U6. Acidos nucleicos

103

5Ácidos nucleicos

«La doble hélice es una estructuraelegante, pero su mensaje es abso-lutamente prosaico: la vida es senci-llamente una cuestión de química.Crick y yo comprendimos rápida-mente el significado intelectual denuestro descubrimiento, pero enmodo alguno podíamos haber pre-visto el impacto explosivo de la do-ble hélice en la ciencia y la sociedad.Las encantadoras curvas de la molé-cula contenían la clave de la biologíamolecular, una nueva ciencia que enel curso de estos últimos cincuentaaños ha progresado de un modosorprendente… El ADN ya no es so-lo un asunto que interese a los cien-tíficos de bata blanca en oscuros la-boratorios universitarios; nos afectaa todos».

JAMES D. WATSON. ADN: el secreto de la vida.

Ed. Taurus.

1. Ácidos nucleicos.2. Ácido desoxirribonucleico (ADN).3. Otros niveles de complejidad

del ADN.4. Ácido ribonucleico (ARN).5. Funciones biológicas de los ácidos

nucleicos.

Unidad 05 2.°BAC:Unidad 05 31/3/09 15:29 Página 103

1. Ácidos nucleicosLos ácidos nucleicos son moléculas fibrilares gigantes, no ramificadas, que de -sempeñan funciones biológicas de trascendental importancia en todos los seresvivos. Contienen información genética, es decir, la información codificada quepermite a los organismos desarrollar sus ciclos biológicos, desde su nacimiento asu muerte, y no solamente cuentan con el mensaje genético (los genes), sinotambién con las instrucciones precisas para su lectura, como veremos en las uni-dades 12 y 13.

Los ácidos nucleicos son biopolímeros formados por otras subunidadesestructurales más pequeñas o monómeros, denominadas nucleótidos.

104 I. La base molecular de la vida

Ribonucleósido de adenina, que sede nomina adenosina.

Pentosa Grupo fosfato

ß-D-Ribosa (Ri) ß-D-Desoxirribosa (dRi)

Bases púricas

Adenina (A) Guanina (G)

Bases Pirimidínicas

Timina (T) Citosina (C) Uracilo (U)

Los nucleótidos, a diferencia de los aminoáci-dos, que constituyen cada uno una moléculasencilla, son ya ellos mismos moléculas comple-jas que resultan de la combinación de tres com-ponentes:

» Una molécula de ácido fosfórico (en forma degru po fosfato).

» Un azúcar (pentosa). Se encuentra en la formacíclica y puede ser:

› La �-D-ribosa (en los ribonucleótidos compo-nentes de los ácidos ribonucleicos o ARN).

› La �-D-desoxirribosa (en los desoxirribonu-cleótidos que constituyen las moléculas de losácidos desoxirribonucleicos o ADN).

» Una base nitrogenada (se denomina base por-que su presencia aumenta el pH en una disolu-ción). Tiene una estructura en forma de anillo quecontiene átomos de carbono y de nitrógeno. Lasbases nitrogenadas pueden ser de dos tipos:

› Púricas (derivadas de la purina), presentanuna estructura formada por un doble anillo:son la adenina (A) y la guanina (G).

› Pirimidínicas (derivadas de la pirimidina), pre-sentan una estructura con un solo anillo: sonla citosina (C), la timina (T) y el uracilo (U).

1.1 Nucleósidos

Se domina nucleósido a la molécula que resulta de la unión entre la pento-sa (ribosa o desoxirribosa) y una base nitrogenada (púrica o pirimidínica).

De las cinco bases, solo intervienen cuatro de ellas en los dos tipos de nucleósidos:

» Los ribonucleósidos contienen A, G, C y U unidas a la ribosa.

» Los desoxirribonucleósidos contienen A, G, C y T unidas a la desoxirribosa.

El enlace entre la pentosa y la base nitrogenada es de tipo N–glucosídico y seestablece, con pérdida de una molécula de agua, entre el —OH hemiacetálicodel C1 de la pentosa (ribosa o desoxirribosa) y el hidrógeno del N1 , si se trata deuna base pirimidínica, o del N9 , si es una base púrica (para evitar confusiones, losátomos de la base nitrogenada se numeran con la serie 1, 2, 3, 4..., mientras quelos átomos de la pentosa lo hacen con la serie 1’, 2’, 3’, 4’ ,5’).

Enlace N-glucosídico


1.2 Nucleótidos

Se denomina nucleótido a la molécula que resulta de la unión mediante unenlace éster de una molécula de ácido fosfórico (en forma de grupo fosfato)con el —OH de carbono 5’ de la pentosa de un nucleósido, de manera queel nucleótido es el nucleósido fosforilado en posición 5’.

■ Tipos de nucleótidos y funciones que desempeñanAlgunos nucleótidos se presentan libres en la naturaleza y forman parte de otrasmoléculas que no son ácidos nucleicos, como por ejemplo, moléculas portado-ras de energía, moléculas señalizadoras o coenzimas; otros se encuentran poli-merizados y forman ácidos nucleicos. En todos los casos, el grupo fosfato de losnucleótidos-5’-monofosfato puede unirse a otros grupos y dar lugar a las siguien-tes combinaciones de gran interés biológico:

» Forma enlaces «ricos en energía» con otros grupos fosfato para dar lugar a losnucleótidos difosfato y trifosfato, como el ADP y el ATP, capaces de transpor-tar la energía almacenada en sus enlaces, que son fácilmente hidrolizables (verpágina 187).

» Establece un segundo enlace éster con el —OH en posición 3’, lo que originaun puente intramolecular y da lugar al AMP cíclico (AMPc), que es una molé-cula señalizadora que actúa de segundo mensajero entre las moléculas extra-celulares portadoras de información (neurotransmisores, hormonas, prosta-glandinas, etc.) y el interior de la célula (ver página 279).

» Si se une al grupo fosfato de otro mononucleótido o de otra sustancia, dalugar a los nucleótidos no nucleicos que actúan de coenzimas. Por ejemplo, lacoenzima A, el FAD (flavín adenín dinucleótido) y el NAD+ (nicotín adeníndinucleótido) (ver página 185).

» Por último, forma otro enlace éster con el —OH en posición 3’ de otro nucleó -tido; que a su vez puede incorporar otro nucleótido, y así sucesivamente hastaoriginar cadenas de polinucleótidos constitutivas de los ácidos nucleicos. Sonestas formaciones las que se van a considerar a continuación con más deteni-miento.

1. Indica si son verdaderas o falsas las siguientes frases:

a) El ARN posee ribonucleótidos de timina.

b) Todos los nucleótidos son componentes de los ácidos nucleicos.

c) La adenosina es un ribonucleósido de adenina.

1055. Ácidos nucleicos

Ribonucleótido de adenina que sedenomina adenosina-5’-monofosfato(AMP).

ATP: adenosina-5’-trifosfato.

AMP cíclico (AMPc).

Nomenclatura y clases de nucleósidos y de nucleótidos

Bases Ribonucleósidos Ribonucleótidos Desoxirribonucleósidos Desoxirribonucleótidos(constituyentes del ARN) (constituyentes del ADN)

Adenina (A) Adenosina Adenosina-5’-monofosfato Desoxiadenosina Desoxiadenosina-5’-monofosfato(AMP) (dAMP)

Guanina (G) Guanosina Guanosina-5’-monofosfato Desoxiguanosina Desoxiguanosina-5’-monofosfato(GMP) (dGMP)

Citosina (C) Citidina Citidina-5’-monofosfato Desoxicitidina Desoxicitidina-5’-monofosfato(CMP) (dCMP)

Uracilo (U) Uridina Uridina-5’-monofosfato(UMP)

Timina (T) Desoxitimidina Desoxitimidina-5’-monofosfato(dTMP)

Enlace N-glucosídico

Enlace éster

Enlaces éster «ricos»en energía

Puenteintramolecular

Grupo fosfato


2. Ácido desoxirribonucleico (ADN)

Las moléculas de ácido desoxirribonucleico (ADN) son biopolímeros linea-les formados por la polimerización de desoxirribonucleótidos-5’-monofosfa-to de adenina (A), guanina (G), citosina (C) y timina (T).

En el medio acuoso celular, los largos filamentos de ADN adoptan —igual quelas proteínas— una estructura tridimensional o, lo que es lo mismo, una confor-mación espacial. Pero no es tan compleja como la desarrollada por las proteínas,ya que no llega a formar estructuras terciarias y cuaternarias que sean compara-bles, y tan solo manifiesta estructura primaria y secundaria. Aunque, como vere-mos más adelante, cuando el ADN se asocia a determinadas proteínas para suempaquetamiento puede alcanzar niveles de gran complejidad estructural.

2.1 Estructura primaria del ADN

La estructura pri maria del ADN consiste en la formación de largas cadenasde polinucleótidos por unión de desoxirribonucleótidos–5’–monofosfato.

En el ADN se encadenan los nucleótidos mediante enlaces éster: el grupo fosfa-to que se encuentra en posición 5’ de un nucleótido esterifica al grupo —OHsituado en posición 3’ del nucleótido siguiente; de esta forma se va alargando lacadena por el encadenamiento de nucleótidos en las posiciones 5’ → 3’ → 5’ →3’..., donde cada molécula del grupo fosfato forma un puente fosfodiéster entredos moléculas de desoxirribosa. En un polinucleótido se pueden diferenciar dospartes:

El esqueleto de polidesoxirribosa-fosfato (... dRi-P–dRi-P–dRi-P–...), que escomún para todas las clases de ADN. En cada cadena aparece un extremo 5’,que posee un grupo fosfato libre unido al carbono 5’ del nucleótido, y un extre-mo 3’, que posee el —OH (alcohol) en posición 3’ del nucleótido también libre.

Las diferentes bases, A, G, C y T, alineadas a lo largo de este esqueleto, queconstituyen el elemento característico y diferenciador entre las distintas clases deADN. Aparece aquí, al igual que en las proteínas, la noción de secuencia. Senombran indicando los extremos y la secuencia de bases, como por ejemplo:5´...ATTACGCGGCCTCGGCTTTAAA... 3´

Cada molécula de ADN se caracteriza por la composición o porcentaje decada una de sus bases y por la secuencia, es decir, el orden de distribuciónde los cuatro tipos de bases (A, G, C, T) a lo largo del esqueleto de polide-soxirribosa fosfato y es en la naturaleza misma de esta secuencia donde resi-de la información necesaria para la síntesis de las proteínas.

2.2 Estructura secundaria del ADN

La estructura secundaria del ADN es una doble hélice formada por doscadenas de polinucleótidos enfrentadas por sus bases y unidas entre símediante puentes de hidrógeno.

La estructura resultante se asemeja a una escalera de mano, cuyos pasamanoscorresponden a los esqueletos de polidesoxirribosa–fosfato y los peldaños sonlos pares de bases enfrentadas entre sí. En realidad, el conjunto se pliega sobresí mismo obligado por los puentes de hidrógeno establecidos entre diferentesregiones de la molécula, hasta adoptar la conformación más estable, que es ladoble hélice.


Estructura primaria del ADN. En cadapolidesoxirribonucleótido se diferen-cia el esqueleto de polidesoxirribosafosfato y las distintas bases alineadasen este esqueleto y dispuestas segúnuna secuencia característica.

Adenina

Citosina

Timina

Guanina

Extremo 3’

Extremo 5’

Puentefosfodiéster

Esqueleto depolidesoxirribosafosfato


■ Modelo de doble hélice ADN-BEl modelo de la estructura secundaria del ADN en forma dedoble hélice dextrógira (ADN-B), propuesto por Watson yCrick, pone de manifiesto que la estructura de la molécula deADN presenta las siguientes características:

» Las cadenas polinucleotídicas son antiparalelas, es decir,una se encuentra en dirección opuesta a la otra: si una pre-senta la dirección 5’ ➝ 3’, la otra posee la dirección 3’ ➝ 5’.Esto es así con el fin de que ambas cadenas queden enfren-tadas por sus bases y puedan unirse mediante puentes dehidrógeno.

» Las secuencias de bases son complementarias, pues existeuna correspondencia entre las bases de ambas cadenas, detal forma que la adenina solo puede estar frente a la timina(y viceversa) y la guanina frente a la citosina (y viceversa). Lacorrespondencia entre las bases es la causa de que las doscadenas de ADN posean secuencias complementarias.

Las bases púricas, que son más grandes, se encuentranenfrentadas a las bases pirimidínicas, más pequeñas, y launión se realiza por puentes de hidrógeno entre los grupospolares de las bases: dos puentes de hidrógeno en los paresA = T y tres en los pares G � C. Por tanto, el enlace G � Ces más fuerte que el A = T; de ahí que la cadena de ADNque posea mayor número de pares G � C será más estableal efecto de la temperatura y más resistente a la desnatura-lización (ver página siguiente).

» El enrollamiento entre las dos hebras de la doble hélice esdextrógiro y de tipo plectonémico, como si estuvieran tren-zadas. En este modelo de doble hélice ADN-B los pares debases están casi horizontales (inclinación cero) y el eje losatraviesa prácticamente por su centro.

1. ¿Qué características definen la estructura primaria delADN?

2. Una cadena de ADN tiene la secuencia y orientaciónsiguientes: 5’...AGGCTGCTTAATTGCCGTA...3’. Escri-be la secuencia y orientación de su cadena comple-mentaria.

3. Indicar cuál de estas secuencias es incorrecta para unADN.

a) ... A T T C G G T C C A T C G ...

b) ... G C T A A A C G T A A A ...

... C G A T T T G C A T T T ...

c) ... A G G T C U T T C G G A A ...

... T C C A G A A A G C C T T ...


Estructura secundaria del ADN:A) Disposición antiparalela de las dos cadenas de ADN en la estructura se-cundaria.B) Apareamiento entre bases complementarias mediante puentes de hidró-geno: las bases púricas A, G se aparean con las pirimidínicas, T, C, respecti-vamente.C) Plegamiento plectonémico de la doble hélice del ADN en el modelo deWatson y Crick, también llamado forma B: los pares de bases están casi hori-zontales y el eje los atraviesa prácticamente por su centro.

A

B

C

Eje central

Pares de baseshorizontales

Esqueletos depolidesoxirribosafosfato


2.3 Desnaturalización del ADNLa desnaturalización del ADN se produce cuando el incremento de temperatura,la variación del pH o de las condiciones iónicas del medio rompen los puentes dehidrógeno entre las bases y se separan las dos cadenas del ADN sin que se veanafectados los enlaces covalentes fosfodiéster de los esqueletos de polidesoxirri-bosa-fosfato.

La desnaturalización del ADN provocada por el incremento de la temperatura sedenomina fusión. Cuando la temperatura alcanza determinado valor, llamadopunto de fusión del ADN (Tm, del inglés melting temperature), la agitación térmi-ca es capaz de separar las dos hebras: el punto de fusión es la temperatura a lacual se encuentran desnaturalizadas la mitad de las moléculas de ADN.

La desnaturalización del ADN es un proceso reversible, ya que una disolución deADN calentado ligeramente por encima de su punto de fusión y desnaturalizado,cuando se enfría y se mantiene en esta temperatura durante el tiempo suficien-te, es capaz de recuperar su forma inicial de doble hélice (renaturalización). Laúnica condición para que dos cadenas recuperen la estructura de doble hélice esque sean complementarias o, al menos, que posean tramos con secuencias com-plementarias suficientemente largos. Variaciones bruscas de pH también provo-can desnaturalización del ADN, que se renaturaliza cuando los valores de pH sesitúan dentro de los parámetros biológicos.

La reversibilidad de la desnaturalización ha dado lugar en los últimos años auna importante aplicación conocida como hibridación, que constituye unade las técnicas fundamentales en la tecnología de ADN recombinante(como la reacción de la polimerasa en cadena o PCR), fundamento de laingeniería genética o biotecnología (ver unidad 15).

La hibridación de hélices bicatenarias no naturales de ADN-ADN y ADN-ARN,entre otras aplicaciones, permite reconocer el grado de relación genética oparentesco entre dos ADN y aplicarlo al estudio de las relaciones filogenéticasentre las especies; también se ha revelado de gran interés en biotecnología parala elaboración de sondas, que son fragmentos de ADN monocatenarios, desecuencia conocida, que permiten la detección de fragmentos de ADN que soncomplementarios.


La hibridación del ADN

Las hebras de ADN desnaturali-zadas, pertenecientes a indivi-duos diferentes (de la misma ode distinta especie) pueden re-naturalizarse y formar dúplex hí-bridos al aparear secuenciascomplementarias.

OBSERVA

El contenido o porcentaje GC (gua-nina y citosina) es una característicadel genoma de un organismo o decualquier fragmento de ADN o ARNy se utiliza a veces para clasificarorganismos en taxonomía.

En la siguiente gráfica se representala relación existente entre la varia-ción del punto de fusión del ADN yel contenido GC de distintos geno-mas: 1) Staphylococcus aureus; 2)Timo de becerro; 3) Escherichia coli;4) Brucella abortus; 5) Streptomycesgriseus.

¿A qué crees que se debe el incre-mento del punto de fusión del ADNconforme aumenta su porcentaje deGC? ¿Por qué el contenido GC tien-de a ser mayor en las arqueobacte-rias hipertermófilas que soportantemperaturas de casi 100 ºC?

RAZONA

Desnaturalización y renaturalizacióndel ADN.

Ren

atur

aliz

ació

n

Des

natu

raliz

ació

nDoble hélice de ADN

ADN parcialmentedesnaturalizado

ADN desnaturalizado

Calentamiento

Enfriamiento

Calentamiento

ADN1desnaturalizado

ADN2desnaturalizado

Enfriamiento

2

1

100

95

90

85

8030 45

% G+C

Tm (°C)

60 75

3

4

5

Doblehélicehíbrida

Doblehélice

de ADN1

Doblehélice

de ADN2

Enfriamiento



El descubrimiento de la doble hélice del ADN

En 1869, el químico J. F. Miescher descubrió que en el núcleo celularexistía una sustancia que denominó nucleína, a la que más tarde sedio el nombre de ácido desoxirribonucleico. La existencia de un altogrado de complejidad en el ADN se puso de manifiesto en la décadade los años cincuenta del pasado siglo, a partir de la hipótesis deErwin Chargaff, quien, tras analizar numerosas muestras de ADN pro-cedentes de células de distintas especies animales, demostró que,salvo en muy raras excepciones, todos los ADN poseen igual númerode moléculas de timina y adenina, y tantas de citosina como de gua-nina.

Este hecho se puede representar mediante las llamadas reglas deChargaff: A = T y G = C, o bien, A/T = 1 y G/C = 1; sin embargo, A+T� G+C, y es precisamente el valor de la relación A+T/G+C lo que dis-tingue los ADN de especies diferentes, siendo los valores tanto másparecidos cuanto más emparentadas filogenéticamente estén lasespecies entre sí.

Por aquellos años, Linus Pauling era científico del Caltech, en EE.UU,y gozaba de excelente reputación entre sus colegas, pues a él sedebía el modelo de hélice-� propuesto para la estructura secundariade las proteínas. Pero no gozaba de tan buena reputación entre deter-minados miembros de su gobierno, ya que su ideología pacifista aprincipios de los años 50 del pasado siglo —cuando la «caza de bru-jas» se encontraba en pleno auge— fue considerada subversiva y sele negó el pasaporte para acudir a Inglaterra, donde se celebrabanreuniones sobre las últimas investigaciones llevadas a cabo por Rosa-lind Franklin y Maurice Wilkins, científicos ingleses del King’s College,sobre difracción por rayos X. Estas indicaban que la molécula de ADNera fibrosa y presentaba una estructura helicoidal.

La misoginia reinante en los ambientes académicos a lo largo de lahistoria ha dificultado la actividad científica de muchas mujeres comoRosalind Franklin (por ser mujer se le negaba el acceso al club de lacafetería, organizado solo para los profesores varones). Ignorada einfravalorada, mantenía una difícil relación personal y profesional consu jefe, M. Wilkins. Pero era una excelente experimentadora y habíademostrado su habilidad para obtener las mejores imágenes del ADNmediante difracción por rayos X.

Wilkins mostró sin su permiso la imagen de difracción de rayos X delADN (conocida hoy como la famosa fotografía 51) a dos jóvenes cien-tíficos, James Watson y Francis Crick. Con esta información en supoder y sin llevar a cabo ninguna experimentación formal, al cabo deun mes lograron armar un modelo teórico para la estructura del ADN:el modelo de la doble hélice del ADN, que fue publicado en 1953 enla revista Nature, en un artículo de no más de dos páginas. En aque-lla época se consideró una propuesta revolucionaria y marcó el iniciodel espectacular avance registrado en la biología molecular en lasdécadas posteriores.

Tal vez, como más tarde comentó Watson, si Pauling hubiera podidoviajar hasta Inglaterra y hubiera podido ver las fotografías de difrac-ción por rayos X, «a más tardar en una semana, Linus tendría la estruc-tura». Pauling, demostrando gran categoría, felicitó a los dos jóvenesinvestigadores por su ingeniosa solución del enigma de la doble héli-ce del ADN. El modelo de la doble hélice del ADN propuesto porWatson y Crick en 1953 explicaba satisfactoriamente los resultados delos experimentos de Chargaff, Franklin y Wilkins, al tiempo quedemostraban la estructura que adoptaban las fibras de ADN en elespacio.

En 1962, Watson, Crick y Wilkins, recibieron el premio Nobel de Fisio-logía y Medicina. Rosalind Franklin no figuró entre los premiados,pues para entonces, en 1958, a la edad de 38 años, había muerto decáncer de ovarios, probablemente a causa de las repetidas exposicio-nes a los rayos X durante sus investigaciones (el premio Nobel no seconcede con carácter póstumo y tampoco se comparte entre más detres personas).

CONTEXTO HISTÓRICO Y SOCIAL

Imagen obtenida por difracción de rayos X del ADN,conocida hoy como la fotografía 51.

Modelo espacial compacto de la doble hélice delADN propuesto por Watson y Crick. Con sus bases di-rigidas hacia el interior, se asemeja a una estructura rí-gida destinada a proteger la información genéticaque contiene. Es un modelo capaz de explicar las dosfunciones básicas del material hereditario: obtener ré-plicas que se transmiten a la descendencia, abriéndo-se como una cremallera, y almacenar información co-dificada en un idioma de cuatro letras para la síntesisde proteínas.



Separación de fragmentos de ADN mediante electroforesis en gelde agarosa

La electroforesis permite separar fragmentos de ADN, ARN o proteí-nas según su tamaño y carga eléctrica mediante la aplicación de unacorriente eléctrica continua. Esta técnica se basa en el principio de laemigración de los iones cuando se someten a un campo eléctrico: losiones positivos tienden a emigrar al cátodo y los negativos, al ánodo.Se puede realizar sobre diversos soportes, pero cuando se utilizacomo técnica de separación y análisis de fragmentos de ADN, uno delos soportes que ofrece mejores resultados por su resolución es el gelde agarosa (un heteropolisacárido extraído de las algas rojas). El pro-tocolo experimental es el siguiente:

» Los tubos eppendorf (1) contienen los fragmentos de ADN que sedesean separar, disueltos en una solución tampón: muestra 1 (frag-mentos A y B), muestra 2 (fragmentos C y D) y muestra 3 (fragmen-tos A, E y D)

» Se polimeriza el gel de agarosa: se disuelve el polisacárido en aguafría, luego se calienta y después se deja enfriar. Se utiliza un moldeque permite la formación de una especie de muescas o pocillos ensu parte superior (2) y a continuación se coloca a modo de láminaentre dos placas de vidrio, con las muescas hacia arriba (3), que sesitúa, a su vez, entre las cubeta superior (4) e inferior (5).

» En cada muesca de la parte superior del gel se aplica con unamicropipeta eppendorf una muestra diferente (6). A continuación,se añade a cada muestra una pequeña cantidad de glicerol paraque adquiera mayor densidad y no se mezcle con la solución tam-pón de la cubeta superior. También se le añade un colorante delocalización, como el azul de bromofenol, que se desplaza másrápidamente que el fragmento de ADN más veloz (7). Cuando estecolorante se aproxime al extremo inferior del gel es la señal paradetener la electroforesis.

» Las cubetas superior e inferior contienen una solución de electroli-tos tamponada y en ellas se colocan los electrodos: en la cubetasuperior (4), el cátodo (–) y en la inferior (5), el ánodo (+).

» Entre ellas se hace pasar una corriente continua de unos 100 V (8)durante un tiempo suficiente para que se produzca la separaciónde las diferentes fracciones de ADN de cada muestra, que lo haránen función de su carga neta, y de su tamaño: en conjunto, definenun parámetro que es característico de cada fragmento, denomina-do movilidad electroforética (�). Los grupos fosfato del ADN sue-len estar desprotonados, por lo que adquieren carga neta negati-va y migran hacia el ánodo.

» Al cabo de un tiempo, la mezcla de fragmentos de ADN se haseparado en bandas que se pueden identificar y poner de mani-fiesto si teñimos la lámina de agarosa con colorantes fluorescentes,como el bromuro de etidio, que hace visibles las bandas bajo la luzultravioleta (9).

» Evidentemente, los fragmentos con más carga negativa se move-rán más deprisa hacia el ánodo, pero si son voluminosos verán fre-nado su movimiento, pues el interior del gel de agarosa forma unretículo que se comporta como una criba molecular; por estarazón, los fragmentos más pequeños (A) avanzan más rápido quelos más grandes (B) (10).

» La movilidad electroforética (�) de los distintos fragmentos deADN, medida en mililímetros recorridos por cada fragmento deADN en el gel, es proporcional a sus tamaños, medidos en paresde bases (pb) (11).

EVIDENCIA EXPERIMENTAL

1

26

6

4

10

7

5

9

11

10

3

+

–

8

Muestra 1

A A

B D DE

C

1 2 3

Muestra 2

100 V

Muestra 3

A

Gel deagarosa

Micropipetaeppendorf

B

1 2 3

BC

D D

A

E

32 000

pb

11 000

5 000

2 500

26 500

A


3. Otros niveles de complejidad del ADNTanto en el citoplasma de las células procariotas como en el núcleo de las célu-las eucariotas debe resolverse el mismo problema: cómo almacenar grandes can-tidades de ADN en un volumen reducido y, al mismo tiempo, que la informaciónque contiene resulte accesible.

3.1 Empaquetamiento del ADN en procariotasEl ADN de las bacterias y, en general, de todos los procariotas y también de lasmitocondrias y de los cloroplastos de las células eucariotas es una doble hélicecircular (excepto en algunos grupos bacterianos, que es lineal). En un principiose consideró que el cromosoma estaba desnudo, pero actualmente se sabe queestá asociado a un pequeño número de proteínas que, junto a ciertas moléculasde ARN, desempeñan un papel fundamental en el mantenimiento de su estruc-tura y en el empaquetamiento en la región del nucleoide.

El cromosoma de una bacteria como Escherichia coli cuando está estirado midecasi un milímetro de longitud. Entonces, ¿cómo empaquetar una macromoléculatan larga en el interior de la bacteria, cuyo tamaño oscila entre 0,3 y 10 �m? Lasolución a la que se llega se basa en generar torsiones en la doble hélice circular,que responde a la tensión mediante el superenrollamiento.

El cromosoma bacteriano se pliega como una superhélice en forma deochos y da lugar a una serie de dominios o bucles que le permiten ocuparun espacio mínimo.

Para conseguir el máximo grado de empaquetamiento deben resolverse compli-cados problemas topológicos, para lo cual las células disponen de un equipo detopoenzimas que, como la ADN girasa, participan en el empaquetamiento delADN y en su posterior descondensación durante la transcripción y la replicación.

3.2 Empaquetamiento del ADN en eucariotas:cromatina y cromosomas

En este caso el problema consiste en introducir en cada célula (como, por ejem-plo, una célula humana) más de un metro de ADN en el interior de un núcleocuyo diámetro apenas mide 10 �m. Evidentemente el empaquetamiento debeser aún más compacto, y para ello el ADN se asocia con un tipo particular de pro-teínas, denominadas histonas (el núcleo de los espermatozoides presenta otraclase de proteínas análogas, las protaminas).

La forma compacta que adquiere el ADN unido a las histonas en el núcleo delas células eucariotas se conoce como cromatina, y aunque aparentemente seasemeja a un conjunto de fibras entremezcladas y apelotonadas, en realidadesconde una estructura muy compleja y ordenada, en la que se distinguendiferentes niveles de organización estructural: nucleosoma y «collar de per-las», fibra cromatínica o de 30 nm, dominios estructurales en forma de buclesradiales, rosetón, espiral de rosetones y, por último, cromosoma.

1. Si los fragmentos mayores de ADN tienen más carga negativa, debido a la presencia de los grupos fosfato, ¿porqué se mueven más despacio que los fragmentos más pequeños cuando se desplazan en la electroforesis hacia elánodo a través de un gel de agarosa?

2. ¿Qué estructura adopta el cromosoma de Escherichia coli?

3. ¿Qué niveles de organización estructural adopta el ADN en el núcleo de las células eucariotas?


El superenrollamiento del ADNen el cromosoma bacteriano

El cromosoma circular de E. coliestá empaquetado en la regióndel nucleoide (1). Contiene unos50 dominios de doble hélice deADN superenrollados que se es-tabilizan mediante ARN y un con-junto de proteínas a las que seunen, similares a las histonas (2).El superenrollamiento del ADNcircular en cada dominio (3) es si-milar al que se produce en un ca-ble de teléfono retorcido (4).

OBSERVA

1

2

3

4

FlageloParedcelular

Dominios de ADN

Proteínas y ARN

Enrollado

Superenrollado

CitoplasmaRibosomas


■ Empaquetamiento del ADN en el núcleo interfásico: estructura de la cromatina

» Nucleosoma y «collar de perlas»

Para conseguir el máximo empaquetamiento, la doble hélice de ADN seenrolla periódicamente alrededor de grupos de proteínas del tipo de las his-tonas para formar estructuras que reciben el nombre de nucleosomas yconstituyen la subunidad fundamental de la estructura de la cromatina.

Cada nucleosoma consta de un núcleo compuesto por un octámero de histonasalrededor del cual se enrollan dos vueltas de ADN bicatenario. Los diferentesnucleosomas aparecen unidos por segmentos de ADN bicatenario, lo que con-fiere a este nivel de empaquetamiento el aspecto de un «collar de perlas», sien-do las perlas los nucleosomas y el hilo que las engarza, los segmentos de ADN.

» Fibra de 30 nm (300 Å) o fibra cromatínica

La fibra de 30 nm (300 Å) o fibra cromatínica es una estructura que repre-senta un nivel de plegamiento aún más complejo, caracterizado por el enro-llamiento del «collar de perlas» sobre sí mismo hasta adoptar la forma desolenoides (aproximadamente seis nucleosomas por vuelta de solenoide).

En estas estructuras los segmentos de ADN internucleosómicos interaccionancon moléculas de histonas H1 dispuestas en el núcleo de los solenoides, y elresultado de este enrollamiento solenoidal es la formación de una fibra de cro-matina cuyo diámetro observado con el microscopio electrónico es de 30 nano-metros (300 ángstrom) (ver página 221).


Doble hélicede ADN: 2 nmde diámetro

Nucleosoma:dos vueltas deADN bicatenarioalrededor deloctámero dehistonas: 11 nmde diámetro

Nivel deempaquetamiento de «collar de perlas»

Nivel de empaquetamientode solenoide en la fibracromatínica: 30 nm dediámetro

Nivel deempaquetamiento debucles o lazos radiales

Cromatina

Envolturanuclear

Sección transversal de un solenoide: disposicióndel «collar de perlas»alrededor de las histonas H1

ADN

Histona H1

Octámero de histonasNúcleo interfásico

Núcleo m

itótico

La fibra cromatínica es el nivel de empaquetamiento quepresenta el ADN cuando se encuentra en estado de cro-matina, es decir, cuando se encuentra empaquetado en el

interior del núcleo en interfase. Esen este estado cuando la cé-

lula está activa y sus ge-nes resultan localiza-

bles y accesibles porel aparato enzimáti-co encargado de latranscripción y dela replicación, co-mo veremos en las

unidades 12, 13 y 14.


■ Empaquetamiento del ADN en el núcleo mitótico:estructura del cromosoma

Cuando la célula entra en mitosis (o en meiosis), el ADN se acaba de replicar y lacromatina se organiza y se empaqueta aún más, en forma de enrollamientos deenrollamientos de enrollamientos... (ver página 222).

La fibra de 30 nm se pliega en forma de grandes bucles o lazos radiales, yestos se compactan extraordinariamente y se enrollan para formar sucesiva-mente rosetones de bucles, espirales de rosetones y, por fin, las cromátidasde cada cromosoma. Con esto se logra un grado de compactación unas10 000 veces mayor que la fibra de ADN desnudo.

Los bucles radiales, al parecer, constituyen regiones estables relacionadas con latranscripción, ya que ciertas zonas de estos bucles se descondensan y se convier-ten en zonas activas para la transcripción al final de la interfase y al comienzo de lamitosis o de la meiosis; pero, más tarde, pueden volver a condensarse de nuevo,sus genes quedan inaccesibles y ya no se pueden transcribir (ver unidad 12).

1. Ordena del más sencillo al más complejo los siguientes niveles de empa-quetamiento del ADN en células eucariotas: cromosoma, «collar de per-las», nucleosoma, rosetones de bucles, fibra cromatínica o de 30 nm,bucles o lazos radiales y espirales de rosetones.

2. ¿Qué diferente grado de empaquetamiento alcanza el ADN en el núcleointerfásico y en el núcleo mitótico de una célula eucariota?


Cromosoma metafásicoformado por dos cromátidas:

1 400 nm de diámetro

Espiral de rosetones:700 nm de diámetro.Constituye el nivel deempaquetamiento de

cada una de las doscromátidas del

cromosoma

Nivel de empaquetamientode rosetones de bucles: 300 nm de diámetro

Célula en metafase. El empaquetamiento del ADNen las células eucariotas se encuentra en estado decromosoma en células en mitosis o meiosis.

El ADN no siempre se presentade la misma forma en todos losorganismos; en general puedendistinguirse cuatro clases deADN:

» Lineal unicatenario, seencuentra en algunos virus,como el bacteriófago MS2.

» Lineal bicatenario, se presen-ta en algunos virus bacteriófa-gos (T2, T4, etc.) y en el núcleode las células eucariotas (aso-ciado a cierto tipo de proteí-nas). También constituye elcromosoma de algunas bacte-rias, como Borrelia burgdorfe-ri, causante de la enfermedadde Lyme.

» Circular unicatenario, propiode ciertos virus, como el �-X-174 (1).

» Circular bicatenario, constitu-ye el cromosoma desnudo (1)y los plámidos (2) de la mayo-ría de las bacterias; tambiénaparece en ciertos virus (SV40)y en las mitocondrias y cloro-plastos de las células eucario-tas.

¿LO SABÍAS?

0

600600

1 2001 2001 800

nm

Plásmido

1

1

2


4. Ácido ribonucleico (ARN)

Las moléculas de ARN son también biopolímeros y están formadas por elencadenamiento de ribonucleótidos-5’-monofosfato.

La estructura primaria en todos los tipos de ARN es similar a la del ADN y estáconstituida por las uniones fosfodiéster 5’–3’ de los ribonucleótidos. Quedadefinida, igual que la estructura primaria del ADN, por la naturaleza y la secuen-cia de bases de sus nucleótidos. Las características químicas que diferencian elARN del ADN son las siguientes:

» Los nucleótidos del ARN poseen ribosa, mientras que los del ADN contienendesoxirribosa. Esta característica permite que los grupos —OH en posición 2’de los ribonucleótidos queden libres cuando se encadenan para dar molécu-las de ARN, lo que origina en la estructura primaria tensiones que hacen queel ARN sea químicamente menos estable que el ADN.

Por esta causa el ARN en disolución acuosa se hidroliza con mayor facilidad, ytal vez por ello la información genética se encuentra almacenada en el ADN,que es una molécula más estable y mejor adaptada para guardar informacióndurante largos períodos de tiempo (aunque parece ser que en el comienzo dela vida fueron las moléculas de ARN las encargadas de conservar la informa-ción genética).

» Otra de las diferencias reside en la naturaleza de las bases nitrogenadas,pues si bien tres de ellas, adenina, guanina y citosina, se encuentran enambos ácidos nucleicos, en el ARN en lugar de timina existe uracilo (al igualque la timina, su base complementaria también es la adenina). Además, enciertas clases de ARN, particularmente en el ARN de transferencia (ARNt),se encuentran, aunque en menor proporción, otros componentes nitrogena-dos; entre los más característicos están el pseudouracilo (�), la dimetilguani-na (GdiMe), la hipoxantina (Hi), la metilhipoxantina (HiMe), el dihidrouraci-lo (UH2), la ribotimidina (T), etc.

» Una última característica diferencial consiste en que las moléculas de ARN sue-len tener únicamente estructura primaria, aunque en algunos casos existenciertas regiones en una misma cadena que poseen secuencias complementa-rias capaces de aparearse y formar estructuras secundarias (doble hélice) yterciarias. Solo se ha descrito una estructura en doble hélice de ARN bicate-nario en un tipo de virus denominado reovirus (clase III).

Existen determinados ARN que constituyen el genoma de ciertos virus. OtrosARN manifiestan actividad catalítica, es decir, se comportan como enzimas y sedenominan ribozimas: intervienen en determinados procesos relacionados con lamaduración de las cadenas del ARN y en la catálisis del enlace peptídico en elribosoma (ver página 298).

Recientemente se ha descubierto que diversos tipos de pequeñas moléculas deARN interferente (ARNi), de una longitud entre 21-25 nucleótidos, están implica-das en el control de una amplia variedad de procesos del desarrollo y la diferen-ciación celular. El papel que desempeñan estos ARNi es cada vez más importan-te, ya que realizan diversas tareas relacionadas con el control de la expresióngénica en la célula: en la mayoría de los casos inducen el corte y la posteriordegradación de los ARNm, o bien inhiben la traducción de dichos ARNm. EstosARNi también actúan en la degradación de ARN procedentes de virus y, portanto, en la defensa antiviral (ver página 281).

Como criterio de clasificación de los ARN se adopta la masa molecular media desus cadenas, cuyo valor se deduce del coeficiente de sedimentación (está en fun-ción de la velocidad con que sedimentan las moléculas sometidas a un campocentrífugo). El coeficiente de sedimentación, que es una medida cualitativa de sumasa molecular y de las dimensiones de la molécula, se expresa en unidadesSvedberg (S), nombre del científico sueco que puso a punto las técnicas de cen-trifugación analítica.


Estructura primaria del ARN. Esquele-to de polirribosa-fosfato y secuenciade bases.

La centrifugación analítica en gra-diente de densidad de cloruro de ce-sio permite separar diferentes com-ponentes moleculares en función desu coeficiente de sedimentación ex-presado en unidades Svedberg.

Adenina

Uracilo

Citosina

Guanina

Extremo 3’

Ultracentrífuga

ADN

Proteína

Proteína

� = 1,65

Den

sid

ad

� = 1,80

ADN

ARN

ARN

Extremo 5’

Esqueleto depolirribosa-fosfato

Puente defosfodiéster

⎧⎪⎪⎨⎪⎪⎩


4.1 ARN mensajero (ARNm)

Las moléculas de ARNm son largas cadenas de polinucleótidos de tamañovariable que solo presentan estructura primaria, por lo que tienen aspectofilamentoso. El nombre de «mensajero» hace referencia a la función que des-empeña, ya que cada ARNm contiene la información necesaria para la sínte-sis de una proteína determinada.

Existe una correspondencia lineal entre la secuencia de bases del ARNm y lasecuencia de aminoácidos de la proteína que se forma (ver página 292). Las molé-culas de ARNm presentan características diferentes en procariotas y en eucariotas:

» En los procariotas, como, por ejemplo, las bacterias, los ARNm poseen en elextremo 5’ un grupo trifosfato.

» En los eucariotas, por su parte, la mayoría de los ARNm poseen en el extremo5’ una especie de «caperuza» compuesta por un residuo de metil-guanosinaunida al grupo trifosfato, y en el extremo 3’ presentan una «cola» formada porun fragmento de unos 150 a 200 nucleótidos de adenina denominada «cola»de poli A.

Además, estos ARNm de eucariotas contienen secuencias de bases que codifi-can para la síntesis de proteínas (exones) intercaladas con otras secuencias queno contienen información para la síntesis proteica (intrones); es decir, la informa-ción genética aparece fragmentada, por lo que requieren un proceso de madu-ración antes de convertirse en ARNm funcionales (ver página 276). Una caracte-rística peculiar de los ARNm es su corta vida, pues pueden transcurrir tan solounos pocos minutos desde el momento de su síntesis hasta que son degradados.

4.2 ARN nucleolar (ARNn)

El ARNn es un ARN de elevado peso molecular (45 S), con estructura secun-daria y terciaria en algunas regiones de la molécula, que se sintetiza en elnucleolo de las células eucariotas y, en realidad, no es más que el precursorde diferentes tipos de ARN ribosómico (ARNr).

En efecto, la larga cadena de ARN nucleolar 45 S se rompe en lugares específi-cos y da lugar a diferentes fragmentos de ARNr de las subunidades grande ypequeña del ribosoma.

4.3 ARN ribosómico (ARNr)

Los ARNr son moléculas de diferentes tamaños, con estructuras secundariay terciaria en algunas regiones de la molécula, que participan en la forma-ción de las subunidades ribosómicas al unirse a más de setenta proteínas.

En los organismos procariotas existen tres tipos de ARNr, 23 S, 16 S y 5 S; mien-tras que en los organismos eucariotas hay cuatro tipos de ARNr: 28 S, 18 S, 5,8 Sy 5 S (ver página 156).

Los distintos tipos de ARNr contribuyen a que las subunidades grande y peque-ña de los ribosomas posean una estructura acanalada, con hendiduras o sitioscapaces de albergar simultáneamente a una molécula de ARNm (la subunidadpequeña) y a los diferentes aminoácidos unidos a los ARNt que participaran enla síntesis de una cadena polipeptídica (la subunidad grande).

Además, el ARNr 23 S en procariotas y el ARN 28 S en eucariotas tienen actividadde ribozimas y actúan como agentes catalíticos en la formación del enlace pep-tídico durante la síntesis de las proteínas.

1. ¿En qué se diferencia elADN del ARN?

2. ¿Qué son las ribozimas?

3. ¿Qué son las unidadesSvedberg y para qué seutilizan?


ARN mensajeros (ARNm) de procario-tas (bacterias) (1) y de eucariotas (2).

Estructura secundaria del ARNr 16Sde E. coli.

1 2 Exones

Intrones

Cola de poli A


4.4 ARN de transferencia (ARNt)

Los ARNt son moléculas pequeñas (entre 80 y 100 nucleótidos), con estruc-turas secundaria y terciaria, encargadas del transporte de los aminoácidoshasta los ribosomas durante la síntesis de las proteínas.

Cada ARNt presenta estructura secundaria en algunas regiones de su moléculaque contienen secuencias de bases complementarias y permiten el apareamien-to y la consiguiente formación de una doble hélice; las zonas que no se apareanadoptan el aspecto de bucles, como una hoja de trébol. Aunque, en realidad, elplegamiento es mucho más complejo y ofrece una imagen tortuosa y retorcida,que en nada se parece a una hoja de trébol, al adoptar la estructura terciaria quetiene forma de L, como un bumerán.

Otra característica de los ARNt es la de contener aproximadamente un 10 por 100de bases procedentes de modificaciones en las cuatro bases normales (A, G, C yU), como el pseudouracilo y otras ya mencionadas anteriormente.


5. Funciones biológicas de los ácidosnucleicos

La estructura en doble hélice del ADN refleja su función. El ácido desoxirribonu-cleico es una macromolécula que desempeña dos funciones de trascendentalimportancia para todos los seres vivos: se replica y guarda la información genética.

» La doble hélice del ADN se replica. Para ello, en primer lugar, se libera de lashistonas y luego se abre, como si fuera una cremallera, de manera que cadauna de las dos hebras del ADN sirve de molde para que se sintetice su cade-na complementaria (el codigo de complementariedad es A = T y G � C). Así,cada molécula de ADN puede originar dos réplicas idénticas de sí misma, conla misma composición y secuencia de bases que la molécula original, que serepartirán una a cada célula hija.

Gracias a esta propiedad, cada célula, antes de dividirse, hace una copia de susgenes con el fin de que cada célula hija contenga la misma dotación genéticaque la célula madre; de esta manera, la información genética se transmite degeneración en generación. (Estos procesos se estudiarán con más detalle en launidad 14).

1. ¿Qué tipos de bases pecu-liares presentan los ARNtque no existen en otrosARN?

2. ¿Dónde se localizan el bra-zo aceptor y el anticodónen los ARNt y qué funcio-nes desempeñan?

3. ¿Qué funciones biológicasdesempeñan los ácidosnucleicos?

En la estructura secundaria delos ARNt se distinguen lassiguientes características:

» Brazo aceptor formado porel extremo 5’ y el extremo3', que en todos los ARNtposee la secuencia CCA,cuyo grupo —OH terminalsirve de lugar de unión conel aminoácido.

» El bucle (o brazo) T ψ C, queactúa como lugar de recono-cimiento del ribosoma.

» El bucle (o brazo) D, cuya se-cuencia es reconocida demanera específica por unade las veinte enzimas, llama-das aminoacil-ARNt sinteta-sas, encargadas de unir cadaaminoácido con su corres-pondiente molécula deARNt.

» El bucle situado en el extre-mo del brazo largo del bu-merán, que contiene unasecuencia de tres bases lla-mada anticodón. CadaARNt «cargado» con su co-rrespondiente aminoácidose une, mediante la regióndel anticodón, con tripletesde bases del ARNm (tresbases del ARNm definen untriplete o codón) en el pro-ceso de la traducción de lainformación genética queconduce a la síntesis de lasproteínas, como veremosen la unidad 13.

Brazo aceptor

Bucle (o brazo) D

Bucle D

Bucle (o brazo) T�C

Bucle T�C

Sitio de unióndel aminoácido

Brazo aceptor

Anticodón

Anticodón

Sitio de unión del aminoácido


» El ADN de los cromosomas es el material del que están for-mados los genes. Contiene la información necesaria que per-mite la síntesis de todas las proteínas de un organismo, quevienen a ser como los robots encargados de ejecutar susórdenes. Pero esta información genética heredada de nues-tros progenitores debe descodificarse para poder ser utiliza-da por la célula y este proceso se realiza en dos fases:

› Transcripción de la información genética contenida en ungen. Se sintetiza una cadena de ARN mensajero (ARNm)utilizando como molde una de las hebras del ADN del gen.Se denomina ARNm porque en las células eucariotas saledel núcleo y se dirige al citoplasma llevando el mensajegenético para que se sintetice una proteína. La transcrip-ción utiliza una clave de complementariedad de bases simi-lar a la que vimos en la replicación, pero teniendo en cuen-ta que la cadena de ARNm sintetizada tiene uracilo (U) enlugar de timina (T), la complementariedad será: G � C y A = U (ver unidad 12).

› Traducción del mensaje contenido en la secuencia debases del ARNm correspondiente a un gen. Al igual queuna banda magnética o un código de barras, el mensaje escaptado por una especie de cabezal de lectura, llamadoribosoma, y convertido en la secuencia de aminoácidos deuna proteína. En este proceso se utiliza un diccionario uni-versal, conocido como código genético, que asigna a cadagrupo de tres bases del ARNm (denominado triplete ocodón) uno de los veinte aminoácidos de las proteínas.

El ribosoma recorre la molécula de ARNm, un codón trasotro, y va incorporando los aminoácidos, que llegan al ribo-soma transportados por moléculas de ARN de transferen-cia (ARNt). De esta forma, los aminoácidos se incorporande uno en uno a la proteína que se está formando y en elorden que indica la secuencia de bases del ARNm, es decir,la sucesión de codones del ARNm (ver unidad 13).


Los procesos de replicación, transcripción y traducción, seresumen en lo que se ha dado en llamar el «dogma centralde la biología molecular»: la secuencia de bases de un seg-mento de ADN (un gen) se replica (1) y también se transcri-be en la secuencia de bases de una molécula de ARNm (2)que, a su vez, se traduce en la secuencia de aminoácidos deuna proteína (3).

SÍNTESIS: Diferencias entre ADN y ARN

ADN ARN

Tipo de pentosa

Bases nitrogenadas

Estructura

Niveles decomplejidadestructural

Función

• Desoxirribosa

• A, C, G, T

• Bicatenario (lineal o circular), excepto en ciertosvirus que es monocatenario (lineal o circular).

• ADN procariota: estructura primaria y secun-daria (enrollamiento en superhélice).

• ADN eucariota: estructura primaria, secunda-ria y otros niveles de complejidad: nucleoso-ma, «collar de perlas», fibra cromatínica o de30 nanómetros, dominios estructurales en for-ma de bucles radiales, rosetón de bucles ra-diales, espiral de rosetones y, por último, cro-mosoma.

• Replicación: la información genética se trans-mite de generación en generación.

• Almacenamiento de la información genética.• Transcripción (síntesis de ARN).

• Ribosa

• A, C, G, U

• Monocatenario, excepto en ciertos virus quees bicatenario.

• ARNm: estructura primaria.• ARNn, ARNr y ARNt: estructura primaria, se-

cundaria y terciaria (en algunas regiones de lamolécula que presentan secuencias de basescomplementarias).

• ARNm: se traduce y da lugar a la secuencia deaminoácidos de una proteína.

• ARNn: precursor de los ARNr.• ARNr: forma parte de las subunidades ribosó-

micas.• ARNt: transporta aminoácidos hasta los ribo-

somas en la síntesis de las proteínas.• ARNi: controla la expresión de los genes.

1

2

3

ADN

Ribonucleótidos

Envolturanuclear

Codón

Anticodón

Ribosoma

TRADUCCIÓN

ARNt

Aminoácidos

ARNr

ARNt

ARNm

Proteína

Ribosoma

REPLICACIÓN

TRANSCRIPCIÓN


Objetivos

Romper o lisar con detergentes la pared celular, la mem-brana plasmática y la membrana nuclear para dejar libre elADN y hacer que precipite en alcohol.

Materiales

Una cebolla, cuchillo, batidora eléctrica con el vaso, vasosde precipitado de 250 y de 500 mL, tubos de ensayo, deter-gente lavavajillas, baño de agua a 60-65 ºC, termómetro,embudo, papel de filtro, nevera y hielo triturado, agua des-tilada, sal común, bicarbonato sódico, enzimas proteasas,alcohol etílico muy frío, palillos largos de madera.

Procedimiento

1. Prepara la solución de lisis con los siguientes ingre-dientes y viértela en el vaso de la batidora:

» 100 mL de agua, si es posible destilada y, si no, mi-neral. No usar agua del grifo.

» 3 g de NaCl o de sal de mesa.

» 5 g de bicarbonato sódico.

» 10 mL de detergente líquido de lavavajillas.

2. Corta una cebolla de tamaño medio en trozos grandesy colócalos en el vaso de la batidora que contiene lasolución de lisis. Emplea la batidora para triturar lacebolla, pero no la mantengas en marcha durante másde 10 segundos seguidos para evitar el calentamiento(a).

3. Transfiere el contenido triturado del vaso de la batido-ra a un vaso de precipitado de 500 mL e introdúcelo enun baño de agua caliente, entre 60 y 65 ºC, durante 15minutos (b).

4. Saca el vaso del baño de agua y filtra su contenido.Para ello, coloca un filtro cónico en otro vaso de preci-pitado de 250 mL (o emplea un embudo y una serville-ta de papel); a continuación, vierte la cebolla trituraday lisada en el filtro. Deja gotear durante un rato y si esnecesario exprime el filtro, pero no dejes que caigansólidos al vaso de 250 mL (c).

5. Introduce el vaso de 250 mL con el filtrado en un reci-piente con hielo picado durante unos minutos para quese enfríe, y añade al filtrado un comprimido de despro-teinización, de los utilizados para limpiar las lentillas, obien, añade 3 cucharaditas de café de zumo de piña opapaya y mézclalo bien (contienen enzimas proteasasque rompen las proteínas de la disolución y se eliminanlas enzimas que rompen las cadenas de ADN) (d).

6. Vierte 20 mL del extracto de cebolla lisado y desprotei-nizado en un tubo de ensayo. Sujeta el tubo formandoun ángulo de 45º y con mucha lentitud añade un volu-men equivalente de alcohol etílico muy frío (reciénsacado de la nevera o del hielo) resbalando por la carainterna del tubo y evitando que se mezclen los doslíquidos (e).

7. Observa el ADN como una nube de hilillos finos y vis-cosos en la interfase, la zona donde los dos líquidosestán en contacto.

8. Introduce una varilla delgada de vidrio o un palillolargo de madera en el tubo de ensayo hasta que suextremo esté justo debajo de la interfase. Da vueltas alpalillo subiendo y bajando por las dos fases. El ADN seenrollará al palillo (f).

9. Lleva el palillo con el ADN enrollado a otro tubo quecontenga alcohol. Gira el palillo para que se libere elADN en el alcohol. Repite la operación para trasladarmás cantidad de ADN. Observa el color y la forma delas fibras.


Laboratorio y procedimientosAislamiento de ADN de cebolla

500 mL

60-65 °C

250 mL 20 mL de extractoADN

Proteasa

Hielo

Etanol muy frío

a b c

d

e f


Actividades finales1. Indica si las siguientes proposiciones son verdaderas

o falsas:

a) A / T = 1.

b) G / T = 1.

c) A + G / T + C = 1.

d) A + T � G + C.

e) A + T / G + C = 1.

2. ¿Qué diferencia hay entre nucleósido y nucleótido?

3. ¿En qué se basa el modelo de Watson y Crick de la do-ble hélice del ADN y cuáles son sus características?

4. ¿A qué tipo de ácido nucleico corresponde la si-guiente estructura?

5. Con respecto a la fórmula adjunta, contesta a las pre-guntas siguientes:

a) ¿De qué tipo de molécula se trata?

b) ¿Cuáles son sus unidades estructurales?

c) ¿De qué macromolécula forma parte?

d) ¿Qué funciones desempeña esta macromolécula?

6. ¿Cómo resuelven las células procariotas el problemadel empaquetamiento del ADN en su interior?

7. ¿Qué es el ARN nucleolar? ¿Dónde se sintetiza y quéfunción desempeña?

8. ¿Qué se entiende por «dogma central de la biologíamolecular»?

9. Explica los distintos niveles de complejidad o tiposde conformación que adoptan las moléculas de losdiferentes ARN.

10. Indica las diferencias entre el ADN y el ARN:

a) De composición.

b) Estructurales.

c) Funcionales.

11. Observa el esquema adjunto y responde a las si-guientes cuestiones:

a) ¿A qué clase de molécula corresponde?

b) ¿Qué tipos de conformación espacial adquiere?

c) ¿Qué elementos estructurales se destacan enestas conformaciones?

d) ¿Qué función desempeña esta molécula?

12. Describe las formas en las que se empaqueta el ADNen las células eucariotas. ¿Cómo se encuentra elADN durante la división celular? ¿Y durante la intefa-se celular?

13. Observa la siguiente tabla, que muestra las propor-ciones de las bases nitrogenadas del ADN o ARN enalgunos organismos, y contesta a las siguientes cues-tiones:

a) ¿Se cumplen en todos los casos las reglas de Char-gaff? Si no es así, ¿a qué crees que se debe?

b) ¿Cuál de estos ADN crees que tendrá mayor tem-peratura o punto de fusión? ¿Cuál es la causa?


ADN A G C T

Timo de bovino 28,2 21,5 21,2 27,8

Esperma de bovino 28,7 22,2 20,7 27,3

Germen de trigo 27,3 22,7 16,8 27,1

Saccharomyces 31,3 18,7 17,1 32,9

Escherichia coli 26,0 24,9 25,2 23,9

ØX174 24,3 24,5 18,2 32,3

ARN A G C U

Reovirus 28,0 22,3 22,0 27,9

Adenina

Citosina

Guanina


Debate y opina

Webquest

«Los investigadores de todas las disciplinas tienen el lema“publica o muere”. Tan pronto como Watson y Crick termina-ron su modelo del ADN, de inmediato publicaron un ensayode una página que conmovió al mundo. Recibieron pocaatención todos los demás que de una u otra manera habíancontribuido. Una de esas personas fue Rosalind Franklin aquien recientemente empieza a reconocérsele su aportación.

Rosalind Franklin llegó al King’s Laboratory en Londres concredenciales impresionantes. Había inventado un métodoperfeccionado de difracción de rayos X mientras estudiaba enParís la estructura del carbón. Adoptó un nuevo enfoquematemático para interpretar las imágenes de la difracción y,como Pauling, había diseñado modelos moleculares tridimen-sionales. Ahora le habían encargado crear y dirigir un moder-no laboratorio de cristalografía con rayos X. Su labor consistíaen investigar la estructura del ADN.

... Nadie se molestó en decirle a Wilkins lo que haría estamujer; supuso que era una técnica contratada para que hicie-ra el trabajo de cristalografía con rayos X, pues él no sabíahacerlo. Y así se desató una encarnizada lucha. Wilkins leparecía demasiado quisquilloso a Franklin. A él le molestabala falta de deferencia por parte de Franklin...

Cinco meses más tarde Franklin dio una conferencia sobre loque había descubierto hasta ese momento. El ADN, asegu-ró, tal vez tiene dos, tres o cuatro cadenas paralelas enrolla-das en una espiral, con grupos de fosfato proyectándosehacia afuera.

Gracias a sus conocimientos de cristalografía Crick habríareconocido la importancia de su informe, en caso de haber

estado allí (un par decadenas orientadasen sentidos opuestossería lo mismo auncon una inclinaciónde 180 grados). ¿Dospares de cadenas?No. Lo excluía la den-sidad del ADN. Pero,¿un par de cadenas?¡Sí!, Watson estaba entrela audiencia pero sin saber aqué se refería Franklin.

Tiempo después Franklin produjo su excelente imagen de lasfibras húmedas de ADN mediante la difracción de rayos X. Laimagen casi gritaba ¡ESPIRAL! También calculó la longitud yel diámetro del ADN. Pero como llevaba mucho tiempo tra-bajando con fibras secas, decidió no investigar el significadode los nuevos datos. Wilkins lo hizo.

En 1953, sin que lo supiera Franklin, permitió a Watson ver laimagen y recordó lo que Franklin había expuesto más de unaño antes. Cuando Watson y Crick se concentraron en esosdatos, obtuvieron el último trozo de información que necesi-taban para construir un modelo aceptable del ADN: unmodelo con dos cadenas enrolladas en forma de espiral quese dirigían a sentidos opuestos.»

C. STARR Y R. TAGGART.Biología.

Ed. Thomson.


» ¿Crees que Rosalind Franklin hubiera merecido compartir el premio Nobel, junto con Watson y Crick?

Tarea

Elabora un trabajo sobre los aspectos que consideres másdestacables de los ácidos nucleicos en formato Word o enPowerPoint. Incluye en él fotografías, gráficos, animacio-nes o secuencias de vídeo.

Proceso

Reúne información sobre los siguientes temas:

» Nucleótidos nucleicos y no nucleicos.» Estructura primaria y secundaria del ADN.» Desnaturalización del ADN y punto de fusión.» Descubrimiento de la doble hélice del ADN.» Empaquetamiento del ADN en procariotas y eucariotas.» Estructura del ARN y tipos de ARN.» Funciones que desempeñan los ácidos nucleicos.

Recursos

Consulta libros de la biblioteca, prensa y revistas, y visitalas siguientes páginas web:

Biología 2.º de Bachilleratohttp://web.educastur.princast.es/proyectos/biogeo_ov/2BCH/INDICES/apuntes_pdf.htm

Estructura de los ácidos nucleicoshttp://www.ucm.es/info/genetica/grupod/Estruadn/estruadn.htm

El cromosoma eucarióticohttp://www.ucm.es/info/genetica/grupod/Cromoeuc/cromoeuc.htm

Biomodelhttp://biomodel.uah.es/

Ácidos nucleicoshttp://www.ehu.es/biomoleculas/an/tema12.htm


UNA MIRADA HACIA ATRÁS

UNA MIRADA HACIA DELANTE

■ En el bloque I has aprendido que estructuras, propiedades y funcionesson tres términos estrechamente relacionados. Desde la idoneidad delcarbono hasta la doble hélice del ADN, se repite la misma idea: la confor-mación espacial o geométrica que adopta una molécula es responsable,en buena parte, de las propiedades fisicoquímicas que manifiesta que, asu vez, explican su actividad biológica.

■ Por el hecho de que el átomo de carbono presenta una particular confi-guración electrónica, es capaz de formar enlaces covalentes consigomismo o con otros elementos y originar así una enorme variedad de molé-culas orgánicas. Y la peculiar disposición tetraédrica de los orbitales sp3

del átomo de oxígeno junto con su carácter electronegativo son la causade que la molécula de agua adopte determinada conformación espacial,adquiera polaridad y presente una estructura reticular que justifica suspropiedades fisicoquímicas peculiares que, a su vez, determinan las fun-ciones biológicas que desempeñan.

■ Debido a que los monosacáridos presentan átomos de carbono asimétri-cos, algunos azúcares como la glucosa pueden adoptar configuración � o�, lo que decide que unos polisacáridos sean fácilmente hidrolizables,como el almidón, y otros sean muy resistentes a la hidrólisis, como la celu-losa. Y el que los aminoácidos se unan en secuencias específicas determinala disposición particular de las hélices �, de las láminas � y de las estructu-ras terciarias y cuaternarias de las proteínas, que son responsables de sufuncionalidad biológica y de su capacidad para unirse específicamente con-sigo mismas o con otras moléculas: la enzima con su sustrato, el anticuerpocon su antígeno...

■ Por último, la conformación espacial que adopta el ADN en forma dedoble hélice y el apareamiento específico y la complementariedad entresus bases, convierten a estas moléculas —y también a los ARN— en lossoportes idóneos para el almacenamiento y la expresión de la informacióngenética que se transmite fielmente de generación en generación.

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■ El estudio sistemático y descriptivo de los componentes moleculares dela célula que acabas de realizar tal vez genere una imagen estática de lamateria viva. Sin embargo, la célula viva está constituida por materia encontinuo dinamismo, cuyos componentes forman un sistema que, graciasal aporte continuo de energía y materias primas, mantiene y aumenta sucomplejo grado de organización.

■ En el bloque II estudiarás los aspectos dinámicos de la materia viva, esdecir, los diferentes modelos de organización celular, mostrando, denuevo, la íntima relación entre estructura y función, pues las distintasestructuras celulares son las que posibilitan que la energía y las materiasprimas sean captadas, transportadas, almacenadas y utilizadas medianteuna serie de cambios químicos complejos que constituyen el metabolis-mo celular, fuente de la vida.


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U6. Acidos nucleicos