos experimentos demostraron que el DNA es la molécula que almacena y transmite la información genética.
Figura 10 Hélice levógira y hélice dextrógira. En cada caso, mientras el pulgar apunta hacia donde la hélice avanza, los demás demos se curvan en la dirección de giro de la hélice. Esto se mantiene cuando las hélices se colocan al revés.
¿Qué fuerzas mantienen la estructura de la doble hélice?
Figura 11 Modelo de Watson y Crick de la estructura del DNA. La molécula de DNA tiene 10,5 pares de bases y 3,6 nm por vuelta de hélice. (a) Representación esquempatica que muestra las dimensiones de la hélice. (b) Cadenas complementarias del DNA. Dos cadenas de polinucléotidos se asocian mediante el apareamiento de sus bases para formar DNA de doble cadena. Se forman puentes de hidrógeno específicos entre A y T, y entre G y C.
El DNA puede adoptar distintas formas tridimensionales
El DNA es una molécula muy flexible que puede presentar numerosas variaciones estructurales. En el DNA celular se observan muchas desviaciones significativas de la estructura de Watson y Crick. Estas variaciones estructurales no tienen ningún efecto sobre las propiedades fundamentales del DNA definidas por Watson y Crick, y reflejan tres aspectos: las diferentes conformaciones posibles de la desoxirribosa, la rotación alrededor de los enlaces del esqueleto de la hélice y la libre rotación en torno al enlace glucosídico.
La estructura de Watson y Crick se conoce también como forma B del DNA o DNA B. La forma B es la estructura más estable que puede adoptar un DNA de secuencia al azar en condiciones fisiológicas. Las formas A y Z son dos variantes estructurales (Fig. 12).
La forma A predomina en disoluciones relativamente pobres en agua. El DNA está estructurado en una doble hélice dextrógira, pero la hélice es más gruesa y el número de pares de bases por vuelta es de 11, en lugar de los 10,5 de la forma B del DNA. El plano de los pares de bases de la forma A tiene una inclinación de unos 20° con respecto al eje de la hélice. Esto hace que el surco mayor sea más profundo y el surco menor más superficial.
El DNA Z supone una mayor desviación de la forma B. Es una hélice levógira. Contiene 12 pares de bases por vuelta y la estructura es más delgada y alargada. Las cadenas del DNA adoptan un plegamiento en zigzag.
No está claro si el DNA A se encuentra en las células, pero hay datos a favor de la presencia de zonas de DNA Z en procariotas y eucariotas. Estas regiones pueden participar en la regulación de la expresión de algunos genes o en la recombinación genética.
Existen fármacos que basan su utilidad terapéutica en su capacidad para modificar la estructura de la doble hélice del DNA.
Figura 12. Formas A, B y Z del DNA. Las tres estructuras que se presentan tienen 36 pares de bases.
ESTRUCTURA Y FUNCIÓN DEL RNA
¿Cómo controlan las secuencias de nucleótidos las características de los organismos? En experimentos realizados con el hongo ascomiceto Neurospora crassa en la década de 1940, George Beadle y Edward Tatum descubrieron la existencia de una conexión entre los genes y las enzimas. Demostraron que las variedades mutantes de Neurospora que se generaban por irradiación con rayos X requerían nutrientes adicionales para crecer. Esto probablemente se debía a que las células dañadas por la radiación carecían de enzimas específicas necesarias para sintetizar estos nutrientes. De esta forma propusieron un vínculo directo entre los genes y las reacciones enzimáticas, lo que se conoció como la hipótesis «un gen, una enzima».
El vínculo entre el DNA y las enzimas (que son, en su gran mayoría, proteínas) es el RNA. El DNA de un gen se transcribe para producir una molécula de RNA que es complementaria con el DNA. La secuencia de RNA es entonces traducida a la secuencia correspondiente de aminoácidos para formar una proteína. Esta transferencia de información biológica se resume en el llamado dogma central de la biología molecular formulado por Crick en 1958 (Fig. 13). El DNA se transcribe a RNA, y la secuencia de RNA se traduce a la secuencia de aminoácidos correspondiente, formando una proteína.
Las células contienen diversos tipos de RNA:
- El RNA ribosómico (rRNA) es el componente principal de los ribosomas y constituye hasta un 65% de su peso total. Las moléculas de rRNA suelen ser muy grandes. Desempeña un papel tanto catalítico como estructural en la síntesis de proteínas.
Tanto en los procariotas como en los eucariotas, un ribosoma consta de dos subunidades, una mayor que la otra. A su vez, la subunidad más pequeña consiste en una molécula grande de RNA y unas 20 proteínas distintas; la subunidad más grande consiste en dos moléculas de RNA en los procariotas (tres en los eucariotas) y unas 35 proteínas distintas en los procariotas (unas 50 en los eucariotas).
Para la separación de los componentes de los ribosomas, RNA y proteínas, se utiliza una técnica denominada ultracentrifugación analítica. El movimiento de una partícula en esta técnica se caracteriza por un expresado en unidades (S), llamadas así por Theodor Svedberg, el científico sueco que inventó la ultracentrífuga. El valor S aumenta con el peso molecular de la partícula en sedimentación, pero no de forma directamente proporcional, porque la forma de la partícula también afecta a la velocidad de sedimentación.
Un ribosoma de suele tener un coeficiente de sedimentación de 70S, disociándose en una subunidad menor de 30S y una mayor de 50S. La subunidad 30S contiene un rRNA 16S y 21 proteínas distintas. La subunidad 50S contiene dos rRNA, de 5S y 23S, y 36 proteínas distintas.
En cambio, los ribosomas eucarióticos tienen un coeficiente de sedimentación de 80S y las subunidades mayor y menor son 60S y 40S, respectivamente. La subunidad pequeña de los eucariotas contiene un rRNA 18S, mientras que la grande contiene tres tipos de moléculas de rRNA,5S, 5, 8S y 28S (Fig. 14).
Figura 13. El dogma central de la biología molecular. Las flechas de línea continua indican los tipos de transferencia de información que se producen en todas las células: el DNA dirige su propia replicación para producir moléculas nuevas de DNA; el DNA se transcribe a RNA; el RNA se traduce en la síntesis de una proteína. Las flechas de línea discontinua representan las transferencias de información que se observan sólo en algunos organismos (como algunos virus).
Figura 14. Composición de los ribosomas en procariotas y eucariotas. Resumen de la composición y la masa de los ribosomas en los procariotas y en los eucariotas. Las subunidades ribosómicas se identifican por sus valores del coeficiente de sedimentación S (Svedberg).
- El RNA de transferencia (tRNA) consta de alrededor de 75 nucleótidos, siendo una de las moléculas de RNA más pequeñas. Es un polinucleótido de una sola cadena, con un peso molecular aproximado de 25.000 daltons.
Transporta los aminoácidos en forma activada al ribosoma para la formación de enlaces peptídicos a partir de la secuencia codificada por el mRNA molde. Existe al menos un tipo de tRNA para cada uno de los 20 aminoácidos. En el tRNA se establecen puentes de hidrógeno intracatenarios y se forman pares de bases A – U y G –C similares a os del DNA, salvo por la sustitución de la timina por uracilo. La molécula puede dibujarse como una estructura de trébol (Fig. 15). Las porciones de la molécula unidas por puentes de hidrógeno se denominan tallos, y las otras, bucles. Algunos de estos bucles contienen bases modificadas.
Si se comparan con los tRNA de diferentes especies, se observan muchos aspectos estructurales comunes. La mayoría de tRNA tienen un residuo guanilato (pG) en el extremo 5´, y todos tienen la secuencia CCA(3´) en el extremo 3´.
El brazo del aminoácido puede llevar un aminoácido específico unido por su grupo carboxilo al grupo hidroxilo 2´o 3´ del residuo A del extremo 3´del tRNA. El contiene el anticodón que permite el apareamiento específico con los codones del mRNA en el proceso de traducción. El contiene dihidrouridina (D) y el yC contiene ribotimina (T) y pseudouridina (y). Los brazos D y TyC contribuyen al plegamiento de las moléculas del tRNA.
Durante la síntesis de proteínas, tanto el tRNA como el mRNA se unen al ribosoma de una forma definida, lo que garantiza el orden correcto de los aminoácidos en la cadena polipeptídica sintetizada.
Figura 15. Estructura en hoja de trébol de los tRNA. Los puntos grandes representan residuos nucleotídicos, mientras que las líneas azules representan pares de bases. Los residuos característicos y/o invariables comunes a todos los tRNA aparecen en rojo. En el extremo del brazo del anticodón se encuentra el bucle del anticodón, que contiene siempre siete nucleótidos no apareados. Pu: nucleótido purínico; Py: nucleótido pirimidínico; G*: guanilato o 2’-O-metilguanilato; ψ: pseudouridina; D: dihidrouridina.
- El RNA mensajero (mRNA) es el menos abundante de los RNA, constituyendo del 5 al 10% de todo el RNA celular. Es el molde para la síntesis de proteínas o traducción. La secuencia de los nucleótidos del mRNA es complementaria al mensaje genético contenido en un segmento específico del DNA. Las moléculas de RNA mensajero tienen diversos tamaños, lo mismo que las proteínas cuya secuencia especifican. Se puede producir una molécula de mRNA de cada gen o grupo de genes que vayan a expresarse en E. coli, mientras que se produce un mRNA específico por cada gen en eucariotas. En consecuencia, el mRNA es una clase heterogénea de moléculas.
En eucariotas, el mRNA formado inicialmente es una molécula más grande llamada (), que contiene largas porciones de secuencias intermedias llamadas , que no codifican proteínas. La modificación postranscripcional elimina los intrones.
- El RNA nuclear pequeño (snRNA) es una molécula de reciente descubrimiento. Se encuentra en el núcleo de las células eucariotas. Tiene apenas entre 100 y 200 nucleótidos y en la célula se acompleja con proteínas para formar partículas nucleares pequeñas de ribonucleoproteína (snRNP). Su función es contribuir al procesamiento del mRNA inicial que se transcribe del DNA, para dar una forma madura que pueda exportarse del núcleo. En los eucariotas, la transcripción se efectúa en el núcleo, pero la síntesis de proteínas se efectúa casi totalmente en el citosol, y eso hace necesaria la exportación del mRNA.
- Los micro RNA (miRNA) son moléculas de RNA implicadas en la regulación génica que se encuentra en los eucariotas multicelulares. Son moléculas de RNA no codificantes, de unos 22 nucleótidos de longitud, que regulan la función del mRNA, cortándolo o suprimiendo su traducción.
- Las mitocondrias tienen su propio RNA mitocondrial (mtRNA), que se transcribe a partir de DNA mitocondrial. Son capaces de sintetizar sus propias proteínas, al disponer de ribosomas, tRNA y mRNA propio. A partir del DNA mitocondrial se sintetizan 22 tRNA específicos, los rRNA mitocondriales 12S y 16S y 13 mRNA. Estos mRNA codifican en su mayoría proteínas dela cadena de transporte de electrones y la ATp sintasa. Los mtRNA representan aproximadamente el 4% del RNA celular total. Son transcritos por una RNA polimerasa mitocondrial específica.
NUCLEÓTIDOS CON OTRAS FUNCIONES
El ATP es la moneda de intercambio energético de la célula
El ATP es un ribonucleótido constituido por adenina y ribosa, a la que se unen en forma secuencial tres grupos fosfato por medio de un enlace fofoéster seguido de dos enlaces fosfoanhídrido.
La importancia biológica del ATP radica en la gran cantidad de energía libre que acompaña a la rotura de los enlaces fosfoanhídrido. Esto tiene lugar cuando un grupo fosfato se transfiere a otro compuesto, liberando ADP (Fig. 5-16), o se transfiere al AMP y se libera pirofosfato (PP). Cuando el aceptor es el agua, el proceso se conoce como hidrólisis:
ATP + HO ↔ ADP + P
ATP + HO ↔ AMP + PP
La variación de energía libre para la hidrólisis del ATP es -30,5kJ/mol en condiciones estándar ( ∆G °).
En la figura 17 se indican los valores de ∆G°´ para la hidrólisis de varios compuestos fosforilados de importancia bioquímica. Estos valores se conocen como potenciales de transferencia de grupos fosforilo, y son una medida de la tendencia de los compuestos fosforilados a transferir sus grupos fosfato al agua. El ATP tienei una potencial de transferencia de grupo fosforilo de valor intermedio. Bajo condiciones estándar, los compuestos que se encuentran por encima del ATP pueden transferir de forma espontánea un grupo fosforilo al ADP para formar ATP, que a su vez, de forma espontánea, transfiere un grupo fosforilo a los grupos apropiados de moléculas como glucosa o glicerol, para aumentar su energía. A pesar de sus altos potenciales de transferencia de grupo, el ATP y los compuestos fosforilados relacionados son cinéticamente estables y no reaccionan a menos que actúe sobre ellos una enzima apropiada.
Figura 17. Clasificación de los compuestos biológicos fosforilados según sus energías libres estándar de hidrólisis. En el esquema se muestra el flujo de grupos fosforilo, desde dadores de elevada energía vía ATP hasta moléculas aceptoras (como glucosa y glicerol) para formar sus derivados fosfato de baja energía.
Gracias a su potencial de transferencia de grupos fosforilo, el ATP es el vínculo químico entre el catabolismo y el anabolismo. Constituye la moneda energética de la célula viva. Gran parte de la energía que se libera de la glucosa y de otros combustibles celulares se conserva mediante la síntesis acoplada de ATP a partir de ADP + P. El ATP cede su energía química a procesos como: biosíntesis de moléculas, transporte de sustancias contra gradiente de concentración, movimiento mecánico, etc. Siempre que se utiliza la energía química del ATP, éste pasa a ADP + P.
Aunque este apartado se ha centrado en el ATP como moneda energética celular y dador de grupos fosforilo, los otros nucleósidos trifosfato (GTP, UTP y CTP) y todos los desoxinucleósidos trifosfato (dATP, dGTP, dTTP, y dCTP) son energéticamente equivalentes al ATP. Las variaciones de energía libre asociadas con la hidrólisis de sus enlaces fosfoanhídrido son prácticamente idénticas a las del ATP. De esta forma, también pueden dirigir reacciones de forma análoga al ATP. El motivo de que sea esta última la moneda energética es que se encuentra en mucha mayor concentración en las células.
CONCEPTOS CLAVE
→El ATP constituye el vínculo entre catabolismo y anabolismo, siendo la moneda energética de la célula viva. La conversión exergónica del ATP a ADP y P, está acoplada a muchas reacciones y procesos endergónicos.
→El valor intermedio del potencial de transferencia de grupos fosforilo del ATP permite que sea una buena moneda energética.
Ciertos nucleótidos son importantes coenzimas
Diversas enzimas catalizan reacciones de oxidación y reducción en la célula. Las enzimas que catalizan las oxidaciones celulares canalizan los electrones desde multitud de sustratos diferentes a tan sólo unos cuantos tipos de transportadores de electrones. La reducción de estos transportadores en los procesos catabólicos permite la conservación de la energía libre que se produce en la oxidación de los sustratos. Algunas de las coenzimas que acompañan a las enzimas que catalizan este tipo de reacciones son nucleótidos. El NAD⁺, NADP⁺, FMN y FAD son coenzimas nucleotídicas hidrosolubles que experimentan oxidación y reducción reversibles en muchas de las reacciones de transferencia de electrones del metabolismo.
NAD⁺ y NADP⁺
El dinucleótido de nicotinamida y adenina (NAD⁺ en su forma oxidada) y su análogo próximo, el dinucleótido fosfato de nicotinamida y adenina (NADP⁺), están formados por dos nucleótidos unidos a través de sus grupos fosfato por un enlace fosfoanhídrido (Fig. 18).
Ambas coenzimas experimentan una reducción reversible del anillo de nicotinamida:
NAD⁺ + 2e‾ + 2 H⁺ ↔ NADH + H⁺
NADP⁺ + 2e‾ + 2 H⁺ ↔ NADPH + H⁺
El NAD⁺ actúa generalmente en oxidaciones, como parte de una reacción catabólica; y el NADPH es la coenzima habitual de las reducciones, casi siempre como parte de una reacción anabólica.
Los anillos del NAD⁺ y del NADP⁺ provienen de la vitamina niacina, que se sintetiza a partir del triptófano. La carencia del niacina afecta, por lo tanto, a todas las enzimas dependientes de estas coenzimas, y es la causa de una grave enfermedad humana denominada pelagra, que produce dermatitis, diarrea y demencia. Hace un siglo era una enfermedad común. Hoy en día está prácticamente erradicada en las poblaciones del mundo desarrollado, pero aún la padecen las personas alcohólicas cuya absorción intestinal de niacina está muy reducida y cuyas necesidades calóricas están satisfechas a menudo con licores destilados que carecen prácticamente de vitaminas, entre ellas la medicina.
Figura 18. NAD+ y NADP+. El NAD+ y el NADP+ se reducen a NADH y NADPH, captando un ión hidruro (dos electrones y un protón) a partir de un sustrato oxidable.
FAD y FMN
El FAD (dinucleótido de flavina y adenina) y el FMN (mononucleótido de flavina) son dos nucleótidos de flavina (Fig. 5-19) que se unen a flavoproteínas, enzimas que catalizan reacciones de oxidación-reducción. La flavina es capaz de reducirse de manera reversible, aceptando uno o dos electrones en forma de uno o dos átomos de hidrógeno (cada átomo consiste en un electrón más un protón) desde un sustrato reducido. Así se originan las formas completamente reducidas:
FAD + 2 e‾ + 2 H⁺ ↔ FADH
FMN + 2 e‾ + 2H⁺ ↔ FMNH
Los nucleótidos de flavina suelen estar unidos fuertemente a la mayoría de las flavoproteínas, incluso de forma covalente. Estas coenzimas fuertemente unidas se denominan grupos prostéticos y provienen de la vitamina rivoflamina (vitamina B).
La deficiencia de rivoflavina es bastante rara en los seres humanos. Los síntomas de la deficiencia de rivoflavina, que se asocia con la desnutrición general o con dietas poco equilibradas, son la inflamación de la lengua, lesiones en las comisuras de la boca y dermatitis.
Otros nucleótidos no nucleicos
Existen otros nucelótidos que no forman parte de los ácidos nucleicos y que desempeñan funciones biológicas muy importantes. Cabe destacar el AMPc (AMP cíclico) y la coenzima A.
El AMP cíclico actúa como segundo mensajero
El adenosín monofosfato cíclico (véase Fig. 5) es un nucleótido que actúas como segundo mensajero de diversos procesos biológicos. Se produce a partir del ATP gracias a la acción de la adenilato ciclasa. La concentración del AMPc en una célula es función de la relación entre su velocidad de síntesis a partir del ATP y su velocidad de degradación a AMP.
El AMPc participa en las rutas de transducción de señales en las células, en respuesta a estímulos de diversa naturaleza, como puede ser una hormona (glucagón o adrenalina) o una respuesta de regulación postraduccional. Suele estar relacionado con la activación de proteínas quinasas específicas.
El AMPc es indispensable para la actividad de la proteína quinasa A dependiente de AMPc (PKA), una enzima que fosforila residuos de Ser o Thr de numerosas proteína celulares, incluyendo la fosforilasa quinasa y la glucógeno sintetasa, de gran importancia metabólica.
La coenzima A es un transportador de grupos acilo
La coenzima A (CoA) es una molécula que desempeña un papel central en el metabolismo. Actúa como transportador de acetilo y otros grupos acilo. Los grupos acilo son importantes tanto en el catabolismo (por ejemplo, en la oxidación de los ácidos grasos), como en el anabolismo (la síntesis de los lípidos de membrana). El centro reactivo es el grupo sulfhidrilo terminal d ela CoA (Fig. 5-20). Los grupos acilo se unen a la CoA mediante un enlace tioéster, formándose un derivado denominado acil-CoA, básico para el proceso de activación de los ácidos grasos. La formación de un enlace tioéster en un intermediario metabólico conserva una parte de la energía de oxidación de un combustible metabólico. La energía libre luego puede utilizarse para conducir un proceso exergónico.
Figura 19. FAD y FMN. El FMN consiste en la estructura que se muestra por encima de la línea de trazos del FAD. Los nucleótidos de flavina aceptan dos átomos de hidrógeno (dos electrones y dos protones). Cuando el FAD o el FMN aceptan un solo átomo de hidrógeno, se forma la semiquinona, que es un radical libre estable.
Figura 20. Estructura de la coenzima A. El grupo acilo se une a la CoA a través de un enlace tioéster en la porción β-mercaptoetilamina.
Es momento de volver a tomar apuntes.
Te invitamos a ver el siguiente video y realizar una recapitulación de las investigaciones y los experimentos que durante la historia precedieron al descubrimiento del material genético.
Toma nota de los aspectos más relevantes y correlaciónalos con la información hasta ahora aportada, porque más adelante, utilizaremos esta información para las actividades de aprendizaje.
CONCEPTOS CLAVE
° Los nucleótidos participan en diversas funciones celulares, entre las que se incluyen funciones de transferencia de energía, señales intracelulares, reacciones de biosíntesis y funciones de oxidorreducción. Además, son los constituyentes ácidos nucleicos.
° Los nucleótidos del DNA están formados por una desoxirribosa, un grupo fosfato y una base nitrogenada. El RNA consta de una ribosa, un grupo fosfato y una base nitrogenada.
° Las bases de nucleótidos del DNA son de dos tipos: purinas (adenina y guanina) o pirimidinas (citosina y timina). El RNA contiene la pirimidina uracilo en lugar de timina.
° Los nucleótidos se unen mediante uniones fosfodiéster en una cadena polinucleotídica. Cada cadena de polinucleótidos posee un extremo 5´con un fosfato libre y en extremo 3´con un grupo hidroxilo.
° Numerosos experimentos permitieron determinar que el DNA contiene la información genética. El experimento de Hershey-Chase mostró que el DNA de un virus bacteriano, pero no así su cápsida, contiene el mensaje genético para la replicación del virus en la célula huésped.
° Watson y Crick propusieron un modelo para la estructura tridimensional del DNA en 1953: la molécula está formada por dos cadenas antiparalelas dispuestas en forma de doble hélice dextrógira, con puentes de hidrógeno entre las bases complementarias A=T y G≡C. Los pares de bases se apilan perpendicularmente al eje mayor de la doble hélice, con 10,5 pares de bases y 3,4 nm por vuelta.
° El DNA puede adoptar diferentes formas estructurales en función de las condiciones en que se halle y de su secuencia de bases. El DNA A y el Z son dos variantes de la forma de Watson y Crick, o DNA B.
° La estructura del DNA tiene diversas consecuencias genéticas importantes. La información genética reside en la secuencia de bases del DNA, que finalmente especifica la secuencia de aminoácidos de las proteínas. La complementariedad de las bases en las dos cadenas del DNA permite la replicación de la información genética.
° El dogma central de la biología molecular propone que la información fluye en una sola dirección, del DNA al RNA y a la proteína. Este dogma tiene excepciones claras.
° Los ribosomas son los lugares de síntesis proteica en las células. Cada ribosoma se compone de varias moléculas de rRNA y varias proteínas que forman una subunidad grande y una pequeña.
° El ribosoma procariota tiene un coeficiente de sedimentación de 70S, y está formado por una subunidad menor de 30S y una mayor de 50S. El ribosoma eucariota es 80S, con una subunidad menor de 40S y una mayor de 60S.
° El tRNA se ocupa del transporte de los aminoácidos al ribosoma para la síntesis protéica.
° El RNA mensajero transfiere la información genética del DNA a los ribosomas para la síntesis proteica.
° Existen otras moléculas de RNA que desempeñan funciones específicas, como el hnRNA, el snRNA y el miRNA.
° Las mitocondrias tienen su propio RNA (mtRNA) y son capaces de sintetizar sus propias proteínas.
° El ATP constituye la moneda energética de la célula. La conversión exergónica del ATP a ADP y P, o a AMP y PP está acoplada a muchas reacciones y procesos endergónicos.
° La hidrólisis directa del ATP es la fuente de energía en procesos que son impulsados por cambios de conformación, pero, por norma general, no es la hidrólisis del ATP sino la transferencia de un grupo fosforilo desde el ATP hasta el sustrato de la enzima la que acopla la energía de ruptura del ATP a transformaciones endergónicas de sustratos.
° El valor intermedio del potencial de transferencia de grupos fosforilo del ATP permite que sea una buena moneda energética.
° El NAD⁺ y el NADP⁺ son dos coenzimas de muchas enzimas deshidrogenasas y participan en reacciones redox en el metabolismo. Tanto el NAD⁺ como el NADP⁺ aceptan dos electrones y un protón.
° El FAD y el FMN, los nucleótidos de flavina, son dos grupos prostéticos fuertemente unidos a las flavoproteínas, enzimas que catalizan reacciones de oxidación-reducción. Pueden aceptar tanto uno como dos electrones y uno o dos protones.
° El AMPc actúa como segundo mensajero, participando en rutas de transducción de señales en las células.
° La coenzima A actúa como transportador de acetilo y otros grupos acilo, desempeñando así un papel central en el metabolismo.
ACTIVIDADES DE APRENDIZAJE:
1.- Comprensión de lectura
De acuerdo a los preceptos expuestos en esta unidad, desarrolle los siguientes cuestionamientos y envíe sus respuestas por correo electrónico a: tareasconsejomxneurociencias@gmail.com
COMPRENSIÓN DE LECTURA
1.- ¿Cuáles son las características generales del genoma?
2.- ¿Cuál es la magnitud nuclear de las células eucariotas?
3.- ¿Qué son los cromosomas?
4.- ¿Cuál es la cantidad de cromosomas y ADN que posee la especie humana?
5.-¿Qué son los nucleótidos?
6.- ¿Cuáles son las principales funciones en que intervienen los nucléotidos?
7.- ¿Quiénes propusieron y en que época el modelo para la estructura tridimensional del ADN?
8.- ¿Cuáles son las formas que puede adoptar el ADN?
9.- ¿Qué es el RNA?
10.-¿Qué es el ATP?
11.- ¿Quién propuso y en que época el término "dogma central de la genética molecular’’?
12.- ¿Cuál es la importancia del carbono en el estudio de la biología celular?
13.- ¿Qué fuerzas mantienen la estructura de la doble hélice del ADN?
14.- ¿Cuáles son las principales diferencias entre el ADN y el RNA?
15.- ¿Cuáles son las bases de los nucleótidos del ADN?
16.- ¿En qué consistió el experimento de Griffith?
17.- ¿Cuáles fueron las aportaciones de Oswald Avery, Colin Macleod y Maclyn McCarty en el estudio de la genética?
18.- ¿En qué consistió el proyecto del genoma humano?
19.- ¿En qué consiste la hidrólisis directa del ATP?
20.- ¿Qué estudios permitieron el comienzo de la investigación bioquímica del ADN?
2.- Interacción con compañeros
Interactúe con sus compañeros y comparta en el siguiente recuadro ¿Porque considera importante el estudio de la biología celular y cual es su vinculación con la psicología?
3.- Mapa conceptual
Elabore de forma creativa, utilizando los elementos que mejor considere, un mapa conceptual, cuadro sinóptico, lluvia de ideas etc respecto a la función e importancia del ADN y comparta su actividad en el foro de discusión.
IMPORTANTE:
Es muy importante tomar en consideración que los plazos para la entrega de actividades, aparecerán a un costado del botón que permite el acceso a esta unidad situado en el menú de este diplomado.
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