Ácidos Nucleicos: Concepto, Clasificación y Función

Los ácidos nucleicos son biomoléculas orgánicas formadas por carbono, hidrógeno, oxígeno, nitrógeno y fósforo. Son macromoléculas de alto peso molecular compuestas por unidades básicas llamadas nucleótidos unidos mediante enlaces fosfodiéster.

El ADN (ácido desoxirribonucleico) puede ser lineal o circular, y presentarse como monocatenario (una hebra) o bicatenario (dos hebras). Se encuentra principalmente en el núcleo de células eucariotas y en bacterias, mitocondrias y cloroplastos. Su función principal es almacenar y transmitir la información genética, dirigiendo el proceso de síntesis de proteínas.

El ARN (ácido ribonucleico) es generalmente monocatenario y puede ser lineal o circular. Existen diferentes tipos: ARN mensajero (ARNm), ARN transferente (ARNt), ARN ribosómico (ARNr) y ARN nucleolar (ARNn). Su función es ejecutar las órdenes contenidas en el ADN para la síntesis de proteínas.

💡 ¡Dato interesante! Mientras el ADN almacena la información genética como un "libro de instrucciones", el ARN actúa como el "mensajero" que lleva esas instrucciones a la "fábrica" donde se producen las proteínas.

Los nucleótidos están formados por tres componentes: una pentosa (ribosa en ARN o desoxirribosa en ADN), ácido fosfórico y bases nitrogenadas. Las pentosas son azúcares de cinco carbonos que difieren en que la desoxirribosa tiene un hidrógeno en lugar de un grupo hidroxilo $-OH$ en el carbono 2.

Bases Nitrogenadas y Estructura de Nucleótidos

Las bases nitrogenadas son compuestos heterocíclicos de carbono y nitrógeno que se dividen en dos tipos:

• Bases púricas: Adenina (A) y Guanina (G)
• Bases pirimidínicas: Citosina (C), Timina (T) y Uracilo (U)

La unión entre una pentosa y una base nitrogenada forma un nucleósido. Esta unión ocurre mediante un enlace N-glucosídico entre el carbono 1 de la pentosa y el nitrógeno 9 (si la base es púrica) o 1 (si es pirimidínica). Los nucleósidos se nombran según la base, terminando en "-osina" si es púrica o "-idina" si es pirimidínica.

Cuando un nucleósido se une a un ácido fosfórico mediante un enlace fosfodiéster entre el grupo -OH del carbono 5 de la pentosa y el ácido fosfórico, se forma un nucleótido. Estos se nombran como "ácido" seguido del nombre de la base terminado en "-ílico" (ej.: ácido adenílico).

🔍 ¡Importante! El ADN contiene las bases A, G, C y T, mientras que el ARN contiene A, G, C y U (uracilo en lugar de timina).

Los nucleótidos no solo forman parte de los ácidos nucleicos, sino que también cumplen otras funciones biológicas importantes. Los fosfatos de adenosina (AMP, ADP y ATP) actúan como intermediarios en reacciones metabólicas donde se libera o consume energía. El ATP funciona como la principal "moneda energética" celular, liberando energía cuando se hidroliza a ADP.

Nucleótidos Especiales y Polinucleótidos

Algunos nucleótidos desempeñan funciones especializadas en la célula:

• ATP $Adenosín-trifosfato$: Principal transportador de energía celular. Cuando se rompe un enlace entre sus grupos fosfato, libera energía que puede usarse en reacciones metabólicas.

• AMPcíclico: Actúa como mediador hormonal y controla la velocidad de muchas reacciones intracelulares.

• Nucleótidos piridínicos (NAD, NADP): Funcionan como coenzimas en reacciones de oxidación-reducción.

• Nucleótidos flavínicos (FMN, FAD): También participan en reacciones de oxidación-reducción como coenzimas.

💡 ¿Sabías que? El ATP es tan esencial que un humano adulto produce y consume aproximadamente su propio peso en ATP cada día, reciclando constantemente estas moléculas.

Los polinucleótidos son cadenas de nucleótidos unidos mediante enlaces fosfodiéster. Estos enlaces se forman entre el grupo hidroxilo $-OH$ del carbono 3' de la pentosa de un nucleótido y el grupo fosfato unido al carbono 5' del siguiente nucleótido.

La estructura básica de un polinucleótido muestra un esqueleto alternante de fosfato-pentosa del que sobresalen las bases nitrogenadas. El ADN es un polinucleótido compuesto por desoxirribonucleótidos de A, G, C y T, mientras que el ARN está formado por ribonucleótidos de A, G, C y U.

Estructura del ADN

El ADN presenta varios niveles estructurales que permiten almacenar y proteger la información genética:

La estructura primaria es simplemente la secuencia de nucleótidos en una cadena de ADN. Esta secuencia contiene la información necesaria para la síntesis de proteínas y es única para cada especie.

La estructura secundaria es la famosa doble hélice descubierta por Watson y Crick en 1953, basada en los datos de Chargaff y los estudios de rayos X de Wilkins y Franklin. En esta estructura:

• Las bases nitrogenadas siempre siguen el principio de equivalencia: $A$ = $T$ y $C$ = $G$
• Dos cadenas de polinucleótidos se enrollan formando una doble hélice
• Las cadenas son antiparalelas (orientadas en sentidos opuestos)
• Las bases nitrogenadas se enfrentan hacia el interior, unidas por puentes de hidrógeno:
  • A=T mediante 2 puentes de hidrógeno
  • C≡G mediante 3 puentes de hidrógeno

🧬 ¡Fascinante! La doble hélice da una vuelta cada 34 Å, con 10 pares de nucleótidos por vuelta, y su diámetro constante es de 20 Å. Si estiráramos todo el ADN de una sola célula humana, ¡mediría casi 2 metros!

El modelo más común es el B-ADN (hélice dextrógira), aunque existen otras formas como el Z-ADN (levógira) y el A-ADN (dextrógira con 12 nucleótidos por vuelta).

Niveles Superiores de Estructura del ADN

La estructura terciaria (primer nivel de empaquetamiento) es la asociación del ADN con proteínas, formando la cromatina en células eucariotas. Existen dos modelos:

1. Modelo de collar de perlas: El ADN se enrolla alrededor de octámeros de histonas formando nucleosomas. Cada nucleosoma contiene 146 pares de bases de ADN y está conectado con el siguiente mediante un fragmento de ADN espaciador. Cuando se asocian con la histona H1, forman cromatosomas y constituyen la fibra de cromatina condensada de 100 Å.

2. Estructura cristalina: Resulta de la asociación del ADN con protaminas, proteínas básicas que empacan el ADN más densamente. Esta estructura aparece en el núcleo de los espermatozoides.

La estructura cuaternaria (segundo nivel de empaquetamiento) forma la fibra de cromatina de 300 Å. Según la hipótesis del solenoide, la fibra de 100 Å se enrolla helicoidalmente con 6 nucleosomas por vuelta y las histonas H1 formando el eje de la hélice.

🔍 ¡Increíble! Para caber en el núcleo celular, el ADN debe reducir su longitud aproximadamente 10,000 veces mediante diversos niveles de empaquetamiento.

Los niveles superiores de empaquetamiento incluyen la formación de bucles (tercer nivel), que se organizan en rosetas y rodillos (cuarto nivel). El quinto nivel corresponde al cromosoma completo, formado por la sucesión de rodillos. Esta organización permite que 2 metros de ADN se compriman en un núcleo de apenas unas micras de diámetro.

Propiedades del ADN y Estructura del ARN

El ADN presenta importantes propiedades que permiten su funcionamiento:

• Estabilidad: En condiciones normales, la molécula de ADN es muy estable gracias a sus puentes de hidrógeno y su estructura de doble hélice.

• Desnaturalización: Cuando se somete a temperaturas superiores a 100°C o cambios extremos de pH, los puentes de hidrógeno se rompen y las cadenas se separan. Los enlaces fosfato-pentosa-base permanecen intactos.

• Renaturalización: Si se restablecen las condiciones normales, el ADN puede recuperar su estructura original, reencontrándose las bases complementarias.

• Hibridación: Si se desnaturaliza una mezcla de ADN de distintas especies, en la renaturalización pueden aparecer formas híbridas con cadenas de diferentes orígenes.

🧪 ¡Aplicación práctica! La hibridación del ADN se utiliza en técnicas de laboratorio para identificar genes específicos y detectar enfermedades genéticas.

El ARN es un polinucleótido formado por ribonucleótidos de A, G, C y U (nunca T). A diferencia del ADN, es generalmente monocatenario. Sus nucleótidos se unen siempre en dirección 5'→3', aunque puede presentar zonas de doble hélice por plegamiento sobre sí mismo.

Existen dos procesos fundamentales relacionados con los ácidos nucleicos:

• Transcripción: Formación de ARN a partir del ADN
• Traducción: Formación de proteínas según la información del ARN mensajero

Tipos de ARN

Existen varios tipos de ARN con funciones específicas:

ARN mensajero (ARNm): Es una molécula corta y lineal de hasta 5000 nucleótidos, con vida relativamente corta. Se forma a partir del ARN heterogéneo nuclear (ARNhn) mediante un proceso de maduración que elimina segmentos sin información (intrones), dejando solo los segmentos con información (exones). El ARNm maduro presenta una caperuza en su inicio que sirve como señal para comenzar la síntesis proteica, y una cola de poli A al final que estabiliza la molécula. Su función es transportar la información genética desde el ADN hasta los ribosomas para dirigir la síntesis de proteínas.

ARN transferente (ARNt): Son moléculas pequeñas con forma de "hoja de trébol" que tienen cuatro brazos, tres de ellos con bucles (brazos D, T y Anticodón). El cuarto es un brazo aceptor que termina en el triplete CCA, por donde se une a un aminoácido específico. Su función es captar aminoácidos en el citoplasma y transportarlos hasta los ribosomas para la síntesis proteica.

🔬 ¡Curiosidad! Existen aproximadamente 50 tipos diferentes de ARNt, cada uno especializado en transportar un aminoácido específico según su anticodón.

ARN ribosómico (ARNr): Es el tipo más abundante y se asocia con proteínas para formar los ribosomas. En células eucariotas, los ribosomas son 80S, formados por una subunidad 40S (que contiene ARNr 18S) y una subunidad 60S (con ARNr 28S, 5.8S y 5S). Su función es formar los ribosomas, que son las estructuras donde se realiza la síntesis de proteínas.

ARN nucleolar (ARNn): Se forma en el núcleo a partir de segmentos específicos del ADN llamados organizadores nucleolares. Se asocia con proteínas para formar el nucleolo y luego se fragmenta para dar origen a los diferentes tipos de ARNr.

Diferencias entre ADN y ARN

El ADN y el ARN, aunque similares en su composición básica, presentan diferencias estructurales significativas:

📝 ¡Recuerda! La principal diferencia funcional es que el ADN almacena la información genética a largo plazo, mientras que el ARN la transporta y ejecuta temporalmente.

Para trabajar con ácidos nucleicos, debes recordar algunos principios clave:

1. Las bases nitrogenadas siguen reglas de complementariedad: A se empareja con T (en ADN) o U (en ARN), y C siempre con G.

2. Si conoces la secuencia de una cadena de ADN, puedes deducir la secuencia de la cadena complementaria.

3. Durante la transcripción, la secuencia de ARN será complementaria a una de las cadenas del ADN (la cadena molde), pero con U en lugar de T.

4. El ADN se replica para transmitir información genética, mientras que el ARN se transcribe a partir del ADN y puede traducirse para formar proteínas.

Ácidos Nucleicos en Acción

Los ácidos nucleicos participan en procesos celulares fundamentales que permiten el funcionamiento y la reproducción de todos los organismos vivos:

Replicación del ADN: Es el proceso por el cual el ADN se duplica, generando dos moléculas idénticas a la original. Las dos cadenas de la doble hélice se separan y cada una sirve como molde para sintetizar una nueva cadena complementaria, siguiendo el principio de complementariedad $A=T, C=G$.

Transcripción: Es la síntesis de ARN a partir de ADN. Una enzima llamada ARN polimerasa recorre una de las cadenas del ADN (la cadena molde) y va añadiendo ribonucleótidos complementarios para formar una cadena de ARN. En este proceso, A se empareja con U (no con T como en el ADN).

Traducción: Es la síntesis de proteínas según la información contenida en el ARNm. Ocurre en los ribosomas, donde el ARNm se "lee" en grupos de tres nucleótidos (codones) que especifican qué aminoácido debe incorporarse a la proteína en formación. Los ARNt reconocen los codones mediante sus anticodones y aportan los aminoácidos correspondientes.

🧬 ¡Asombroso! Un solo gen puede contener la información para sintetizar miles de aminoácidos, formando proteínas que determinarán desde el color de tus ojos hasta cómo responde tu cuerpo a las enfermedades.

Para entender estos procesos, recuerda que:

• DNA → replicación → DNA + DNA
• DNA → transcripción → RNA
• RNA → traducción → proteína

Es importante recordar que estos procesos están altamente regulados y son fundamentales para la vida. Cualquier error en la replicación puede provocar mutaciones que, dependiendo de dónde ocurran, pueden ser inofensivas, causar enfermedades o incluso impulsar la evolución.

Aplicaciones y Análisis de Ácidos Nucleicos

El conocimiento sobre los ácidos nucleicos ha permitido desarrollar numerosas técnicas y aplicaciones:

Análisis de secuencias de ADN: Conociendo que $A$ = $T$ y $C$ = $G$, podemos calcular la composición de un fragmento de ADN. Por ejemplo, si el 20% de las bases es adenina, sabemos que otro 20% será timina, y el 60% restante se repartirá equitativamente entre citosina y guanina (30% cada una).

Hibridación de ácidos nucleicos: Esta técnica permite unir cadenas complementarias de diferentes orígenes. Es la base de métodos como la PCR (reacción en cadena de la polimerasa), los microarrays y las técnicas de diagnóstico molecular.

Reconstrucción de secuencias: Gracias a la complementariedad de bases, si tenemos una cadena de ADN incompleta, podemos deducir la secuencia faltante. Sin embargo, esto no es tan sencillo con el ARN monocatenario, donde necesitaríamos información adicional.

🧪 ¡Aplicación real! Las técnicas de secuenciación de ADN han revolucionado la medicina, permitiendo identificar mutaciones causantes de enfermedades y desarrollar tratamientos personalizados.

Los enlaces que encontramos en los ácidos nucleicos son:

• Enlaces N-glucosídicos entre la pentosa y la base nitrogenada
• Enlaces fosfodiéster entre el grupo fosfato y dos pentosas consecutivas
• Puentes de hidrógeno entre bases complementarias (solo en estructuras de doble cadena)

Las diferencias entre nucleósido, nucleótido y ácido nucleico son:

• Nucleósido: Base nitrogenada + pentosa
• Nucleótido: Nucleósido + grupo fosfato
• Ácido nucleico: Polímero de nucleótidos unidos por enlaces fosfodiéster

Los ácidos nucleicos están presentes en prácticamente todos los aspectos de la biología moderna, desde la investigación básica hasta las aplicaciones médicas y forenses.