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Ácido nucleico

Ácidos nucleicos: ARN (izquierda) y ADN (derecha). Los ácidos nucleicos son biomoléculas de gran tamaño cruciales para todas las células y virus . [ 1 ] Están compuestos por nuc...

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Ácidos nucleicos: ARN (izquierda) y ADN (derecha).

Los ácidos nucleicos son biomoléculas de gran tamaño cruciales para todas las células y virus . [ 1 ] Están compuestos por nucleótidos , que son los componentes monoméricos : un azúcar de 5 carbonos , un grupo fosfato y una base nitrogenada . Las dos clases principales de ácidos nucleicos son el ácido desoxirribonucleico (ADN) y el ácido ribonucleico (ARN). Si el azúcar es ribosa , el polímero es ARN; si el azúcar es desoxirribosa , una variante de la ribosa, el polímero es ADN.

Los ácidos nucleicos son compuestos químicos presentes en la naturaleza. Transportan información en las células y constituyen el material genético. Estos ácidos son muy comunes en todos los seres vivos, donde crean, codifican y almacenan información en cada célula de cada forma de vida en la Tierra. A su vez, envían y expresan esa información dentro y fuera del núcleo celular . Desde el funcionamiento interno de la célula hasta las crías de un ser vivo, contienen y proporcionan información a través de la secuencia de ácidos nucleicos . Esto confiere al ARN y al ADN su inconfundible orden de nucleótidos en forma de "escalera" dentro de sus moléculas. Ambos desempeñan un papel crucial en la dirección de la síntesis de proteínas .

Las cadenas de nucleótidos se unen para formar esqueletos en espiral y se ensamblan en cadenas de bases o pares de bases seleccionados de las cinco nucleobases primarias o canónicas . El ARN generalmente forma una cadena de bases individuales, mientras que el ADN forma una cadena de pares de bases. Las bases que se encuentran en el ARN y el ADN son: adenina , citosina , guanina , timina y uracilo . La timina se encuentra solo en el ADN y el uracilo solo en el ARN. Mediante aminoácidos y síntesis de proteínas , [ 2 ] la secuencia específica en el ADN de estos pares de nucleobases ayuda a mantener y transmitir instrucciones codificadas como genes . En el ARN, la secuenciación de pares de bases ayuda a crear nuevas proteínas que determinan la mayoría de los procesos químicos de todas las formas de vida.

Historia

El científico suizo Friedrich Miescher descubrió la "nucleína" en 1868. Posteriormente, planteó la idea de que podría estar involucrada en la herencia . [ 3 ]

El ácido nucleico fue descubierto, en parte, por primera vez por Friedrich Miescher en 1869 en la Universidad de Tubinga , Alemania. Descubrió una nueva sustancia, a la que llamó nucleína y que, según cómo se interpreten sus resultados en detalle, puede considerarse en términos modernos como un complejo de ácido nucleico- histona o como el propio ácido nucleico. Phoebus Levene determinó la estructura básica de los ácidos nucleicos. [ 4 ] [ 5 ] [ 6 ] A principios de la década de 1880, Albrecht Kossel purificó aún más la sustancia del ácido nucleico y descubrió sus propiedades altamente ácidas. Posteriormente, también identificó las nucleobases . En 1889, Richard Altmann creó el término ácido nucleico; en ese momento, el ADN y el ARN no se diferenciaban. [ 7 ] En 1938, Astbury y Bell publicaron el primer patrón de difracción de rayos X del ADN. [ 8 ]

En 1944, el experimento de Avery-MacLeod-McCarty demostró que el ADN es el portador de la información genética y en 1953 Watson y Crick propusieron la estructura de doble hélice del ADN . [ 9 ]

Los estudios experimentales de ácidos nucleicos constituyen una parte importante de la investigación biológica y médica moderna , y forman la base de la ciencia genómica y forense , así como de las industrias biotecnológica y farmacéutica . [ 10 ] [ 11 ] [ 12 ]

Ocurrencia y nomenclatura

El término ácido nucleico es el nombre general para el ADN y el ARN, miembros de una familia de biopolímeros , [ 13 ] y es un tipo de polinucleótido . Los ácidos nucleicos recibieron su nombre por su descubrimiento inicial dentro del núcleo y por la presencia de grupos fosfato (relacionados con el ácido fosfórico). [ 14 ] Aunque se descubrieron por primera vez dentro del núcleo de las células eucariotas , ahora se sabe que los ácidos nucleicos se encuentran en todas las formas de vida, incluidas bacterias , arqueas , mitocondrias , cloroplastos y virus (existe debate sobre si los virus son seres vivos o no vivos ). Todas las células vivas contienen tanto ADN como ARN (excepto algunas células como los glóbulos rojos maduros), mientras que los virus contienen ADN o ARN, pero generalmente no ambos. [ 15 ] El componente básico de los ácidos nucleicos biológicos es el nucleótido , cada uno de los cuales contiene un azúcar pentosa ( ribosa o desoxirribosa ), un grupo fosfato y una nucleobase . [ 16 ] Los ácidos nucleicos también se generan en el laboratorio, mediante el uso de enzimas [ 17 ] (ADN y ARN polimerasas) y por síntesis química en fase sólida .

Composición molecular y tamaño

Los ácidos nucleicos son generalmente moléculas muy grandes. De hecho, las moléculas de ADN son probablemente las moléculas individuales más grandes conocidas. Las moléculas de ácido nucleico biológicas bien estudiadas varían en tamaño desde 21 nucleótidos ( ARN de interferencia pequeño ) hasta cromosomas grandes ( el cromosoma 1 humano es una sola molécula que contiene 247 millones de pares de bases [ 18 ] ).

En la mayoría de los casos, las moléculas de ADN que se encuentran en la naturaleza son de doble cadena y las de ARN son de cadena simple. [ 19 ] Sin embargo, existen numerosas excepciones: algunos virus tienen genomas de ARN de doble cadena y otros tienen genomas de ADN de cadena simple , [ 20 ] y, en algunas circunstancias, pueden formarse estructuras de ácidos nucleicos con tres o cuatro cadenas. [ 21 ]

Los ácidos nucleicos son polímeros lineales (cadenas) de nucleótidos. Cada nucleótido consta de tres componentes: una nucleobase purínica o pirimídica (a veces denominada base nitrogenada o simplemente base ), un azúcar pentosa y un grupo fosfato que le confiere acidez a la molécula. La subestructura formada por una nucleobase y un azúcar se denomina nucleósido . Los tipos de ácidos nucleicos difieren en la estructura del azúcar de sus nucleótidos: el ADN contiene 2'- desoxirribosa, mientras que el ARN contiene ribosa (la única diferencia radica en la presencia de un grupo hidroxilo ). Asimismo, las nucleobases presentes en ambos tipos de ácidos nucleicos son diferentes: la adenina , la citosina y la guanina se encuentran tanto en el ARN como en el ADN, mientras que la timina se encuentra en el ADN y el uracilo en el ARN. [ 22 ]

Los azúcares y fosfatos en los ácidos nucleicos están conectados entre sí en una cadena alternada (esqueleto de azúcar-fosfato) a través de enlaces fosfodiéster . [ 23 ] En la nomenclatura convencional , los carbonos a los que se unen los grupos fosfato son los carbonos del extremo 3' y del extremo 5' del azúcar. Esto da direccionalidad a los ácidos nucleicos , y los extremos de las moléculas de ácido nucleico se denominan extremo 5' y extremo 3'. Las nucleobases se unen a los azúcares a través de un enlace N -glucosídico que involucra un nitrógeno del anillo de la nucleobase ( N -1 para las pirimidinas y N -9 para las purinas) y el carbono 1' del anillo de azúcar pentosa.

Los nucleósidos no estándar también se encuentran tanto en el ARN como en el ADN y generalmente surgen de la modificación de los nucleósidos estándar dentro de la molécula de ADN o del transcrito de ARN primario (inicial). Las moléculas de ARN de transferencia (ARNt) contienen una cantidad particularmente grande de nucleósidos modificados. [ 24 ]

Topología

Los ácidos nucleicos de doble cadena están formados por secuencias complementarias, en las que el extenso apareamiento de bases de Watson-Crick da como resultado una estructura tridimensional de doble hélice de ácido nucleico altamente repetida y bastante uniforme. [ 25 ] En contraste, las moléculas de ARN y ADN de cadena simple no están restringidas a una doble hélice regular y pueden adoptar estructuras tridimensionales muy complejas que se basan en tramos cortos de secuencias de apareamiento de bases intramoleculares que incluyen tanto pares de bases de Watson-Crick como no canónicos, y una amplia gama de interacciones terciarias complejas. [ 26 ]

Las moléculas de ácido nucleico suelen ser no ramificadas y pueden presentarse como moléculas lineales y circulares. Por ejemplo, los cromosomas bacterianos, los plásmidos , el ADN mitocondrial y el ADN de los cloroplastos suelen ser moléculas de ADN circular de doble cadena, mientras que los cromosomas del núcleo eucariota suelen ser moléculas de ADN lineal de doble cadena. [ 15 ] La mayoría de las moléculas de ARN son moléculas lineales de cadena simple, pero tanto las moléculas circulares como las ramificadas pueden resultar de las reacciones de empalme del ARN . [ 27 ] La cantidad total de pirimidinas en una molécula de ADN de doble cadena es igual a la cantidad total de purinas. El diámetro de la hélice es de aproximadamente 20 Å .

Secuencias

Una molécula de ADN o ARN se diferencia de otra principalmente en la secuencia de nucleótidos . Las secuencias de nucleótidos son de gran importancia en biología, ya que contienen las instrucciones fundamentales que codifican todas las moléculas biológicas, los ensamblajes moleculares, las estructuras subcelulares y celulares, los órganos y los organismos, y permiten directamente la cognición, la memoria y el comportamiento. Se han realizado enormes esfuerzos para desarrollar métodos experimentales que permitan determinar la secuencia de nucleótidos de las moléculas biológicas de ADN y ARN, [ 28 ] [ 29 ] y hoy en día se secuencian cientos de millones de nucleótidos diariamente en centros genómicos y laboratorios más pequeños de todo el mundo. Además de mantener la base de datos de secuencias de ácidos nucleicos GenBank, el Centro Nacional de Información Biotecnológica (NCBI) proporciona recursos de análisis y recuperación para los datos de GenBank y otros datos biológicos disponibles a través del sitio web del NCBI. [ 30 ]

Tipos

ácido desoxirribonucleico

El ácido desoxirribonucleico (ADN) es un ácido nucleico que contiene las instrucciones genéticas utilizadas en el desarrollo y funcionamiento de todos los organismos vivos conocidos. El ADN químico se descubrió en 1869, pero su papel en la herencia genética no se demostró hasta 1943. Los segmentos de ADN que portan esta información genética se denominan genes. Otras secuencias de ADN tienen funciones estructurales o participan en la regulación del uso de esta información genética. Junto con el ARN y las proteínas, el ADN es una de las tres macromoléculas principales esenciales para todas las formas de vida conocidas. El ADN consta de dos largos polímeros de unidades monoméricas llamadas nucleótidos, con cadenas principales formadas por azúcares y grupos fosfato unidos por enlaces éster. Estas dos cadenas están orientadas en direcciones opuestas entre sí y, por lo tanto, son antiparalelas . A cada azúcar se une uno de los cuatro tipos de moléculas llamadas nucleobases (informalmente, bases). Es la secuencia de estas cuatro nucleobases a lo largo de la cadena principal la que codifica la información genética. Esta información especifica la secuencia de aminoácidos dentro de las proteínas según el código genético . El código genético se lee mediante la copia de fragmentos de ADN en el ARN, el ácido nucleico correspondiente, en un proceso llamado transcripción. Dentro de las células, el ADN se organiza en largas secuencias llamadas cromosomas. Durante la división celular, estos cromosomas se duplican en el proceso de replicación del ADN, proporcionando a cada célula su propio conjunto completo de cromosomas. Los organismos eucariotas (animales, plantas, hongos y protistas) almacenan la mayor parte de su ADN dentro del núcleo celular y parte de él en orgánulos, como las mitocondrias o los cloroplastos. En cambio, los procariotas (bacterias y arqueas) almacenan su ADN únicamente en el citoplasma. Dentro de los cromosomas, las proteínas de la cromatina, como las histonas, compactan y organizan el ADN. Estas estructuras compactas guían las interacciones entre el ADN y otras proteínas, ayudando a controlar qué partes del ADN se transcriben.

ácido ribonucleico

El ácido ribonucleico (ARN) se encarga de convertir la información genética de los genes en las secuencias de aminoácidos de las proteínas. Los tres tipos universales de ARN son el ARN de transferencia (ARNt), el ARN mensajero (ARNm) y el ARN ribosómico (ARNr). El ARN mensajero transporta la información genética entre el ADN y los ribosomas, dirigiendo la síntesis de proteínas y llevando las instrucciones del ADN en el núcleo al ribosoma. El ARN ribosómico lee la secuencia de ADN y cataliza la formación del enlace peptídico. El ARN de transferencia actúa como molécula transportadora de aminoácidos para la síntesis de proteínas y es responsable de la decodificación del ARNm. Además, se conocen muchas otras clases de ARN .

ácido nucleico artificial

Se han diseñado y sintetizado análogos artificiales de ácidos nucleicos. [ 31 ] Estos incluyen ácido nucleico peptídico , ácido nucleico morfolino y bloqueado , ácido nucleico glicolítico y ácido nucleico treosa . Cada uno de ellos se distingue del ADN o ARN natural por cambios en la estructura principal de las moléculas. [ 32 ]

Véase también

Referencias

  1. ↑ "Ácido nucleico" . Genome.gov . Consultado el 1 de enero de 2022 .
  2. ↑ "¿Qué es el ADN?" . ¿Qué es el ADN ? Linda Clarks. Archivado del original el 10 de octubre de 2009. Consultado el 6 de agosto de 2016 .
  3. ↑ Bill Bryson , Una breve historia de casi todo , Broadway Books, 2015, pág. 500.
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  5. ↑ Dahm R (enero de 2008). " Descubriendo el ADN: Friedrich Miescher y los primeros años de la investigación de los ácidos nucleicos". Human Genetics . 122 (6): 565– 581. doi : 10.1007/s00439-007-0433-0 . PMID 17901982. S2CID 915930 .  (Nota: La página 575 menciona la inclusión o no inclusión de proteínas (histonas) en el concepto de nucleína).
  6. ↑ Edlbacher, S. (2020). Kurzgefasstes Lehrbuch der psychologischen Chemie (en alemán). De Gruyter. pag. 85.ISBN​  978-3-11-146382-7. Consultado el 24 de junio de 2024 .(Nota: El texto original data de 1940)
  7. ↑ "BIOdotEDU" . www.brooklyn.cuny.edu . Consultado el 1 de enero de 2022 .
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Bibliografía

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Lecturas adicionales

  • Palou-Mir J, Barceló-Oliver M, Sigel RK (2017). "Capítulo 12. El papel del plomo(II) en los ácidos nucleicos". En Astrid S, Helmut S, Sigel RK (eds.). Plomo: sus efectos en el medio ambiente y la salud . Iones metálicos en ciencias de la vida. Vol.  17. de Gruyter. pp. 403–434 . doi : 10.1515/9783110434330-012 . PMID 28731305 .  
  • Entrevista con Aaron Klug, Premio Nobel por la elucidación estructural de complejos de proteínas y ácidos nucleicos de importancia biológica, proporcionada por Vega Science Trust.
  • Revista de investigación sobre ácidos nucleicos
  • Libro sobre ácidos nucleicos (libro gratuito en línea sobre la química y la biología de los ácidos nucleicos)
  • Visualización de la secuencia de nucleótidos