Ácido nucleico

Los ácidos nucleicos son biomoléculas de gran tamaño que resultan cruciales en todas las células y virus. ^[1] Están compuestos por nucleótidos , que son los componentes monoméricos : un azúcar de 5 carbonos , un grupo fosfato y una base nitrogenada . Las dos clases principales de ácidos nucleicos son el ácido desoxirribonucleico (ADN) y el ácido ribonucleico (ARN). Si el azúcar es ribosa , el polímero es ARN; si el azúcar es desoxirribosa , una variante de la ribosa, el polímero es ADN.

Los ácidos nucleicos son compuestos químicos que se encuentran en la naturaleza. Transportan información en las células y forman el material genético. Estos ácidos son muy comunes en todos los seres vivos, donde crean, codifican y almacenan información en cada célula viva de cada forma de vida en la Tierra. A su vez, envían y expresan esa información dentro y fuera del núcleo celular. Desde el funcionamiento interno de la célula hasta las crías de un ser vivo, contienen y proporcionan información a través de la secuencia de ácidos nucleicos . Esto le da al ARN y al ADN su inconfundible orden de "escalones" de nucleótidos dentro de sus moléculas. Ambos juegan un papel crucial en la dirección de la síntesis de proteínas .

Las cadenas de nucleótidos se unen para formar cadenas principales en espiral y se ensamblan en cadenas de bases o pares de bases seleccionados de las cinco nucleobases primarias o canónicas . El ARN generalmente forma una cadena de bases individuales, mientras que el ADN forma una cadena de pares de bases. Las bases que se encuentran en el ARN y el ADN son: adenina , citosina , guanina , timina y uracilo . La timina solo se encuentra en el ADN y el uracilo solo en el ARN. Usando aminoácidos y síntesis de proteínas , ^[2] la secuencia específica en el ADN de estos pares de nucleobases ayuda a mantener y enviar instrucciones codificadas como genes . En el ARN, la secuenciación de pares de bases ayuda a crear nuevas proteínas que determinan la mayoría de los procesos químicos de todas las formas de vida.

El ácido nucleico fue descubierto parcialmente por primera vez por Friedrich Miescher en 1869 en la Universidad de Tübingen , Alemania. Descubrió una nueva sustancia, a la que llamó nucleína y que, dependiendo de cómo se interpreten en detalle sus resultados, puede verse en términos modernos como un complejo de ácido nucleídico- histona o como el ácido nucleídico real. Phoeber Aaron Theodor Levene, un bioquímico estadounidense, determinó la estructura básica de los ácidos nucleicos. ^{[4] [5] [6]} A principios de la década de 1880, Albrecht Kossel purificó aún más la sustancia del ácido nucleídico y descubrió sus propiedades altamente ácidas. Más tarde también identificó las nucleobases . En 1889 , Richard Altmann creó el término ácido nucleico; en ese momento, el ADN y el ARN no estaban diferenciados. ^[7] En 1938, Astbury y Bell publicaron el primer patrón de difracción de rayos X del ADN. ^[8]

En 1944, el experimento de Avery-MacLeod-McCarty demostró que el ADN es el portador de la información genética y en 1953 Watson y Crick propusieron la estructura de doble hélice del ADN . ^[9]

Los estudios experimentales de ácidos nucleicos constituyen una parte importante de la investigación biológica y médica moderna , y forman una base para la ciencia genómica y forense , y para las industrias biotecnológica y farmacéutica . ^{[10] [11] [12]}

El término ácido nucleico es el nombre general del ADN y el ARN, miembros de una familia de biopolímeros , ^[13] y es un tipo de polinucleótido . Los ácidos nucleicos recibieron su nombre por su descubrimiento inicial dentro del núcleo y por la presencia de grupos fosfato (relacionados con el ácido fosfórico). ^[14] Aunque se descubrieron por primera vez dentro del núcleo de las células eucariotas , ahora se sabe que los ácidos nucleicos se encuentran en todas las formas de vida, incluidas las bacterias , las arqueas , las mitocondrias , los cloroplastos y los virus (existe un debate sobre si los virus están vivos o no ). Todas las células vivas contienen ADN y ARN (excepto algunas células como los glóbulos rojos maduros), mientras que los virus contienen ADN o ARN, pero por lo general no ambos. ^[15] El componente básico de los ácidos nucleicos biológicos es el nucleótido , cada uno de los cuales contiene un azúcar pentosa ( ribosa o desoxirribosa ), un grupo fosfato y una nucleobase . ^[16] Los ácidos nucleicos también se generan dentro del laboratorio, mediante el uso de enzimas ^[17] (ADN y ARN polimerasas) y por síntesis química en fase sólida .

Los ácidos nucleicos son moléculas generalmente muy grandes. De hecho, las moléculas de ADN son probablemente las moléculas individuales más grandes que se conocen. Las moléculas de ácidos nucleicos biológicas bien estudiadas varían en tamaño desde 21 nucleótidos ( ARN de interferencia pequeño ) hasta cromosomas grandes ( el cromosoma humano 1 es una molécula única que contiene 247 millones de pares de bases ^[18] ).

En la mayoría de los casos, las moléculas de ADN que se encuentran en la naturaleza son de doble cadena y las moléculas de ARN son de cadena sencilla. ^[19] Sin embargo, existen numerosas excepciones: algunos virus tienen genomas hechos de ARN de doble cadena y otros virus tienen genomas de ADN de cadena sencilla , ^[20] y, en algunas circunstancias, se pueden formar estructuras de ácido nucleico con tres o cuatro cadenas. ^[21]

Los ácidos nucleicos son polímeros lineales (cadenas) de nucleótidos. Cada nucleótido consta de tres componentes: una nucleobase de purina o pirimidina (a veces denominada base nitrogenada o simplemente base ), un azúcar pentosa y un grupo fosfato que hace que la molécula sea ácida. La subestructura que consiste en una nucleobase más un azúcar se denomina nucleósido . Los tipos de ácidos nucleicos difieren en la estructura del azúcar en sus nucleótidos: el ADN contiene 2'- desoxirribosa mientras que el ARN contiene ribosa (donde la única diferencia es la presencia de un grupo hidroxilo ). Además, las nucleobases que se encuentran en los dos tipos de ácidos nucleicos son diferentes: la adenina , la citosina y la guanina se encuentran tanto en el ARN como en el ADN, mientras que la timina se encuentra en el ADN y el uracilo en el ARN. ^{[ cita requerida ]}

Los azúcares y fosfatos en los ácidos nucleicos están conectados entre sí en una cadena alternada (cadena principal azúcar-fosfato) a través de enlaces fosfodiéster . ^[22] En la nomenclatura convencional , los carbonos a los que se unen los grupos fosfato son los carbonos del extremo 3' y del extremo 5' del azúcar. Esto da direccionalidad a los ácidos nucleicos , y los extremos de las moléculas de ácido nucleico se denominan extremo 5' y extremo 3'. Las nucleobases se unen a los azúcares a través de un enlace N -glicosídico que involucra un nitrógeno del anillo de nucleobase ( N -1 para pirimidinas y N -9 para purinas) y el carbono 1' del anillo de azúcar de pentosa.

Los nucleósidos no estándar también se encuentran tanto en el ARN como en el ADN y, por lo general, surgen de la modificación de los nucleósidos estándar dentro de la molécula de ADN o de la transcripción primaria (inicial) del ARN. Las moléculas de ARN de transferencia (ARNt) contienen una cantidad particularmente grande de nucleósidos modificados. ^[23]

Los ácidos nucleicos bicatenarios están formados por secuencias complementarias, en las que un extenso apareamiento de bases Watson-Crick da como resultado una estructura tridimensional de doble hélice de ácido nucleico altamente repetida y bastante uniforme. ^[24] Por el contrario, las moléculas de ARN y ADN monocatenarios no están limitadas a una doble hélice regular y pueden adoptar estructuras tridimensionales altamente complejas que se basan en tramos cortos de secuencias de pares de bases intramoleculares que incluyen pares de bases Watson-Crick y no canónicos, y una amplia gama de interacciones terciarias complejas. ^[25]

Las moléculas de ácido nucleico normalmente no están ramificadas y pueden presentarse como moléculas lineales y circulares. Por ejemplo, los cromosomas bacterianos, los plásmidos , el ADN mitocondrial y el ADN del cloroplasto suelen ser moléculas de ADN bicatenario circulares, mientras que los cromosomas del núcleo eucariota suelen ser moléculas de ADN bicatenario lineales. ^[15] La mayoría de las moléculas de ARN son moléculas lineales de una sola hebra, pero tanto las moléculas circulares como las ramificadas pueden resultar de reacciones de empalme de ARN . ^[26] La cantidad total de pirimidinas en una molécula de ADN bicatenario es igual a la cantidad total de purinas. El diámetro de la hélice es de aproximadamente 20 Å .

Una molécula de ADN o ARN se diferencia de otra principalmente en la secuencia de nucleótidos . Las secuencias de nucleótidos son de gran importancia en biología, ya que contienen las instrucciones fundamentales que codifican todas las moléculas biológicas, conjuntos moleculares, estructuras subcelulares y celulares, órganos y organismos, y permiten directamente la cognición, la memoria y el comportamiento. Se han hecho enormes esfuerzos para desarrollar métodos experimentales para determinar la secuencia de nucleótidos de las moléculas biológicas de ADN y ARN, ^{[27] [28] y hoy en día se} secuencian cientos de millones de nucleótidos diariamente en centros de genoma y laboratorios más pequeños en todo el mundo. Además de mantener la base de datos de secuencias de ácidos nucleicos GenBank, el Centro Nacional de Información Biotecnológica (NCBI) proporciona recursos de análisis y recuperación para los datos de GenBank y otros datos biológicos disponibles a través del sitio web del NCBI. ^[29]

El ácido desoxirribonucleico (ADN) es un ácido nucleico que contiene las instrucciones genéticas utilizadas en el desarrollo y funcionamiento de todos los organismos vivos conocidos. La sustancia química ADN fue descubierta en 1869, pero su papel en la herencia genética no se demostró hasta 1943. Los segmentos de ADN que llevan esta información genética se denominan genes. Otras secuencias de ADN tienen fines estructurales, o están implicadas en la regulación del uso de esta información genética. Junto con el ARN y las proteínas, el ADN es una de las tres macromoléculas principales que son esenciales para todas las formas de vida conocidas. El ADN consta de dos polímeros largos de unidades monoméricas llamadas nucleótidos, con cadenas principales hechas de azúcares y grupos fosfato unidos por enlaces éster. Estas dos hebras están orientadas en direcciones opuestas entre sí y son, por tanto, antiparalelas . Unido a cada azúcar se encuentra uno de los cuatro tipos de moléculas llamadas nucleobases (informalmente, bases). Es la secuencia de estas cuatro nucleobases a lo largo de la cadena principal la que codifica la información genética. Esta información especifica la secuencia de aminoácidos dentro de las proteínas según el código genético . El código se lee copiando tramos de ADN en el ácido nucleico relacionado, el ARN, en un proceso llamado transcripción. Dentro de las células, el ADN se organiza en largas secuencias llamadas cromosomas. Durante la división celular, estos cromosomas se duplican en el proceso de replicación del ADN, lo que proporciona a cada célula su propio conjunto completo de cromosomas. Los organismos eucariotas (animales, plantas, hongos y protistas) almacenan la mayor parte de su ADN dentro del núcleo celular y parte de su ADN en orgánulos, como mitocondrias o cloroplastos. En contraste, los procariotas (bacterias y arqueas) almacenan su ADN solo en el citoplasma. Dentro de los cromosomas, las proteínas de la cromatina, como las histonas, compactan y organizan el ADN. Estas estructuras compactas guían las interacciones entre el ADN y otras proteínas, lo que ayuda a controlar qué partes del ADN se transcriben. ^{[ cita requerida ]}

El ácido ribonucleico (ARN) funciona convirtiendo la información genética de los genes en secuencias de aminoácidos de las proteínas. Los tres tipos universales de ARN son el ARN de transferencia (ARNt), el ARN mensajero (ARNm) y el ARN ribosómico (ARNr). El ARN mensajero actúa para transportar la información de la secuencia genética entre el ADN y los ribosomas, dirigiendo la síntesis de proteínas y lleva instrucciones desde el ADN en el núcleo hasta el ribosoma. El ARN ribosómico lee la secuencia de ADN y cataliza la formación de enlaces peptídicos. El ARN de transferencia sirve como molécula transportadora de los aminoácidos que se utilizarán en la síntesis de proteínas y es responsable de decodificar el ARNm. Además, ahora se conocen muchas otras clases de ARN . ^{[ cita requerida ]}

Se han diseñado y sintetizado análogos artificiales de ácidos nucleicos . ^[30] Entre ellos se encuentran los ácidos nucleicos peptídicos , los ácidos nucleicos morfolino y bloqueados , los ácidos nucleicos glicólicos y los ácidos nucleicos treósicos . Cada uno de ellos se distingue del ADN o ARN naturales por los cambios en la estructura principal de las moléculas. ^{[ cita requerida ]}

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• Historia de la biología molecular
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• Cuantificación de ácidos nucleicos  – Proceso en biología molecularPáginas que muestran descripciones breves de los objetivos de redireccionamiento

• Wolfram Saenger, Principios de la estructura de los ácidos nucleicos , 1984, Springer-Verlag New York Inc.
• Bruce Alberts, Alexander Johnson, Julian Lewis, Martin Raff, Keith Roberts y Peter Walter Molecular Biology of the Cell , 2007, ISBN 978-0-8153-4105-5 . La cuarta edición está disponible en línea a través de NCBI Bookshelf: enlace 
• Jeremy M Berg, John L Tymoczko y Lubert Stryer, Bioquímica, 5.ª edición, 2002, WH Freeman. Disponible en línea a través de NCBI Bookshelf: enlace
• Astrid Sigel; Helmut Sigel; Roland KO Sigel, eds. (2012). Interacción entre iones metálicos y ácidos nucleicos . Iones metálicos en ciencias de la vida. Vol. 10. Springer. doi :10.1007/978-94-007-2172-2. ISBN 978-94-007-2171-5.S2CID 92951134  .

• Entrevista con Aaron Klug, Premio Nobel por la elucidación estructural de complejos de proteínas y ácidos nucleicos biológicamente importantes, proporcionada por Vega Science Trust.
• Revista de investigación sobre ácidos nucleicos
• Libro de ácidos nucleicos (libro gratuito en línea sobre la química y biología de los ácidos nucleicos)
• Visualización de secuencia de nucleótidos