Ácidos nucleicos

Los ácidos nucleicos son biopolímeros, macromoléculas, esenciales para todas las formas de vida conocidas. Están compuestos por nucleótidos, que son los monómeros formados por tres componentes: 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 el derivado de la ribosa desoxirribosa, el polímero es el ADN.

Los ácidos nucleicos son compuestos químicos naturales que sirven como las principales moléculas portadoras de información en las células y constituyen el material genético. Los ácidos nucleicos se encuentran en abundancia en todos los seres vivos, donde crean, codifican y luego almacenan información de cada célula viva de cada forma de vida en la Tierra. A su vez, funcionan para transmitir y expresar esa información dentro y fuera del núcleo celular a las operaciones internas de la célula y, en última instancia, a la próxima generación de cada organismo vivo. La información codificada está contenida y se transmite a través de la secuencia de ácido nucleico, que proporciona la ordenación de los nucleótidos en forma de escalera dentro de las moléculas de ARN y ADN. Desempeñan un papel especialmente importante en la dirección de la síntesis de proteínas.

Las cadenas de nucleótidos se unen para formar estructuras helicoidales (normalmente, una para el ARN y dos para el ADN) y se ensamblan en cadenas de pares de bases seleccionadas de las cinco nucleobases primarias o canónicas, que son: adenina, citosina, guanina, timina, y uracilo. La timina ocurre solo en el ADN y el uracilo solo en el ARN. Usando aminoácidos y el proceso conocido como síntesis de proteínas, la secuenciación específica en el ADN de estos pares de nucleobases permite almacenar y transmitir instrucciones codificadas como genes. En el ARN, la secuenciación de pares de bases permite fabricar nuevas proteínas que determinan los marcos y las partes y la mayoría de los procesos químicos de todas las formas de vida.

Historia

• El ácido nucleico fue descubierto por primera vez por Friedrich Miescher en 1869 en la Universidad de Tübingen, Alemania. Le dio su primer nombre como nucleína.
• A principios de la década de 1880, Albrecht Kossel purificó aún más la sustancia y descubrió sus propiedades altamente ácidas. Más tarde también identificó las nucleobases.
• En 1889, Richard Altmann crea el término ácido nucleico; en ese momento, el ADN y el ARN no se diferenciaban.
• En 1938, Astbury y Bell publicaron el primer patrón de difracción de rayos X del ADN.
• En 1944 el experimento de Avery-MacLeod-McCarty demostró que el ADN es el portador de la información genética.
• En 1953, Watson y Crick propusieron la estructura de doble hélice del ADN.

Los estudios experimentales de los ácidos nucleicos constituyen una parte importante de la investigación biológica y médica moderna, y forman la base para la ciencia genómica y forense, y las industrias biotecnológica y farmacéutica.

Ocurrencia y nomenclatura

El término ácido nucleico es el nombre general de ADN y ARN, miembros de una familia de biopolímeros, y es sinónimo 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). Aunque se descubrió 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 las bacterias, las arqueas, las mitocondrias, los cloroplastos y los virus (existe un debate sobre si los virus están vivos o no). Todas las células vivas contienen ADN y ARN (excepto algunas células, como los glóbulos rojos maduros), mientras que los virus contienen ADN o ARN, pero por lo general no ambos. 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. Los ácidos nucleicos también se generan en el laboratorio, mediante el uso de enzimas (ADN y ARN polimerasas) y mediante síntesis química en fase sólida. Los métodos químicos también permiten generar ácidos nucleicos alterados que no se encuentran en la naturaleza, por ejemplo, ácidos nucleicos peptídicos.

Composición y tamaño molecular

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

En la mayoría de los casos, las moléculas de ADN naturales son de doble cadena y las moléculas de ARN son de cadena sencilla. Sin embargo, existen numerosas excepciones: algunos virus tienen genomas hechos de ARN de doble cadena y otros virus tienen genomas de ADN de cadena simple y, en algunas circunstancias, se pueden formar estructuras de ácido nucleico con tres o cuatro cadenas.

Los ácidos nucleicos son polímeros lineales (cadenas) de nucleótidos. Cada nucleótido consta de tres componentes: una base nitrogenada de purina o pirimidina (a veces denominada base nitrogenada o simplemente base ), una pentosa de azúcar y un grupo fosfato que hace que la molécula sea ácida. La subestructura que consta de una nucleobase más azúcar se denomina nucleósido. Los tipos de ácidos nucleicos difieren en la estructura del azúcar en sus nucleótidos: el ADN contiene 2'-desoxirribosa mientras que el ARN contiene ribosa (donde la única diferencia es la presencia de un grupo hidroxilo). Además, las bases nitrogenadas que se encuentran en los dos 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.

Los azúcares y fosfatos en los ácidos nucleicos están conectados entre sí en una cadena alterna (esqueleto de azúcar-fosfato) a través de enlaces fosfodiéster. En la nomenclatura convencional, los carbonos a los que se unen los grupos fosfato son los carbonos de los extremos 3' y 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 anillo de nitrógeno de nucleobase (N-1 para pirimidinas y N-9 para purinas) y el carbono 1' del anillo de azúcar de 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 la transcripción de ARN primaria (inicial). Las moléculas de ARN de transferencia (ARNt) contienen una cantidad particularmente grande de nucleósidos modificados.

Topología

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

Las moléculas de ácido nucleico generalmente no están ramificadas y pueden presentarse como moléculas lineales y circulares. Por ejemplo, los cromosomas bacterianos, los plásmidos, el ADN mitocondrial y el ADN del cloroplasto suelen ser moléculas circulares de ADN de doble cadena, mientras que los cromosomas del núcleo eucariótico suelen ser moléculas lineales de ADN de doble cadena. La mayoría de las moléculas de ARN son moléculas lineales de cadena sencilla, pero tanto las moléculas circulares como las ramificadas pueden resultar de reacciones de corte y empalme de ARN. 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 unos 20 Å.

Secuencias

Una molécula de ADN o ARN difiere de otra principalmente en la secuencia de nucleótidos. Las secuencias de nucleótidos son de gran importancia en biología ya que llevan las últimas instrucciones que codifican todas las moléculas biológicas, ensamblajes moleculares, estructuras celulares y subcelulares, órganos y organismos, y permiten directamente la cognición, la memoria y el comportamiento. Se han realizado enormes esfuerzos en el desarrollo de métodos experimentales para determinar la secuencia de nucleótidos de moléculas biológicas de ADN y ARN,y hoy en día, cientos de millones de nucleótidos se secuencian diariamente en centros de genoma y laboratorios más pequeños en todo el mundo. Además de mantener la base de datos de secuencias de ácidos nucleicos de GenBank, el Centro Nacional de Información Biotecnológica (NCBI, https://www.ncbi.nlm.nih.gov) proporciona recursos de análisis y recuperación para los datos en GenBank y otros datos biológicos disponibles. a través del sitio web del NCBI.

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. Los segmentos de ADN que llevan esta información genética se denominan genes. Asimismo, otras secuencias de ADN tienen fines estructurales o están involucradas en la regulación del uso de esta información genética. Junto con el ARN y las proteínas, el ADN es una de las tres principales macromoléculas esenciales para todas las formas de vida conocidas. El ADN consta de dos polímeros largos de unidades simples llamadas nucleótidos, con columnas compuestas de azúcares y grupos fosfato unidos por enlaces éster. Estos dos hilos corren en direcciones opuestas entre sí y, por lo tanto, son antiparalelos. Unido a cada azúcar hay uno de los cuatro tipos de moléculas llamadas nucleobases (informalmente, bases). Es la secuencia de estas cuatro nucleobases a lo largo de la columna vertebral la que codifica la información. Esta información se lee utilizando el código genético, que especifica la secuencia de los aminoácidos dentro de las proteínas. El código se lee copiando tramos de ADN en el ARN de ácido nucleico relacionado en un proceso llamado transcripción. Dentro de las células, el ADN está organizado en estructuras largas 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 su ADN en orgánulos, como las mitocondrias o los cloroplastos. Por el contrario, los procariotas (bacterias y arqueas) almacenan su ADN solo 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) funciona al convertir la información genética de los genes en las secuencias de aminoácidos de las proteínas. Los tres tipos universales de ARN incluyen ARN de transferencia (ARNt), ARN mensajero (ARNm) y ARN ribosomal (ARNr). El ARN mensajero actúa para transportar información de secuencias genéticas entre el ADN y los ribosomas, dirigiendo la síntesis de proteínas y transportando instrucciones desde el ADN en el núcleo hasta los ribosomas. El ARN ribosomal lee la secuencia de ADN y cataliza la formación de enlaces peptídicos. El ARN de transferencia sirve como molécula portadora de aminoácidos que se utilizarán en la síntesis de proteínas y es responsable de decodificar el ARNm. Además, ahora se conocen muchas otras clases de ARN.

ácido nucleico artificial

Los análogos de ácidos nucleicos artificiales han sido diseñados y sintetizados por químicos e incluyen ácido nucleico peptídico, ácido nucleico morfolino y bloqueado, ácido nucleico de glicol y ácido nucleico de treosa. Cada uno de estos se distingue del ADN o ARN natural por cambios en la columna vertebral de las moléculas.