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Biología (08) · Unidad 2 — Las moléculas de la vida

Ácidos nucleicos: nucleótidos, ADN y tipos de ARN

El ADN y el ARN son cadenas de nucleótidos: un fosfato, un azúcar y una base. El ADN son dos cadenas antiparalelas enrolladas en una doble hélice, con A frente a T (dos puentes de hidrógeno) y G frente a C (tres). Por eso en el ADN hay tanta A como T y tanta G como C: las reglas de Chargaff.

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La explicación

El problema: dónde está escrita la receta

Un hijo se parece a sus padres; una bacteria se divide y las dos hijas saben fabricar las mismas enzimas que la madre. La información para armar un ser vivo pasa de generación en generación, y está escrita en una molécula: el ADN (ácido desoxirribonucleico). Para usar esa información, la célula hace copias de trabajo en otra molécula parecida, el ARN (ácido ribonucleico). Los dos son ácidos nucleicos.

El nucleótido: la pieza

Los ácidos nucleicos son cadenas de nucleótidos, y cada nucleótido tiene tres partes:

Un grupo fosfato (o hasta tres, en los nucleótidos sueltos).
Un azúcar de cinco carbonos: la desoxirribosa en el ADN, la ribosa en el ARN (tema 2.2). Sus carbonos se numeran 1', 2', 3', 4' y 5' («uno prima», «dos prima»…). La desoxirribosa es una ribosa a la que le falta el oxígeno del carbono 2'.
Una base nitrogenada, que es la «letra». Las púricas, de dos anillos, son la adenina (A) y la guanina (G). Las pirimídicas, de un anillo, son la citosina (C), la timina (T), sólo en el ADN, y el uracilo (U), sólo en el ARN.

Sin el fosfato, la base unida al azúcar se llama nucleósido. Y no todos los nucleótidos están en cadenas: el ATP, la moneda de energía de la célula (tema 3.1), es un nucleótido de adenina con tres fosfatos, y coenzimas como el NAD⁺ y el FAD llevan nucleótidos en su estructura.

Cómo reconocerlo
1. ¿Tiene T o desoxirribosa? Es ADN. ¿Tiene U o ribosa? Es ARN.
2. A y G son púricas (dos anillos); C, T y U, pirimídicas (uno).

La cadena: el esqueleto y la dirección

Los nucleótidos se unen por un enlace fosfodiéster: el fosfato unido al carbono 5' de un nucleótido se une al carbono 3' del anterior. Así se arma un esqueleto que alterna azúcar y fosfato, con las bases colgando hacia un costado, como los dientes de un peine. Una cadena de n nucleótidos tiene n − 1 enlaces fosfodiéster.

La cadena tiene dirección: en una punta queda un fosfato libre en el carbono 5' (el extremo 5') y en la otra un –OH libre en el carbono 3' (el extremo 3'). Las secuencias se escriben siempre de 5' a 3': 5'-ATGC-3' no es la misma cadena que 5'-CGTA-3'.

La doble hélice

En 1953, James Watson y Francis Crick propusieron la estructura del ADN, apoyados en las imágenes de difracción de rayos X de Rosalind Franklin (y de Maurice Wilkins) y en los datos de Erwin Chargaff. Lo que propusieron:

Dos cadenas enrolladas una alrededor de la otra en una doble hélice, con los esqueletos de azúcar-fosfato por fuera y las bases hacia adentro, apiladas como los escalones de una escalera caracol.
Antiparalelas: una va de 5' a 3' y la de enfrente, de 3' a 5'.
Complementarias: cada base se aparea con una sola compañera, por puentes de hidrógeno. La A con la T, con dos puentes; la G con la C, con tres. Siempre una púrica frente a una pirimídica, y por eso el ancho de la hélice es constante (unos 2 nm).
Medidas: unos 0,34 nm entre un par de bases y el siguiente, y unos 10 pares por vuelta (3,4 nm). Entre los esqueletos quedan dos surcos, uno mayor y uno menor.
Cómo se escribe la hebra complementaria
1. Debajo de cada base, poné su par: A↔T, G↔C.
2. Esa hebra, leída de izquierda a derecha, va de 3' a 5'. Ejemplo: 5'-GACT-3' queda enfrentada a 3'-CTGA-5'.
3. Para escribirla de 5' a 3', como se acostumbra, dala vuelta: 5'-AGTC-3'.
4. Puentes de hidrógeno: 2 por cada par A-T y 3 por cada par G-C.

Las reglas de Chargaff

Antes de que se conociera la doble hélice, Chargaff midió las bases del ADN de muchas especies y encontró que, en todas, A = T y G = C. La doble hélice lo explica: cada A tiene enfrente una T, y cada G una C. De ahí sale también que las púricas son la mitad: A + G = T + C = 50 %.

Lo que no dicen las reglas es que A sea igual a G: la proporción de pares A-T y G-C cambia de una especie a otra. Y sólo valen para el ADN de doble cadena: en un ARN, que es una cadena sola, no hay por qué haber tanta A como U.

Cómo se resuelve un ejercicio de Chargaff
1. Si te dan una base, su pareja tiene el mismo porcentaje: A = T, G = C.
2. Lo que queda hasta 100 se reparte en partes iguales entre las otras dos.
Ejemplo: A = 30 % → T = 30 %; quedan 40 %, G = C = 20 %.

El ARN y sus tipos

El ARN se diferencia del ADN en tres cosas: tiene ribosa, tiene uracilo en lugar de timina, y suele ser de una sola cadena, que puede plegarse sobre sí misma apareando tramos (sobre todo A-U y G-C). Se fabrica copiando un tramo de ADN (tema 7.2). Los tres tipos principales:

ARN mensajero (ARNm): la copia de un gen que lleva la información hasta los ribosomas.
ARN de transferencia (ARNt): chico, plegado en forma de trébol; trae cada aminoácido al ribosoma y reconoce el lugar con su anticodón.
ARN ribosómico (ARNr): forma los ribosomas junto con proteínas, y es el que cataliza la unión de los aminoácidos: es una ribozima (tema 2.6).

Así se cierra la cadena: el ADN tiene genes, tramos con la información para una proteína; esa información pasa a un ARNm y se traduce en una cadena de aminoácidos; y muchas de esas proteínas son enzimas que hacen las reacciones de la célula. Por eso un cambio en el ADN puede terminar en una enzima que no funciona (unidades 7 y 9).

Un ejercicio resuelto, paso a paso

Un fragmento de ADN de doble cadena tiene un 22 % de timina. a) ¿Qué porcentaje tiene de adenina, de guanina y de citosina? b) Una de sus hebras tiene el tramo 5'-AGGCTTAC-3': escribí la hebra complementaria de 5' a 3'. c) ¿Cuántos puentes de hidrógeno unen las dos hebras en ese tramo? d) Si fuera un ARN de una cadena con 22 % de uracilo, ¿se podría saber cuánta adenina tiene?

En el ADN de doble cadena, cada base tiene enfrente a su pareja: A-T y G-C. De ahí salen Chargaff, la hebra complementaria y la cuenta de puentes.

a) T = 22 % → A = 22 % (cada T tiene enfrente una A).
Quedan 100 − 44 = 56 % para G y C, que son iguales: G = C = 28 %.
Control: A + G = 22 + 28 = 50 %, la mitad son púricas.
b) Debajo de cada base, su pareja:
5'-A G G C T T A C-3'
3'-T C C G A A T G-5'
La de abajo, leída de izquierda a derecha, va de 3' a 5'. Dada vuelta, de 5' a 3': 5'-GTAAGCCT-3'.
c) En AGGCTTAC hay 4 bases A o T (A, T, T, A) y 4 G o C (G, G, C, C).
4 pares A-T × 2 + 4 pares G-C × 3 = 8 + 12 = 20 puentes de hidrógeno.
d) No. Chargaff vale porque en la doble hélice cada base tiene enfrente a su pareja. Un ARN de una cadena no tiene una hebra enfrente: la cantidad de A no depende de la de U.

Dónde se pierde el ejemplo: en el a), poner G = 22 %; en el b), contestar TCCGAATG sin aclarar que va de 3' a 5'; en el c), contar dos puentes por par (16) o tres (24).

Y uno del nivel del parcial

Dos fragmentos de ADN de 100 pares de bases cada uno: uno tiene 60 % de G + C y el otro 30 %. Al calentarlos, las dos hebras de cada fragmento se separan. ¿Cuál se separa a una temperatura más alta, y por qué? ¿Se rompe algún enlace fosfodiéster en el proceso?

Lo que hay que romper para separar las hebras son los puentes de hidrógeno entre las bases. Los enlaces fosfodiéster, que arman cada hebra, son covalentes y el calor moderado no los toca: cada hebra sale entera.

El de 60 % de G + C: 60 pares G-C y 40 pares A-T. Puentes: 60 × 3 + 40 × 2 = 180 + 80 = 260.
El de 30 % de G + C: 30 pares G-C y 70 pares A-T. Puentes: 30 × 3 + 70 × 2 = 90 + 140 = 230.
Conclusión: el rico en G-C tiene más puentes de hidrógeno y necesita más energía (más temperatura) para separarse. Además, los pares G-C se apilan con más fuerza, lo que empuja en el mismo sentido.

Por qué importa: separar las hebras es lo primero que pasa al copiar el ADN (tema 8.2) y al leerlo para hacer ARN (tema 7.2). Y en el laboratorio, calentar y enfriar ADN para separar y volver a juntar las hebras es la base de técnicas como la PCR.

Dónde se pierde el punto: en decir que el calor «rompe el ADN» o corta las hebras. Lo que se separan son las dos hebras; cada una sigue entera.

Dónde se cae la mayoría

Hasta acá la explicación. La práctica es la otra mitad: 7 ejercicios de este tema, en cuatro niveles, que no te dicen sólo si está bien al final sino que te corrigen en cada paso y te explican por qué. Además trae una animación que muestra la idea en movimiento.

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