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Estructura
de los ácidos nucleicos Hoy sabemos que los ácidos nucleicos son los componentes
celulares encargados de la transmisión de información genética. La
información pasa mayoritariamente del núcleo al citoplasma a través
de los RNA o ARN (ácidos ribonucleicos de una sola hebra) y de una célula
a otra a través del DNA (ácido desoxirribonucleico, de doble hebra). Los ácidos nucleicos son polinucleótidos
cuyas unidades, los nucleótidos, constan de una base nitrogenada, una
pentosa y un grupo fosfato. El tipo de pentosa determina que el ácido
nucleico sea ADN o RNA. En el ADN, la pentosa es la 2-desoxirribosa.
Mientras que en el ARN es la ribosa. La ausencia de un grupo hidroxilo
en el carbono de la 2’ pentosa da al ADN una gran resistencia a la
hidrólisis por álcali, contrariamente al RNA, que a Ph alcalino y 37ºC,
se rompe en nucleótidos en pocos minutos. Las bases nitrogenadas corresponden a dos
categorías: purinas y pirimidinas. Las dos purinas adenina (A) y
guanina (G) están presentes tanto en el ADN como en el ARN. En cuanto a
las pirimidinas, el ADN posee citosina (C) y timina (T), mientras que en
el ARN la timina está substituida por uracilo (U). El uracilo difiere
de la timina en un grupo metilo en el carbono 5. Cabría preguntarse por qué el ADN tiene una
base distinta al ARN; la respuesta puede tener mucho que ver con la
función que presta el ADN como molécula depositaria de la información
genética. La citosina se desanima espontáneamente a uracilo con cierta
frecuencia, y si en el ADN hubiera uracilo, sería prácticamente
imposible discernir entre los originados por desanimación de la
citosina y los propios de la molécula del ADN. Esto conllevaría una
gran tasa de error difícilmente compatible con la función primordial
del ADN de transmitir fielmente la información genética de generación
en generación. Si el ADN no posee normalmente uracilo, todos los
uracilos que se encuentran en el ADN deben provenir de la desanimación
de la citosina y deben ser eliminados. De ello se encarga la enzima
uracil N-glicosilasa que se “pasea” por el ADN y se para en cada
timina y en cada uracilo; si reconoce el grupo –CH2
de la timina pasa de largo, pero en su ausencia corta la base y los
sistemas de reparación celulares colocan la complementaria a la de la
cadena opuesta. Las bases son estructuras planas que, cuando se
unen a la posición 1’ de las pentosas por un enlace N-glicosídico,
constituyen los nucleósidos. Cuando un grupo fosfato se une a un nucleósido
se forma el nucleótido correspondiente. El lugar más común para la
esterificación es el grupo hidroxilo del carbono 5’ de la ribosa o
desoxirribosa. En esta posición se pueden añadir de uno a tres grupos
fosfato creando los mono, di o trinucleótidos: adenín monofosfato
(AMP), adenín difosfato (ADP) o adenín trifosfato (ATP). El primer grupo fosfato (alfa) situado en la
posición 5’ está unido por un enlace de tipo éster, pero los dos
otros grupos fosfato (b y g) lo están por enlaces fosfoanhídrido
altamente energéticos que liberan una gran cantidad de energía al
hidrolizarse. El grupo fosfato puede estar unido también a la posición
3’ de la pentosa. Estructura y propiedades del ADN El ADN es una doble hélice en la que las bases
se encuentran en el interior de la molécula y los grupos fosfato en el
exterior. La adenina siempre se aparea con la timina, y la guanina con
la citosina. La unión entre las bases complementarias se hace a través
de puentes de hidrógeno: dos entre timinas y adeninas, y tres entre
guaninas y citosinas. Las hebras del ADN que forman la hélice tienen
orientaciones opuestas. La ruptura de los puentes de hidrógeno por
calor, álcali o compuestos químicos produce la separación física de
las dos hebras del ADN y se denomina desnaturalización. La
desnaturalización por calor es total a los 90ºC y por álcali, a pH
superiores a 11,3. En ambos casos el proceso es reversible, y al
desaparecer el agente desnaturalizante la re-naturaliza, esto es, vuelve
a adquirir la estructura doble helicoidal original.
La
estabilidad de la estructura de hebra doble y helicoidal de los ácidos
nucleicos se debe al apilamiento de las bases en el centro de la molécula
y los puentes de hidrógeno que las mantienen apareadas y en proximidad
física. Al elevarse la temperatura, los puentes de hidrógeno se rompen
y la molécula pasa de su estado ordenado (nativo) a otro de
enrollamiento desordenado y hebra simple (desnaturalizado). La
desnaturalización del ADN puede detectarse por el aumento de absorción
de luz ultravioleta, a una longitud de onda de de 250 nm. Los anillos
heterocíclicos de las bases del ADN absorben más cantidad de luz
cuando no están apiladas no forman puentes de hidrógeno en el interior
de la doble hélice. Este fenómeno se denomina hipercromicidad y se
manifiesta de forma que el ADN desnaturalizado absorbe un 37% más de
luz, a 260 nm, que en su forma helicoidal o apareada. Si
una solución de ADN de doble hebra tiene una absorción de A260=1, la
misma solución desnaturalizada tendrá A260=1,37. Esta relación define
al ADN de hebra doble como hipocrómico, mientras que el de hebra
sencilla se considera hipercrómico (la absorbancia
de las bases libres equivaldrían a A260=1,6). La
temperatura a la cual la mitad de las moléculas han pasado al estado
desnaturalizado se denomina “temperatura de fusión” (Tm, del inglés
melting Temperature), que varía de unos organismos a otros de acuerdo
con su porcenyaje de G+C. Cuanto mayor es éste, mayor será la
temperatura de fusión. Apareamientos erróneos ocasionales entre bases
no complementarias también originarán un descenso de la Tm con
respecto a una hélice perfectamente apareada. La
desnaturalización por calor puede además romper los enlaces fosfodiéster,
por lo que en muchas ocasiones se utilizan agentes desnaturalizantes
alternativos, entre otros, pH elevado y agua destilada. Un pH superior a
11 elimina los puentes de hidrógeno entre las bases al cambiar la carga
de muchos de los grupos que intervienen en estas uniones no covalentes.
El agua destilada impide la neutralización de los grupos fosfato de la
molécula por sales de sodio y magnesio; al ser los grupos fosfato de
marcado carácter negativo, su repulsión causa la separación física
de las hebras y, por tanto, su desnaturalización. La
molécula de ADN, aún en estado nativo, mantiene un equilibrio dinámico
en el que pequeñas regiones, particularmente si son ricas en AT, se
desnaturalizan y renaturalizan espontáneamente, constituyendo “las
palpitaciones o respiración del ADN”. Compuestos
químicos como la urea o formamida son agentes desnaturalizantes porque
interfieren reaccionando directamente con las bases e impidiendo un
apareamiento correcto entre ellas a temperaturas a las que normalmente
estarían apareadas. La Tm se reduce proporcionalmente a la concentración
del agente desnaturalizante añadido. El formaldehído es otro agente
desnaturalizante cuya acción, a diferencia de los casos anteriores, es
irreversible porque establece uniones covalentes con los grupos NH2 de
las bases e impide el apareamiento de éstas. Este compuesto es capaz de
reaccionar con el ADN a temperatura ambiente. El hecho de que las moléculas
de formaldehído puedan reaccionar con estos grupos a temperatura
ambiente implica que las bases están continuamente apareándose y
desapareándose en un equilibrio dinámico de formación y ruptura de
puentes de hidrógeno. Este fenómeno, anteriormente descrito como
“palpitaciones del ADN”, se cree puede facilitar el acceso de
numerosas proteínas reguladoras al interior. El
proceso de recuperación de la estructura nativa, una vez que el agente
desnaturalizante ha desaparecido, se denomina “renaturalización o
reasociación”. Es un proceso muy valioso para evaluar la relación
genética entre diversos organismos, mostrándonos las similitudes,
identidades o divergencias entre ADN de distintas procedencias. Se
trata de un proceso al azar en el que las moléculas desnaturalizadas no
se renaturalizan con sus complementarias originales, sino con cualquier
molécula presente con la que formen un híbrido estable. La
renaturalización del ADN tiene lugar en dos fases:
El
ADN renaturalizado recupera todas las propiedades físicas y químicas
del ADN nativo original.En ocasiones, el proceso de renaturalización se
denomina hibridación, debido a que las moléculas desnaturalizadas no
renaturalizan con su hebra original, sino con cualquier otra con la que
tengan complementariedad.
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