Ácidos Nucleicos y Proteínas: Estructura, Clasificación y Funciones Biológicas

Ácidos Nucleicos: Estructura, Tipos y Funciones

Estructura de los Ácidos Nucleicos

Los ácidos nucleicos (ACNC) son polímeros de nucleótidos unidos mediante enlaces fosfodiéster. Este enlace se realiza a través del radical fosfato, que se une por un lado al carbono 3' (C3') de la pentosa de un nucleótido y por otro lado al carbono 5' (C5') de la pentosa del siguiente nucleótido, liberando una molécula de agua (H₂O). Los polinucleótidos están formados por unidades de 3'-pentosa-5'-fosfato.

El enlace éster fosfato se forma cuando el grupo hidroxilo (-OH) del C5' reacciona con el grupo hidroxilo (-OH) del grupo fosfato, liberando una molécula de agua (H₂O).

Clasificación y Diferencias de los Ácidos Nucleicos

• Constitución: Cadenas de desoxirribonucleótidos (ADN) y ribonucleótidos (ARN).
• Bases Nitrogenadas (BN):
  • ADN: Adenina (A), Guanina (G), Citosina (C), Timina (T).
  • ARN: Adenina (A), Guanina (G), Citosina (C), Uracilo (U).

ADN: Portador de la Información Genética

El ADN es el portador de la información genética. Los genes están compuestos por ADN.

Estructura del ADN

Existen tres tipos de estructura:

• Estructura Primaria: Cadena larga lineal definida por su secuencia de nucleótidos. Cada especie posee una secuencia de bases característica y diferente. Incluso entre organismos de la misma especie hay diferencias individuales.
• Estructura Secundaria (Doble Hélice): Postulada por Watson y Crick en 1953, es el modelo que da la imagen pública de la molécula.
• Estructura Terciaria: Se basa en una serie de experimentos sobre la composición del ADN llevados a cabo por Chargaff, conocidos como las reglas de Chargaff:
  1. El contenido de Adenina (A) de una molécula de ADN es igual al contenido de Timina (T), y el de Guanina (G) es igual al de Citosina (C). La relación A=T, G=C se denomina principio de equivalencia de bases.
  2. La suma de bases púricas es igual a la suma de bases pirimidínicas.

  La propuesta decisiva fue interpretar que entre las bases se podían formar puentes de hidrógeno (pdH). Concretamente, A-T forman 2 pdH y G-C forman 3 pdH.

  La estructura del ADN es una doble hélice dextrógira de dos cadenas complementarias enrolladas, que se disponen alrededor de un eje común. Las cadenas son complementarias, no iguales, puesto que la secuencia es distinta. Son opuestas porque las bases se enfrentan entre sí y son antiparalelas.

  • Las bases nitrogenadas se disponen hacia el interior formando puentes de hidrógeno y los fosfatos hacia el exterior.
  • Las bases complementarias están apareadas mediante puentes de hidrógeno que unen las dos cadenas.
  • Cada vuelta mide 3,4 nm e incluye 10 nucleótidos.

ARN: Tipos y Funciones

El ARN es una macromolécula formada por la unión de ribonucleótidos mediante enlaces fosfodiéster. La mayoría de los ARN son monocatenarios, aunque algunos tipos, como el ARN de transferencia (ARNt), presentan zonas con estructura secundaria en doble hélice. Según su función biológica, se pueden distinguir:

• ARNm (ARN mensajero): Cadena lineal de hebra única que es responsable del traslado de la información genética del ADN al citoplasma para la síntesis de proteínas. Se forma en el núcleo. Su secuencia de bases es complementaria a un fragmento de ADN (gen).
• ARNt (ARN de transferencia): Tiene una estructura en forma de trébol con fragmentos en los que se aparean las bases y otros en los que se forman bucles por no existir apareamiento. Contiene algunos nucleótidos con bases poco frecuentes y se encuentra en la fracción soluble del citoplasma. Es el encargado de captar aminoácidos (aa) en el citoplasma y llevarlos a los ribosomas, donde los colocan en el lugar adecuado de acuerdo con la secuencia del ARNm para sintetizar proteínas. En función de determinadas bases, cada molécula de ARNt se une a un aminoácido específico. Su estructura en la célula adopta forma de "boomerang" o L invertida.
• Estructura Secundaria del ARNt:
  • El extremo 3' de la cadena tiene siempre la secuencia CCA y es donde se une al aminoácido que va a ser transportado.
  • En el extremo 5' siempre existe un aminoácido con Guanina (G).
  • En el brazo o bucle 1/D es la zona donde se une a la enzima que cataliza su acción.
  • En el bucle 2/A existe un triplete de bases nitrogenadas llamado anticodón y es complementario del correspondiente triplete codón del ARNm.
  • En el bucle 3/T, denominado así por llevar Timina, es el lugar por donde se fija al ribosoma.
• ARNr (ARN ribosómico): Es el más abundante, se forma en el nucléolo, está formado por una sola cadena y, al igual que el ARNt, presenta zonas con estructura secundaria en doble hélice. Se encuentra asociado a proteínas formando los ribosomas, estructuras encargadas de la traducción de la secuencia de nucleótidos del ARNm en una determinada secuencia de aminoácidos.
• ARNhn (ARN heterogéneo nuclear): Localizado en el núcleo. Presenta gran variedad de tamaños. Forma parte del nucléolo.

Funciones Biológicas del ADN y ARN

El ADN es el portador de la información genética. Por lo tanto, es la molécula que almacena la información que se transmite de una célula a otra y de generación en generación. Está protegido en el núcleo en las células eucariotas y en el protoplasma en las procariotas. El ARNm es una copia parcial del ADN y, una vez fuera del núcleo, se traducirá, gracias a los ARNr y ARNt, a un lenguaje de aminoácidos. Dicho de otro modo, en el ADN se encuentra toda la información para producir todas las proteínas que componen la célula. Si tenemos en cuenta que las enzimas son proteínas y que las enzimas son moléculas responsables de las reacciones químicas que tienen lugar en la célula, nos aproximamos a la trascendencia de la función de los ácidos nucleicos. Los genes están compuestos de ADN y están escritos en lenguaje de nucleótidos.

Nucleótidos No Nucleicos

Nucleótidos que no forman parte de los ácidos nucleicos. Se encuentran libres en la célula e intervienen en el metabolismo y la regulación, como la actividad enzimática, aportando energía en reacciones químicas, coenzimas, etc.

• Nucleótidos de Adenina: Los fosfatos se unen entre sí por enlaces ricos en energía. La energía se acumula en el enlace al formarse y se desprende al romperse fácilmente. Intervienen en reacciones redox. Pueden ser oxidadas. ATP, ADP, AMP.
• Nucleótidos Coenzimáticos: Nucleótidos que actúan en reacciones catalizadas por enzimas. Actúan como transportadores de electrones (e-). Son de distinta naturaleza química.
• Nucleótidos de Flavina: FMN (Flavín Mononucleótido). Coenzimas de las deshidrogenasas, las cuales catalizan reacciones redox. Oxidan: FAD.
• Nucleótidos de Pirimidina: NADP. Son coenzimas de deshidrogenasas que intervienen en el metabolismo, por ejemplo, en la respiración celular. Se pueden encontrar oxidados o reducidos: NAD⁺ / NADPH.
• Coenzima A (CoA)

Proteínas: Clasificación y Estructura

Clasificación de las Proteínas

• Holoproteínas: Compuestas exclusivamente por aminoácidos.
  • Estructura Fibrosa: Función estructural. Ejemplos: colágeno, elastina, queratina.
  • Estructura Globular: Función de reserva, defensa, transporte. Ejemplos: histonas, globulinas, albúminas.
• Heteroproteínas: Proteínas unidas a otras moléculas.
  • Glucoproteínas: Presentes en la membrana celular.
  • Nucleoproteínas: Virus, ribosomas.
  • Lipoproteínas
  • Fosfoproteínas: Contienen un grupo prostético de ácido fosfórico. Ejemplos: caseína de la leche, vitulina del huevo.
  • Cromoproteínas: Proteínas con color debido a dobles enlaces en el grupo prostético. Ejemplo: hemoglobina.

Enlace Peptídico

El enlace peptídico se forma por la interacción del grupo carboxilo (-COOH) de un aminoácido con el grupo amino (-NH₂) de otro aminoácido, liberando una molécula de agua (H₂O).

Enzimas: Catalizadores Biológicos

Las enzimas son proteínas específicas que catalizan las reacciones químicas que tienen lugar en las células.

Acción Enzimática

Se caracteriza por la formación del complejo enzima-sustrato (E-S). Representa el estado de transición. El sustrato se une a la enzima mediante uniones débiles (puentes de hidrógeno, interacciones hidrofóbicas y electrostáticas) en el centro activo, una pequeña región de la enzima que contiene componentes moleculares por los que se une al sustrato y al grupo prostético.

Factores que Afectan a la Actividad Enzimática

Las enzimas son proteínas, por lo que les afectan los valores de estabilidad, ya que la conformación en estado nativo depende de las condiciones celulares.

• Efecto del pH: Se obtienen curvas que indican que las enzimas presentan un pH óptimo en el cual la actividad es máxima. Puede afectar de las siguientes maneras:
  • El sustrato puede verse afectado por variaciones de pH.
  • El centro activo de la enzima puede contener aminoácidos con grupos ionizados (COO^-, NH₃⁺) que varían con el pH.
  • La ionización de aminoácidos que no están en el centro activo puede provocar modificaciones en la conformación, lo cual también afecta a su actividad.
• Efecto de la Temperatura
• Inhibidores: Sustancias específicas que disminuyen parcial o totalmente la actividad enzimática.

Velocidad Máxima (V_max)

A elevadas concentraciones de sustrato, se llega a la velocidad máxima (V_max), donde todas las enzimas están ocupadas por el sustrato, produciéndose la saturación de la enzima.

Estructura de las Proteínas

Estructura Primaria

Las proteínas se distinguen fundamentalmente por su esqueleto covalente, formado por enlaces covalentes entre aminoácidos unidos. Es, además, la secuencia de aminoácidos. Las proteínas almacenan información por el orden lineal de los aminoácidos. El significado de una proteína es su función biológica. La función depende de la forma espacial proteica y de la estructura primaria (secuencia de aminoácidos).

Estructura Secundaria

Las cadenas polipeptídicas forman fácilmente puentes de hidrógeno entre el oxígeno (O) del grupo carbonilo (CO) de un aminoácido con el hidrógeno (H) del grupo amino (NH) de otro. Gracias a la formación de estos enlaces débiles, la cadena se puede plegar de forma regular en estructuras definidas: α-hélice y β-lámina.

• α-hélice: Consiste en una formación helicoidal dextrógira sustentada por puentes de hidrógeno cada cuatro aminoácidos. Esta disposición hace que las cadenas laterales queden situadas hacia el exterior de la hélice.
• β-lámina: También sustentada por puentes de hidrógeno, pero entre aminoácidos más alejados de la cadena, formando una lámina. Las cadenas formadas por la lámina pueden ser paralelas (misma dirección en los grupos funcionales) o antiparalelas. A diferencia de la α-hélice, la β-lámina establece puentes de hidrógeno entre cadenas diferentes y en zonas separadas de la misma cadena.

Estructura Terciaria

Conformación global y compacta de la proteína determinada por el modo en el que se configuran los distintos tramos de la estructura secundaria. Las cadenas en α-hélice se pueden enrollar entre ellas y curvarse mediante interacciones, dando lugar a formas lineales o esféricas. Las láminas también pueden, pero para mantener tejidos. Hay dos tipos:

• Globular: La estructura característica es esta: la cadena polipeptídica se pliega formando formas compactas próximas a una esfera. Características: solubles en agua, desempeñan funciones dinámicas en la célula. Ejemplos: enzimas, anticuerpos, hemoglobina, hormonas.
• Fibrosa: Características: insolubles en agua y resistentes. Fuerzas: puentes de hidrógeno, fuerzas de Van der Waals, interacciones hidrofóbicas, puentes disulfuro (dan lugar a estructuras muy compactas de estructura mayor a 1, la cisteína). Ejemplos: colágeno y queratina.

Estructura Cuaternaria

Algunas proteínas, como las fibras de colágeno o la hemoglobina, están formadas por agregados de cadenas polipeptídicas. Esta asociación de dos o más cadenas polipeptídicas representa la estructura cuaternaria de la proteína. Cada cadena, que tiene una estructura terciaria, es un protómero. Las subunidades pueden ser iguales o diferentes. El conjunto de subunidades forma un oligómero. Las interacciones que mantienen la estructura cuaternaria son enlaces débiles: puentes de hidrógeno, interacciones hidrofóbicas y electrostáticas. Ejemplos: hemoglobina, ARN polimerasa, filamentos de actina y miosina.

Vitaminas: Componentes Esenciales para el Metabolismo

Las vitaminas son sustancias orgánicas que carecen de valor energético propio. Son imprescindibles en los procesos metabólicos de los seres vivos, ya que sin ellas el organismo no es capaz de aprovechar los nutrientes suministrados con la alimentación. Las vitaminas son aportadas con la dieta, ya que el cuerpo humano no es capaz de sintetizarlas. Como excepción, la vitamina D se forma en la piel por exposición al sol, y las vitaminas K, B₁ y B₁₂ pueden formarse en el intestino. En determinadas etapas de la vida, como la infancia, vejez, lactancia y embarazo, la necesidad de vitaminas aumenta.

Vitaminas Hidrosolubles

Vitaminas caracterizadas por disolverse en agua. Por lo que parte de ellas se pierden al lavar o cocer los alimentos. No se almacenan en el organismo, lo cual hace que deban aportarse con la dieta regularmente. Un aporte excesivo no tiene consecuencias tóxicas, el exceso se elimina en la orina. Ejemplos: Vitamina C (ácido ascórbico), Vitamina H (Biotina), Vitamina B₁ (Tiamina), Vitamina B₂ (Riboflavina).

Vitamina B₁₂ (Cobalamina)

Vitamina hidrosoluble. Actúa sobre la regeneración de los tejidos y el crecimiento corporal. Contribuye a la formación del ADN de las células e interviene en el metabolismo de las grasas y de los carbohidratos. La vitamina B₁₂ también juega un papel importante en la formación de mielina, sustancia que recubre las células nerviosas, promoviendo la comunicación entre ellas. Es indispensable para la formación de los glóbulos rojos. Se encuentra exclusivamente en alimentos de origen animal como carne, pescado y huevos. Su carencia da lugar a anemia perniciosa. El consumo de alcohol hace aumentar la necesidad de esta vitamina.

Vitamina B₉ (Ácido Fólico)

Se suele encontrar en legumbres (garbanzos, lentejas) y los vegetales de hoja verde como espinacas, escarola, guisantes, alubias y frutos secos. Es necesaria para la maduración de proteínas estructurales y hemoglobina. Su insuficiencia en humanos es rara. Su carencia da lugar a la espina bífida (ocurre si la columna vertebral del feto no se cierra completamente durante el primer mes de embarazo, lo que puede dañar los nervios y la médula espinal).

Vitamina C (Ácido Ascórbico)

Es un ácido orgánico soluble en agua que se destruye por la acción de la luz y el calor. Interviene en la asimilación de algunos aminoácidos, ácido fólico y hierro. Actúa como transportador de oxígeno (O) e hidrógeno (H), y tiene efectos antioxidantes. Es necesaria para producir colágeno, importante en el crecimiento y reparación de las células de los tejidos. Participa en procesos de desintoxicación que se producen en el hígado y en el estómago, y fortalece las defensas del organismo. Se encuentra en mayor cantidad en frutas y vegetales como fresas, grosellas, kiwis, cítricos y melón. Su carencia produce irritabilidad y dolores en las articulaciones, y hace más susceptible al organismo de padecer infecciones. La ausencia de vitamina C durante un período prolongado produce escorbuto.

Vitaminas Liposolubles

Vitaminas caracterizadas por disolverse en disolventes orgánicos, grasas y aceites. Se depositan en tejidos grasos del organismo como el tejido adiposo y el hígado. En caso de aporte excesivo, pueden ser tóxicas. Ejemplos: Vitamina A (Retinol), Vitamina D (Calciferol), Vitamina E (Tocoferol).

Vitamina A (Retinol)

Es una sustancia orgánica del grupo de los alcoholes (-OH) que está presente en algunos alimentos de origen animal (retinol), como productos lácteos, hígado, pescado graso, yema de huevo, mantequilla, y vegetales como melón, zanahoria y mango. Se destruye fácilmente con la luz y con temperaturas elevadas. Es imprescindible para la visión y el desarrollo de los tejidos. También participa en la elaboración de enzimas en el hígado y de hormonas sexuales y suprarrenales. Su déficit produce ceguera nocturna y sequedad de las mucosas. Su exceso produce alteraciones óseas.

Vitamina D (Calciferol)

Vitamina liposoluble. Interviene en el metabolismo del calcio (Ca) y el fósforo (P), estimulando la absorción de estos en el intestino delgado. También favorece el crecimiento y la actividad muscular. Se encuentra en el hígado de animales, pescados grasos, yema de huevo, leche y sus derivados. En la piel de las personas está presente en forma de provitamina, transformándose en vitamina activa por la acción de los rayos ultravioleta del sol. Su carencia puede producir descalcificación de los huesos (osteoporosis), caries dentales e incluso raquitismo.