domingo, 15 de diciembre de 2013

Caracterizando biomoléculas: estructura primaria de ADN y ARN

(Nota postedición: esta entrada ha sido actualizada y ampliada a partir de una entrada más antigua, pero su contenido sigue estando simplificado y puede volver a sufrir modificaciones en el futuro).


Estructura de un nucleótido: una pen-
tosa (ribosa o desoxirribosa) unida en
C1 a una base nitrogenada y en C5 a
un grupo fosfato.
ADN y ARN conforman juntos un grupo de moléculas de los seres vivos: los ácidos nucleicos. Los ácidos nucleicos están formados por subunidades, llamadas nucleótidos, que se forman a partir de un azúcar (ribosa en el caso del ARN y desoxirribosa en el caso del ADN) al que se une un grupo fosfato (que reacciona muy bien) y una de las cuatro bases nitrogenadas que hay para escoger (adenina, timina, guanina y citosina en el ADN; adenina, uracilo, guanina y citosina en el ARN).



Bases nitrogenadas típicas de los ácidos nucleicos. Modificaciones químicas como transaminaciones
o metilaciones permiten pasar de unas purinas/pirimidinas a otras o servir como mecanismo de protección
frente a enzimas degradadoras de ácidos nucleicos (ver fenómenos de restricción).
Los azúcares (pentosas) se unen formando cadenas, precisamente porque el grupo fosfato es muy reactivo y se enlaza por enlace fosfodiéster a un grupo hidroxilo de la pentosa siguiente. Lo que quedan son fibras de azúcar con las bases nitrogenadas hacia afuera. La molécula de ADN se compone de dos de esas fibras, y el ARN normalmente sólo de una.

En el ADN, las bases de una cadena se unen por puentes de hidrógeno a las que tienen enfrente, pero no lo hacen de cualquier manera: son como piezas complementarias de puzzle, de tal forma que la adenina sólo casa bien con la timina, y la guanosina con la citosina (regla del apareamiento de bases de Chargaff).


También es interesante hacer notar que las fibras de nucleótidos tienen dos extremos: el 3' y el 5', y cuando se aparean en el ADN, una de las fibras crece en el sentido contrario a la otra, es decir, que un extremo 3' estará enfrentado a un extremo 5' y viceversa. 3' y 5' hacen referencia a los carbonos de los extremos que quedan sin enlazarse por fosfodiéster. Esto es importante a la hora de que el ADN vuelque su información en una fibra de ARNm, ya que las polimerasas sólo pueden trabajar bien leyendo de 5' a 3' (añade nucleótidos al extremo 3-OH')

Las bases nitrogenadas son la clave, pues la forma en que se ordenan (su secuencia) es la base del código genético (o de los códigos...). Y cada conjunto de bases que codifica una proteína en concreto se denomina gen, que es lo que estudia la genética. El dogma central de la biología describe cómo fluye la información genética de los genes del ADN a las proteínas, ya que los dos hablan idiomas distintos: uno usa el de los nucleótidos, el de los pares de bases, y el otro, el de los aminoácidos; necesitan un traductor de ese mensaje, y ese es el ARN.
 
El ADN no se encuentra como una hebra elemental con su secuencia de bases (lo que sería su estructura primaria). Tampoco está en el núcleo/nucleoide celular como una doble hélice, sino que se encuentra asociado a proteínas para adquirir nuevas dimensiones de su estructura que permitan que quepa en un espacio tan reducido (ver cromatina y cromosomas).

En cuanto al ARN, hay muchos tipos. Los que se estudian a nivel elemental son el ARN mensajero, el ARN transferente y el ARN ribosómico (hay unos pocos más pero no nos importan ahora), los tres con misiones distintas pero constituidos, a fin de cuentas, por la misma cadena de ribosas unidas por enlace fosfodiéster y con sus bases nitrogenadas por enlace N-glucosídico.
  • El ARNm es una fibra construida a partir de una de las cadenas del ADN, que se abre, con ayuda de la acción enzimática, por la región donde se encuentra la secuencia de bases que codifica para la proteína deseada. Es creado a partir de la adición de nucleótidos que hace la enzima ARN-polimerasa, que recorre la cadena de ADN y va colocando nucleótidos con bases complementarias a las que lee en la cadena, recordando que en vez de usar timina cuando se encuentra con una base de adenina pone uracilo. Este proceso se denomina transcripción (pues porque suena muy poético compararlo con el trabajo de un escriba que copia un mensaje), y da como resultado una fibra de ARNm que contiene como quien dice los "negativos" de la información genética, que se revelarán en el citosol (no sé cuántos entienden la metáfora ya que ahora todo el mundo utiliza cámaras digitales en vez de carrete, pero bueno).
  • El ARNt es una molécula de ARN, larga pero plegada, de tal manera que extendido tiene forma de trebol de tres hojas, aunque en realidad los brazos se muestran plegados, presentando una estructura acodada que recibe el nombre de "estructura en boomerang". Es el encargado de transportar un aminoácido (remember: un monómero de péptido/proteína) a través del citosol. Hay veinte aminoácidos que codifican para proteínas, luego una molécula de ARNt puede llevar cualquiera de esos veinte. Aún es pronto para decir cómo interviene en la construcción de proteínas, pero la pista es que los aminoácidos que cuelgan de los extremos tienen que unirse.
  • El ARNr es el más abundante en la célula, y se encuentra formando los ribosomas, unos pequeñitos orgánulos formados por dos subunidades, una más grande que la otra. Cuando se ensamblan, funcionan como una máquina de montar proteínas.
Tenemos ARN mensajero que ha sido construido a partir de una hebra molde de ADN y que porta el mensaje en negativo para una determinada proteína, ARNts que llevan en su extremo aminoácidos (cada molécula porta uno solo, aunque hay más de una molécula de ARNt que lleva el mismo aminoácido, claro) y ARNr que se asocia con proteínas y forma las estructuras ribosomales, que sabemos que construyen proteínas.
 
Sin embargo, hay más formas de ARN que no participan directamente en la síntesis de proteínas. En realidad, la mayor parte de los ARN que existen (no en cuanto a cantidad, sino en cuanto a tipo) son ARN reguladores. Son poco conocidos pero sus funciones son clave en la expresión génica. Podríamos hacer una primera clasificación en ARN de interferencia, ARN antisentido y ARN largo no codificante.
  • Los ARN de interferencia se llaman así porque anulan la expresión de genes específicos mediante ribointerferencia, mecanismo posible debido a secuencias complementarias. Los ARNi son moléculas pequeñas que frecuentemente se unen a un ARNm en algún punto en el que presentan complementariedad de bases y, de forma habitual, lo marcan para su destrucción (eliminando, por ejemplo, la caperuza de poliA de su extremo 5'). Los ARNi se clasifican en microARN, ARN interferente pequeño y ARN asociado a Piwi.
 

  • Los ARN antisentido consisten en una hebra complementaria (no codificante) de una hebra ARNm (codificante). Esta complementariedad hace que se apareen y se forme una molécula de ARN de doble cadena que no puede traducirse y es degradada enzimáticamente. Generalmente, esto bloquea la expresión de un determinado gen.
El descubrimiento, además, de ARN con propiedades catalíticas (los ribozimas y el espliceosoma) han llevado a creer que las primeras moléculas informativas de nuestro mundo biológico fueron moléculas primitivas de ARN (hipótesis del mundo de ARN). Piénsalo, el ARN está en todas partes: es en el que copia el mensaje genético, el que ensambla las proteínas, es el que transporta los aminoácidos, es clave en la regulación de la expresión de los genes, existe con propiedades catalíticas y de autocorte y empalme,  e incluso conforma el material genético de algunos virus. El ADN es mucho más estable (no sólo porque carece del radical -OH en el C2, lo que lo hace menos reactivo, sino porque sus bases están más protegidas de la alteración en comparación con el ARN). Es posible, entonces, que la selección natural favoreciera su conservación hasta tal punto que es la forma que tienen todas las células conocidas de guardar su información, pero pudo haber derivado de la molécula de ARN que, a día de hoy, sólo nos da sorpresas.
 
Esperamos que encuentres interesante esta entrada.
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