Los ácidos nucleicos son macromoléculas, polímeros formados por la repetición de monómeros llamados nucleótidos, unidos mediante enlaces fosfodiéster. Se forman, así, largas cadenas o polinucleótidos, lo que hace que algunas de estas moléculas lleguen a alcanzar tamaños gigantes (de millones de nucleótidos de largo).
El descubrimiento de los ácidos nucleicos se debe a Friedrich Miescher, quien en el año 1869 aisló de los núcleos de las células una sustancia ácida a la que llamó nucleína, nombre que posteriormente se cambió a ácido nucleico.
ADN TRIDIMENCIONAL
Tipos de ácidos nucleicos
Existen dos tipos de ácidos nucleicos: ADN (ácido desoxirribonucleico) y ARN (ácido ribonucleico), que se diferencian:
por el glúcido (pentosa) que contienen: la desoxirribosa en el ADN y la ribosa en el ARN;
por las bases nitrogenadas que contienen: adenina, guanina, citosina y timina, en el ADN; adenina, guanina, citosina y uracilo, en el ARN;
en los organismos eucariotas, la estructura del ADN es de doble cadena, mientras que la estructura del ARN es monocatenaria, aunque puede presentarse en forma extendida, como el ARNm, o en forma plegada, como el ARNt y el ARNr, y
en la masa molecular: la del ADN es generalmente mayor que la del ARN.
Estructura del ADN
La información con la que se fabrican las moléculas necesarias para el mantenimiento de las funciones celulares está guardada en una molécula de ácido nucleico llamada ácido desoxirribonucleico (ADN). En este apartado describiremos su estructura y explicaremos cómo se almacena dentro del núcleo celular.
En la década de los cincuenta, el campo de la biología fue convulsionado por el desarrollo del modelo de la estructura del ADN. James Watson y Francis Crick en 1953 demostraron que consiste en una doble hélice formada por dos cadenas.
El ADN es un ácido nucleico formado por nucleótidos. Cada nucleótido consta de tres elementos:
un azúcar: desoxirribosa en este caso (en el caso de ARN o ácido ribonucleico, el azúcar que lo forma es una ribosa),
un grupo fosfato y
una base nitrogenada
Si la molécula tiene sólo el azúcar unido a la base nitrogenada entonces se denomina nucleósido.
Las bases nitrogenadas que constituyen parte del ADN son: adenina (A), guanina (G), citosina (C) y timina (T). Estas forman puentes de hidrógeno entre ellas, respetando una estricta complementariedad: A sólo se aparea con T (y viceversa) mediante dos puentes de hidrógeno, y G sólo con C (y viceversa) mediante 3 puentes de hidrógeno.
Los extremos de cada una de las hebras del ADN son denominados 5’-P (fosfato) y 3’–OH (hidroxilo) en la desoxirribosa. Las dos cadenas se alinean en forma paralela, pero en direcciones inversas (una en sentido 5’ → 3’ y la complementaria en el sentido inverso), pues la interacción entre las dos cadenas está determinada por los puentes de hidrógeno entre sus bases nitrogenadas. Se dice, entonces, que las cadenas son antiparalelas.
Estructura primaria
El ADN está compuesto por una secuencia de nucleótidos formados por desoxirribosa. Las bases nitrogenadas que se hallan formando los nucleótidos de ADN son Adenina, Guanina, Citosina y Timina. No aparece Uracilo. Los nucleótidos se unen entre sí mediante el grupo fosfato del segundo nucleótido, que sirve de puente de unión entre el carbono 5' del primer nucleótido y el carbono 3' de siguiente nucleótido.
Como el primer nucleótido tiene libre el carbono 5' y el siguiente nucleótido tiene libre el carbono 3', se dice que la secuencia de nucleótidos se ordena desde 5' a 3' (5' → 3').
Estructura secundaria
La estructura secundaria del ADN fue propuesta por James Watson y Francis Crick, y la llamaron el modelo de doble hélice de ADN.
Este modelo está formado por dos hebras de nucleótidos. Estas dos hebras se sitúan de forma antiparalela, es decir, una orientada en sentido 5' → 3' y la otra de 3' → 5'. Las dos están paralelas, formando puentes de Hidrógeno entre las bases nitrogenadas enfrentadas.
Cuando en una hebra encontramos Adenina, en la otra hebra hallamos Timina. Cuando en una hebra encontramos Guanina, en la otra hallamos Citosina. Estas bases enfrentadas son las que constituyen los puentes de Hidrógeno. Adenina forma dos puentes de Hidrógeno con Timina. Guanina forma tres puentes de Hidrógeno con la Citosina.
Las dos hebras están enrolladas en torno a un eje imaginario, que gira en contra del sentido de las agujas de un reloj. Las vueltas de estas hélices se estabilizan mediante puentes de Hidrógeno.
Esta estructura permite que las hebras que se formen por duplicación de ADN sean copia complementaria de cada una de las hebras existentes.
El ADN es una molécula muy larga en algunas especies y, sin embargo, en las células eucariotas se encuentra alojado dentro del minúsculo núcleo. Cuando el ADN se une a proteínas básicas, la estructura se compacta mucho.
Las proteínas básicas son Histonas o Protaminas.
La unión con Histonas genera la estructura denominada nucleosoma. Cada nucleosoma está compuesto por una estructura voluminosa, denominada core, seguida por un eslabón o "Linker". El core está compuesto por un octámero de proteínas, Histonas, denominadas H2A, H2B, H3 y H4. Cada tipo de histona se presenta en número par. Esta estructura está rodeada por un tramo de ADN que da una vuelta y 3/4 en torno al octámero. El Linker está formado por un tramo de ADN que une un nucleosoma con otro y una histona H1.
El conjunto de la estructura se denomina fibra de cromatina de 100Å. Tiene un aspecto repetitivo en forma de collar de perlas, donde las perlas serían los nucleosomas, unidos por los linker.
El ADN debe encontrarse más compacto en el núcleo de los espermatozoides. En este caso, el ADN se une a proteínas de carácter más básico, denominadas Protaminas. El ADN se enrolla sobre estas proteínas, formando una estructura muy compacta, denominada estructura cristalina del ADN.
DESNATURALIZACIÓN DEL ADN
Cuando la temperatura alcanza el punto de fusión del ADN, la agitación térmica es capaz de separar las dos hebras y producir una desnaturalización. Este es un proceso reversible, ya que al bajar la temperatura se puede producir una renaturalización. En este proceso se rompen los puentes de hidrógeno que unen las cadenas y se produce la separación de las mismas, pero no se rompen los enlaces fosfodiester covalentes que forman la secuencia de la cadena.
La desnaturalización del ADN puede ocurrir, también, por variaciones en el pH
Ácido ribonucleico
El ácido ribonucleico (ARN o RNA, de RiboNucleic Acid, su nombre en inglés) es un ácido nucleico formado por una cadena de ribonucleótidos. Está presente tanto en las células procariotas como en las eucariotas, y es el único material genético de ciertos virus (virus ARN). El ARN celular es lineal y de hebra sencilla, pero en el genoma de algunos virus es de doble hebra.
En los organismos celulares desempeña diversas funciones. Es la molécula que dirige las etapas intermedias de la síntesis proteica; el ADN no puede actuar solo, y se vale del ARN para transferir esta información vital durante la síntesis de proteínas (producción de las proteínas que necesita la célula para sus actividades y su desarrollo). Varios tipos de ARN regulan la expresión génica, mientras que otros tienen actividad catalítica. El ARN es, pues, mucho más versátil que el ADN.
El efecto hipercrómico
se utiliza para cuantificar la cantidad de ADN que se tiene en forma de doble hebra o de cadena sencilla. Al representar la temperatura frente a la absorción a 280 nm se observa una curva sigmoidea, con lo que se deduce que las fuerzas que estabilizan la estructura helicoidal son cooperativas, es decir, cuesta mucho romper las primeras interacciones estabilizantes, pero una vez conseguido el resto se rompe muy fácilmente. Hay un umbral mínimo de energía a partir del cual el proceso de desnaturalización es muy rápido.
La temperatura a la cual se ha conseguido separar el 50% de las hebras se llama temperatura de fusión TM (de melting: fusión en inglés), y da un valor representativo de la estabilidad de una secuencia determinada de ADN. Se ha comprobado que este valor depende de todos los factores que dan estabilidad al ADN, pero sobre todo depende de la cantidad de pares G•C que haya, es decir, de la cantidad de puentes de hidrógeno que se establezcan. Esto pone de relevancia que estos enlaces también contribuyen de manera importante a la estabilidad de la doble hélice o, más bien, que todos los procesos o características que estabilizan la estructura actúan conjunta y cooperativamente. Se ha caracterizado una relación lineal entre el porcentaje de G + C y la TM, de modo que ésta aumenta 0,4 ºC cada 1% más de G + C. En el hombre y los mamíferos el porcentaje medio de G + C es de un 40%, con lo que la temperatura de fusión ronda los 87 ºC, pero hay zonas del genoma, concretamente los promotores, en los que la proporción de G + C sube hasta un 60%, con lo que son zonas del ADN especialmente estables en las que la TM tiene un valor de hasta 95 ºC.
Electroforesis de ácidos nucleicos
No sólo las proteínas presentan carga y son solubles, también los ácidos nucleicos tienen la capacidad de migrar en un campo eléctrico y, por tanto, son susceptibles de ser separados por electroforesis, aunque con algunas variaciones con respecto de las proteínas:
• Son moléculas de mayor tamaño: Lo que implica que el tamaño de poro que nos da la acrilamida puede ser demasiado pequeño.
• Presenta gran cantidad de conformaciones y de tamaños: Lo que supone una gran variabilidad a la hora de diseñar los experimentos, ya que no es lo mismo separar cromosomas que simples nucleótidos.
En principio, es análoga a la electroforesis de proteínas en condiciones desnaturalizantes, salvo que aquí no hace falta el SDS para conferir la misma relación carga/masa es todas las moléculas (aunque se utiliza en el tampón de carga), ya que en los ácidos nucleicos la parte que confiere la carga es el grupo fosfato, y está presente de forma regular en la estructura.
En estas condiciones, y al contrario que las proteínas, si realizáramos una electroforesis libre, observaríamos como todas las moléculas migrarían hacia el polo positivo con la misma velocidad al tener igual. Esta propiedad no nos sirve de mucho, pero hay que decir que en un soporte en gel, como los que vamos a utilizar, las moléculas de ácido nucleico se separan en función de su tamaño.
Soportes
Como ya he avanzado, la acrilamida se queda pequeña en la mayoría de las electroforesis de ácido nucleico, y es por lo que se utiliza otro tipo de soporte.
• Agarosa: polímero que funde a 80 - 90 ºC (aunque hay agarosas de muy diverso tipo, entre las que se encuentran las de bajo punto de fusión), y forman gel a unos 30 ºC. El rango de concentración oscila entre el 0,3 %, que puede separar moléculas del orden de 5 a 60 Kb, y el 2% que puede separar ácidos nucleicos de 0,1 a 0,2 Kb.
• Poliacrilamida: de la que ya hemos hablado y que para ácidos nucleicos ronda unas concentraciones del orden del 3,5%, con una capacidad separadora de 1.000 a 2.000 bases y del 20%, que puede diferenciar moléculas de 6 a 50 bases. Permite separar moléculas que sólo difieren en un solo nucleótido, que implica la utilización de geles de poliacrilamida en secuenciación.
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