El ácido desoxirribonucleico, o ADN, puede ser la molécula individual más famosa en toda la biología. El descubrimiento de su estructura de doble hélice en 1953 catapultó a James Watson y Francis Crick a un Premio Nobel, e incluso entre los nerds no científicos, el ADN es ampliamente conocido por desempeñar un papel importante en los innumerables rasgos que se transmiten de padres a hijos. En las últimas décadas, el ADN también se ha vuelto notable por su papel en la ciencia forense; La "evidencia de ADN", una frase que no pudo haber existido de manera significativa hasta al menos la década de 1980, ahora se ha convertido en una expresión casi obligatoria en el crimen y los programas de televisión y las películas de procedimientos policiales.
Más allá de tales trivialidades mundanas, sin embargo, se encuentra una estructura elegante e impresionantemente estudiada que existe en casi todas las células de todos los seres vivos. El ADN es la materia de los genes a menor escala y los cromosomas, que son colecciones de muchos, muchos genes, a mayor escala; juntos, todos los cromosomas en un organismo (los humanos tienen 23 pares, incluidos 22 pares de cromosomas "regulares" y un par de cromosomas sexuales) se conocen como el genoma del organismo .
Si alguna vez ha tomado una clase de biología o ha visto un programa educativo sobre genética básica, incluso si no recuerda mucho, probablemente recuerde algo como esto:
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Las letras A, C, G y T pueden considerarse las piedras angulares esquemáticas de la biología molecular. Son abreviaturas de los nombres de las cuatro bases nitrogenadas que se encuentran en todo el ADN, con A representando adenina, C para citosina, G para guanina y T para timina. (Para simplificar, estas abreviaturas generalmente se emplearán en el resto de este artículo). Son combinaciones específicas de estas bases, en grupos de tres llamados codones triples, que en última instancia sirven como instrucciones para las proteínas que producen las plantas de fabricación celular de su cuerpo. Estas proteínas, cada una de las cuales es un producto de un gen en particular, determinan todo, desde qué alimentos puede y no puede digerir fácilmente, hasta el color de sus ojos, su estatura adulta máxima, si puede "enrollar" su lengua o no y muchos otros rasgos
Antes de dar un tratamiento exhaustivo de cada una de estas maravillosas bases, es necesario un tratado sobre los fundamentos del ADN.
Ácidos nucleicos: descripción general
El ADN es uno de los dos ácidos nucleicos que se encuentran en la naturaleza, el otro es el ARN o ácido ribonucleico. Los ácidos nucleicos son polímeros, o cadenas largas, de nucleótidos. Los nucleótidos incluyen tres elementos: un azúcar pentosa (anillo de cinco átomos), un grupo fosfato y una base nitrogenada.
El ADN y el ARN difieren en tres formas básicas. Primero, el azúcar en el ADN es desoxirribosa, mientras que en el ARN es ribosa; La diferencia entre estos es que la desoxirribosa contiene un átomo de oxígeno menos fuera del anillo central. Además, el ADN casi siempre es bicatenario, mientras que el ARN es monocatenario. Finalmente, mientras que el ADN contiene las cuatro bases nitrogenadas mencionadas anteriormente (A, C, G y T), el ARN contiene A, C, G y uracilo (U) en lugar de T. Esta diferencia es esencial para detener las enzimas que actúan sobre el ARN. ejerciendo actividad sobre el ADN y viceversa.
En conjunto, un solo nucleótido de ADN contiene un grupo desoxirribosa, un grupo fosfato y una base nitrogenada extraída de A, C, G o T.
Algunas moléculas que son similares a los nucleótidos, algunas de ellas que sirven como intermedias en el proceso de síntesis de nucleótidos, también son importantes en bioquímica. Un nucleósido, por ejemplo, es una base nitrogenada unida a un azúcar ribosa; en otras palabras, es un nucleótido que falta su grupo fosfato. Alternativamente, algunos nucleótidos tienen más de un grupo fosfato. ATP, o trifosfato de adenosina, es la adenina unida a un azúcar ribosa y tres fosfatos; Esta molécula es esencial en los procesos de energía celular.
En un nucleótido de ADN "estándar", la desoxirribosa y el grupo fosfato forman la "columna vertebral" de la molécula bicatenaria, con fosfatos y azúcares que se repiten a lo largo de los bordes exteriores de la hélice en espiral. Las bases nitrogenadas, mientras tanto, ocupan la porción interior de la molécula. Críticamente, estas bases están unidas entre sí con enlaces de hidrógeno, formando los "peldaños" de una estructura que, si no se enrolla en una hélice, se parecería a una escalera; En este modelo, los azúcares y fosfatos forman los lados. Sin embargo, cada base nitrogenada de ADN puede unirse a uno y solo uno de los otros tres. Específicamente, A siempre se empareja con T, y C siempre se empareja con G.
Como se señaló, la desoxirribosa es un azúcar de anillo de cinco átomos. Estos cuatro átomos de carbono y un átomo de oxígeno están dispuestos en una estructura que, en una representación esquemática, ofrece una apariencia de pentágono. En un nucleótido, el grupo fosfato está unido al carbono designado número cinco por convención de nomenclatura química (5 '). el carbono número tres (3 ') está casi directamente frente a este, y este átomo puede unirse al grupo fosfato de otro nucleótido. Mientras tanto, la base nitrogenada del nucleótido está unida al carbono 2 'en el anillo de desoxirribosa.
Como puede haber reunido en este punto, dado que la única diferencia entre un nucleótido y el siguiente es la base nitrogenada que cada uno incluye, la única diferencia entre dos cadenas de ADN es la secuencia exacta de sus nucleótidos unidos y, por lo tanto, sus bases nitrogenadas. De hecho, el ADN de almeja, el ADN de burro, el ADN de plantas y su propio ADN consisten exactamente en los mismos químicos; estos difieren solo en cómo se ordenan, y es este orden el que determina el producto proteico que cualquier gen , es decir, cualquier sección de ADN que lleve el código para un solo trabajo de fabricación, en última instancia será responsable de la síntesis.
¿Qué es exactamente una base nitrogenada?
A, C, G y T (y U) son nitrogenados debido a la gran cantidad de nitrógeno del elemento que contienen en relación con su masa total, y son bases porque son aceptores de protones (átomos de hidrógeno) y tienden a llevar un positivo neto carga eléctrica. Estos compuestos no necesitan ser consumidos en la dieta humana, aunque se encuentran en algunos alimentos; Se pueden sintetizar desde cero a partir de varios metabolitos.
A y G se clasifican como purinas , mientras que C y T son pirimidinas . Las purinas incluyen un anillo de seis miembros fusionado con un anillo de cinco miembros, y entre ellos, estos anillos incluyen cuatro átomos de nitrógeno y cinco átomos de carbono. Las pirimidinas tienen solo un anillo de seis miembros, que alberga dos átomos de nitrógeno y cuatro átomos de carbono. Cada tipo de base también tiene otros componentes que se proyectan desde el anillo.
En cuanto a las matemáticas, está claro que las purinas son significativamente más grandes que las pirimidinas. Esto explica en parte por qué la purina A se une solo a la pirimidina T, y por qué la purina G se une solo a la pirimidina C. Si las dos cadenas principales de azúcar y fosfato en el ADN bicatenario deben permanecer a la misma distancia, lo que deben si la hélice debe ser estable, entonces dos purinas unidas juntas serían excesivamente grandes, mientras que dos pirimidinas unidas serían excesivamente pequeñas.
En el ADN, los enlaces purina-pirimidina son enlaces de hidrógeno. En algunos casos, este es un hidrógeno unido a un oxígeno, y en otros es un hidrógeno unido a un nitrógeno. El complejo CG incluye dos enlaces HN y un enlace HO, y el complejo AT incluye un enlace HN y un enlace HO.
Metabolismo de purina y pirimidina
Se han mencionado la adenina (formalmente 6-amino purina) y la guanina (2-amino-6-oxi purina). Aunque no forma parte del ADN, otras purinas bioquímicamente importantes incluyen la hipoxantina (6-oxi-purina) y la xantina (2, 6-dioxi-purina).
Cuando las purinas se descomponen en el cuerpo en humanos, el producto final es el ácido úrico, que se excreta en la orina. A y G experimentan procesos catabólicos (es decir, descomposición) ligeramente diferentes, pero estos convergen en la xantina. Esta base se oxida para generar ácido úrico. Normalmente, como este ácido no puede descomponerse más, se excreta intacto en la orina. Sin embargo, en algunos casos, un exceso de ácido úrico puede acumularse y causar problemas físicos. Si el ácido úrico se combina con los iones de calcio disponibles, pueden producir cálculos renales o cálculos en la vejiga, que a menudo son muy dolorosos. Un exceso de ácido úrico también puede causar una afección llamada gota, en la cual los cristales de ácido úrico se depositan en varios tejidos de todo el cuerpo. Una forma de controlar esto es limitar la ingesta de alimentos que contienen purinas, como las vísceras. Otro es administrar el fármaco alopurinol, que aleja la vía de descomposición de las purinas del ácido úrico al interferir con las enzimas clave.
En cuanto a las pirimidinas, ya se han introducido citosina (2-oxi-4-amino pirimidina), timina (2, 4-dioxi-5-metil pirimidina) y uracilo (2, 4-dioxipirimidina). El ácido orótico (2, 4-dioxi-6-carboxipirimidina) es otra pirimidina metabólicamente relevante.
La descomposición de las pirimidinas es más simple que la de las purinas. Primero, el anillo está roto. Los productos finales son sustancias simples y comunes: aminoácidos, amoníaco y dióxido de carbono.
Síntesis de purina y pirimidina
Como se indicó anteriormente, las purinas y las pirimidinas están hechas de componentes que se pueden encontrar en abundancia en el cuerpo humano y no necesitan ser ingeridos intactos.
Las purinas, que se sintetizan principalmente en el hígado, se ensamblan a partir de los aminoácidos glicina, aspartato y glutamato, que suministran el nitrógeno, y del ácido fólico y dióxido de carbono, que proporcionan el carbono. Es importante destacar que las bases nitrogenadas en sí mismas nunca permanecen solas durante la síntesis de nucleótidos, porque la ribosa entra en la mezcla antes de que aparezca la alanina o guanina pura. Esto produce monofosfato de adenosina (AMP) o monofosfato de guanosina (GMP), los cuales son nucleótidos casi completos listos para entrar en una cadena de ADN, aunque también se pueden fosforilar para producir di y trifosfato de adenosina (ADP y ATP) o di- y trifosfato de guanosina (PIB y GTP).
La síntesis de purina es un proceso intensivo en energía, que requiere al menos cuatro moléculas de ATP por purina producida.
Las pirimidinas son moléculas más pequeñas que las purinas, y su síntesis es correspondientemente más simple. Ocurre principalmente en el bazo, la glándula timo, el tracto gastrointestinal y los testículos en los hombres. La glutamina y el aspartato suministran todo el nitrógeno y carbono necesarios. Tanto en las purinas como en las pirimidinas, el componente de azúcar del nucleótido eventual se extrae de una molécula llamada 5-Fosforibosil-1-pirofosfato (PRPP). La glutamina y el aspartato se combinan para producir la molécula de carbamoil fosfato. Esto luego se convierte en ácido orótico, que luego puede convertirse en citosina o timina. Tenga en cuenta que, en contraste con la síntesis de purinas, las pirimidinas destinadas a la inclusión en el ADN pueden permanecer como bases libres (es decir, el componente de azúcar se agrega más adelante). La transformación del ácido orótico en citosina o timina es una ruta secuencial, no una ruta ramificada, por lo que la citosina se forma invariablemente primero, y esto puede retenerse o procesarse en timina.
El cuerpo puede hacer uso de bases de purina independientes aparte de las rutas sintéticas de ADN. Aunque las bases de purina no se forman durante la síntesis de nucleótidos, pueden incorporarse a mitad de camino en el proceso al "salvarse" de varios tejidos. Esto ocurre cuando PRPP se combina con adenosina o guanina de AMP o GMP más dos moléculas de fosfato.
El síndrome de Lesch-Nyhan es una afección en la que la vía de recuperación de la purina falla debido a una deficiencia enzimática, lo que lleva a una concentración muy alta de purina libre (sin salvar) y, por lo tanto, a un nivel peligrosamente alto de ácido úrico en todo el cuerpo. Uno de los síntomas de esta desafortunada enfermedad es que los pacientes a menudo muestran un comportamiento de automutilación incontrolable.
