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ADN
BASES NITROGENADASLa molécula de ADN es un copolímero donde se hallan presentes estructuras ciertas heterocíclicas denominadas bases nitrogenadas las que, dependiendo de su esqueleto, pueden ser clasificadas como bases púricas o bases pirimídicas. Hay cinco principales, de las cuales cuatro están presentes en el ADN.
NUCLEÓTIDOS
Adenina desoxiAdenosina monofosfato (dAMP)Guanina desoxiGuanosina monofosfato (dGMP)Citosina desoxiCitidina monofosfato (dCMP)Timina desoxitTimidina monofosfato (dTMP)
Cada base nitrogenada forma parte de la estructura de uno de los monómeros componentes del ADN, llamados nucleótidos. En éstos, la base se encuentra enlazada al carbono anomérico de un azúcar, la desoxirribosa-5-fosfato, por medio de uno de sus átomos de N. A la derecha se representa la estructura de un nucleótido y abajo el nombre que reciben dependiendo de la base.
UNIÓN ENTRE NUCLEÓTIDOSLos nucleótidos se unen entre sí gracias al grupo fosfato para constituir la que denominaremos la estructura primaria del ADN (ácido desoxirribonucleico). El átomo de fósforo de la posición 5’ de uno de ellos se une al átomo de oxígeno de la posición 3’ de un nucleótido vecino, constituyéndose así una unión que se denomina enlace fosfodiéster. Esta unión suele simplificarse por medio de una “P” en las representaciones de la estructura primaria del ADN.
ESTRUCTURA PRIMARIA DEL ADN
En esta estructura serepresentan cuatroresiduos de cada uno de losnucleótidos presentes en el ADNunidos mediante la presencia de tres enlaces fosfodiéster.
PUENTES DE HIDRÓGENO ENTRE BASESLa arquitectura molecular de las bases nitrogenadas es tal que pueden enlazarse a través del espacio mediante enlaces de hidrógeno. En efecto, la timina (la base nitrogenada de la timidina) puede establecer dos de estos enlaces con la adenina (proveniente de una adenosina). Un enlazamiento similar, pero con tres uniones, permite que la citosina (de una citidina) se aparee con una guanina (de una guanosina). A estas uniones se les puede representar como A=T y CG.
ORGANIZACIÓN DE LA DOBLE HÉLICEGracias a estos apareamientos de
bases, una segunda cadena se puede unir a la primera para constituir la
estructura secundaria del ADN, la cual consta de dos cadenas enlazadas por medio de la
interacción entre sus bases nitrogenadas (S representa en la figura al azúcar desde la cual se
enlaza la base, y P el enlace fosfodiéster.
Ésta es la llamada estructura bicatenaria de la doble hélice del ADN. En la siguiente página hay
una representación más detallada.
ORGANIZACIÓN DE LA DOBLE HÉLICE
¿PARA QUE SIRVE EL ADN?PROPÓSITOS DE LA INFORMACIÓN GENÉTICAEn el ADN se halla presente la fuente de información para la
síntesis de todas las moléculas de proteína de la célula y el organismo.
Proporciona además la información heredada por células hijas o por la descendencia.
Ambas funciones requieren que la molécula de ADN sirva como un molde: en el primer caso para la transcripción de la información hacia el ARN, y en el segundo para la replicación de la información hacia moléculas de ADN hijas.
En la replicación la estructura bicatenaria del ADN se
desenrrolla para la creación de dos nuevas moléculas de ADN. La enzima ADN polimerasa es la encargada de tal operación y
para ello desarrolla a la molécula de ADN madre,
dejando libres a cada una de las hebras o hélices originales
(representadas en la figura en naranja).
REPLICACIÓN
Acto seguido, la ADN polimerasa comienza a construir dos nuevas hélices (en azul). Los
nucleótidos que irán componiendo las nuevas
cadenas serán dispuestos en ella tomando como referencia la base
nitrogenada presente en la cadena original, de tal manera
que la cadena azul en formación puede entenderse como la
complementaria de la original.
REPLICACIÓN
Así las cosas, si en la cadena original se hallaba presente al
inicio una timidina, la ADN polimerasa “colocará” en la
nueva cadena una adenosina; si la siguiente en la cadena madre
es una guanosina, la ADN polimerasa unirá a la adenosina
anterior una citosina, etc.
REPLICACIÓN
De esta manera, la hebra naranja madre I dirigirá, como si se
tratase de un molde, la síntesis y el orden de los nucleótidos de la
nueva hebra azul II, que será complementaria de I e idéntica a
la hebra madre III. La nueva molécula de ADN hija formada
por las hebras I y II será idéntica a la de ADN madre
conformada por las hebras I y III, y lo mismo se puede decir
de la otra molécula de ADN hija formada por las hebras III y IV.
REPLICACIÓN
I
II
III
IV
ESTRUCTURA COPOLIMÉRICA DEL ARN
En el otro proceso vitalinterviene una molécularelacionada: el ARN (ácidoribonucleico). Su estructura primaria esSimilar a la del ADN, pero en lugar de la timinaSe halla presente la base nitrogenada uracilo.
El ARN es típicamente monocatenario: la cadena única de ARN debe así plegarse sobre sí misma para adquirir características bicatenarias formándose los pares G-C y A-U. Existen diferentes tipos de ARN, y del que nos vamos a ocupar a continuacion es del llamado ARN mensajero, que es con el que se inicia el trabajo de formación de proteínas: la transcripción.
ESTRUCTURA COPOLIMÉRICA DEL ARN
En el proceso de transcripción el ADN nuevamente hace las veces de plantilla, pero ahora para formar una moléculas de ARN. El desenrrollamiento es solamente parcial y ahora, gracias a la presencia de la enzima ARN polimerasa, se genera una nueva molécula a la que se le conoce como ARN mensajero. Al ser parcial, la secuencia que posee el ARN es solamente la correspondiente a un segmento de la cadena del ADN.
FORMACIÓN DE PROTEÍNAS
La serie de bases a lo largo de la cadena del ARN es distinta a la de la plantilla del ADN, pero queda determinada por esta última:
Frente a cada A del ADN aparece un U en la cadenael ARNFrente a cada G del ADN aparece una C en el ARNFrente a una T del ADN aparece una A en el ARN
Frente a C del ADN aparece una G en el ARN.
Por ejemplo, una secuencia en la cadena original del ADN AATCAGTT se transforma en UUAGUCAA en el ARN tras la transcripción.
FORMACIÓN DE PROTEÍNAS
El orden en el que se hallan dispuestas las bases nitrogenadas en el ARN mensajero no es al azar: en él se halla una serie ordenada y especifica de bases, un mensaje hereditario que se escribe en un lenguaje de cuatro letras: el código genético.
FORMACIÓN DE PROTEÍNAS
El ARN mensajero ingresa, luego de liberarse de la ARN polimerasa, al ribosoma, un conglomerado de proteínas donde tiene lugar la síntesis proteínica de forma esférica y que abundan en el citosol.
Los ribosomas son complejos macromoleculares constituidos a base de proteínas y ácido ribonucleico ubicados en citoplasma, mitocondrias, retículo endoplásmico y cloroplastos (32 nm en los eucariotes). Los poseen todas las células, excepto los espermatozoides. Al no poseer endomembranas, hay polémica en torno a si deben ser considerados organelos o no. poseen dos unidades.
FORMACIÓN DE PROTEÍNAS
En el ribosoma, el ARN mensajero cita una serie de moléculas de ARN de transferencia, cada una de las cuales está cargada con un aminoácido específico. El orden con que comparecen las moléculas de ARN de transferencia (y por tanto, la secuencia con que estarán dispuestos los aminoácidos en la estructura primaria de la cadena proteica) depende de la secuencia de bases que haya a lo largo de la cadena de ARN mensajero.
Para que un aminoácido sea transportado por el ARN de transferencia y dispuesto en el ribosoma para formar una proteina, éste debe “revisar” la información que porta el ARN mensajero: una secuencia de GAU en el ARN mensajero es el código para que quien sea transportado para formar parte de la proteína sea el ácido aspártico; UUU es para fenilalanina, GUG es para valina, etc.
FORMACIÓN DE PROTEÍNAS
Esta serie de tres nucleótdos o letras, conjunto al que se le denomina codones, van indicando que aminoácido va a formar parte de la cadena.
Es importante señalar que una diferencia en una sola base de la molécula de ADN o un solo error en la «lectura» del código puede ser la causa de un cambio en la secuencia de aminoácidos.
FORMACIÓN DE PROTEÍNAS
Cuando se modifica la naturaleza de la base mediante una reacción química (oxidación o alquilación por ejemplo) se altera su tamaño y su capacidad para establecer puentes de hidrógeno, con lo que se deteriora el apareamiento de bases entre hebras. Este daño puede dar lugar a mutaciones: cambios en la estructura del ADN que aumentan las posibilidades del desarrollo de células cancerosas.
FORMACIÓN DE PROTEÍNAS
Las mutaciones pueden ser por herencia: una de las más tristemente célebres es la que da origen a la anemia falciforme, padecimiento en donde los glóbulos rojos (derecha) toman formas anormales (izquierda) que restringen el flujo de sangre a órganos vitales del cuerpo humano, provocando inflamación, dolores intensos y en muchos casos tiempos de vida acortados.
FORMACIÓN DE PROTEÍNAS
La hemoglobina humana normal (HbA) es una proteína que consta de cuatro cadenas proteicas, dos a y dos b, con 141 y 146 residuos de aminoácidos respectivamente, unidas por fuerzas iónicas y de van der Waals. En el caso de la hemoglobina falciforme (HbF), resultado de una mutación, un único residuo de valina reemplaza a uno de ácido glutámico en cada una de las dos cadenas b.
FORMACIÓN DE PROTEÍNAS
Aunque el defecto parece ínfimo, el reemplazo origina que las moléculas de HbF se agreguen formando precipitados: se forman glóbulos rojos con la tipica forma de hoz (de allí el nombre) que obstruyen los vasos capilares restringiendo el flujo sanguíneo, dando origen a los síntomas de la enfermedad.
El ADN se puede dañar, no obstante, alterando su arquitectura (estereoquímica) como consecuencia de la exposición del organismo a xenobióticos: los compuestos carcinógenos ejercen sus efectos de esta manera: tal es el caso de las sustitucioones nucleofilicas en donde uno de los nitrógenos básicos de las bases nitrogenadas sobre un puede alquilarse si se expone a un sustrato electrofílico. Este es el caso de los hidrocarburos aromáticos policíclicos, o HAPs, siendo el benzo[a]pireno uno de sus representantes más temidos.
DAÑO AMBIENTAL AL ADN: HAPS
El benzo[a]pireno (presente incluso en el humo del tabaco) se excreta del organismo epoxidándose enzimáticamente para transformarse en un derivado dihidroxilado (fase I del metabolismo de xenbobióticos), el cual posteriormente puede funcionalizarse en un derivado acuosoluble (como los del ácido glucorónico,, fase II del metabolismo de xenobióticos) que permita su excreción del organismo por la orina, por ejemplo.
DAÑO AMBIENTAL AL ADN: HAPS
El problema surge cuando se epoxida nuevamente el derivado dihidroxilado. Se piensa que es éste el verdadero metabolito carcinógeno que sufre el ataque nucleofílico de parte de las bases nitrogenadas, lo que da lugar a una mutación.
DAÑO AMBIENTAL AL ADN: HAPS
DAÑO AMBIENTAL AL ADN: AGENTES ALQUILANTES
Los agentes químicos alquilantes también podrían modificar la estructura del ADN de una manera similar. Ejemplos de compuestos etiquetados como carcinógenos y riesgosos para el medio ambiente son el yoduro de metilo, el sulfato de dimetilo y el bromuro de etileno, de izq. a der.
DAÑO AMBIENTAL AL ADN: INTERCALADORESOtro tipo de sustancias que pueden producir lesiones químicas peligrosasson los intercaladores de ADN. Estas moléculas encajan entre pares de bases forzando a la estructura a desenrollarse en mayor o menor medida dependiendo de su tamaño y de la manera específica como se coloque dentro de la doble hélice.
EL cambio estructural puede dar lugar a inhibición de transcripción, replicación o cánceres.
DAÑO AMBIENTAL AL ADN: INTERCALADORES
Ejemplos de intercaladores de ADN: bromuro de etidio (izquierda) y acridina (derecha).
DAÑO AMBIENTAL AL ADN: METALES PESADOSEspecies metálicas con un cierto estado de oxidación pueden dañar al ADN también. Un ejemplo son los compuestos de Cr6+, (ejemplos: trióxido de cromo CrO3, dicromato de potasio K2Cr2O7). Éstos se reducen intracelularmente a especies de Cr3+, pudiéndose unir entonces al ADN formando entrecruzamientos, lo que ocasiona cambios en la rapidez de la replicación (a concentraciones elevadas inhiben la actividad de la polimerasa), contribuyendo así a la mutagénesis ycarcinogénesis al alterar la cinética y laeficiencia de la replicación del ADN.
https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/1958661.
DAÑO AMBIENTAL AL ADN: RADIACIÓN DE ALTA ENERGÍALa radiación electromagnética de alta energía como la UVB, los rayos X y los gamma, así como la radiactividad, pueden inducir modificaciones en el ADN a partir de formación de especies reactivas sobre su estructura como radicales libres. Estos cambios pueden modificar la estructura del ADN con las consecuentes mutaciones que alteren su funcionamiento normal.
La reparación del ADN es un conjunto de procesos por los cuales una célula identifica y corrige los daños inflingidos a la estructura del ADN. Se estima que hay hasta un millón de lesiones moleculares por célula y por día. Estos mismos por supuesto se ven favorecidos por una exposición contínua a las fuentes de daño, la predisposición genética y la edad. No obstante, no todos los cambios podrían visualizarse como nocivos, sino como respuesta a un cambio natural: las mutaciones pueden ser el resultado de estímulos externos que, transmitidos a los descendientes, delinean el ritmo de evolución de las especies.
REPARACIÓN DEL ADN
