LA CÉLULA

 BASES PURICA DE LA CÉLULA
Son dos los tipos de bases, purinas (adenina y guanina) y pirimidinas (citosina y timina). Se establece una doble hélice al formarse enlaces de hidrógeno entre las bases complementarias de cada banda de la molécula de ácido desoxirribonucleico. Estos enlaces se forman entre la adenina (A) y la timina (T) y entre la guanina (G) y la citosina (C).
GENES. La información biológica que pasa desde una generación de células hacia la siguiente, contenida en las unidades de la herencia, se encuentra localizada en regiones específicas de la molécula de DNA que se denominan genes. Cada gen representa un segmento específico de la molécula de DNA que codifica la síntesis de una proteína en particular. La distribución secuencial de bases que constituyen al gen representa la secuencia de aminoácidos de la proteína. El código genético está diseñado de manera que un triplete de bases consecutivas, o codón, indica un aminoácido particular. Cada aminoácido se encuentra representado por un codón diferente. Se está efectuando un enorme esfuerzo en la actualidad para investigar al genoma humano y establecer el mapa de los diversos genes en cada locus cromosómico. Este es un estudio muy prolongado y complicado cuyos resultados tendrán un valor enorme en medicina. Se han añadido ya a los conocimientos de ciertas entidades patológicas diversos datos obtenidos de este estudio.

Acido ribonucleico (RNA)

El ácido ribonucleico (RNA) es semejante al DNA porque está compuesto también de una secuencia lineal de nucleótidos. Sin embargo, es de una sola cadena (fig. 3-9e), y el azúcar en el RNA es ribosa en vez de desoxirribosa. Una de las bases, timina, está sustituida por uracilo (U) que, al igual que la timina, es complementario de la adenina.
El DNA del núcleo sirve como modelo para la síntesis de una cadena complementaria de RNA, proceso que se denomina transcripción. La síntesis de los tres tipos de RNA se encuentra catalizada por tres diferentes polimerasas de RNA: RNA mensajero (RNAm) por la polimerasa II del RNA, RNA de transferencia (RNAt) por la polimerasa III del RNA, y RNA ribosomal (RNAr) por la polimerasa I del ácido ribonucleico. En general, el mecanismo de transcripción es el mismo para los tres tipos de ácidos ribonucleicos.

Acido ribonucleico mensajero

El RNA mensajero (RNAm) sirve como intermediario para el transporte de la información genética codificada en el DNA que especifica la secuencia primaria de proteínas desde el núcleo hacia la maquinaria de síntesis de proteínas en el citoplasma (fig. 3-9e). Cada mRNA es una copia complementaria de la región de la molécula de DNA que constituye un gen. Por tanto, una molécula de RNAm consiste en una serie de codones que corresponden a aminoácidos particulares. Contiene también un codón de inicio (AUG) necesario para iniciar la síntesis de proteínas, y uno o más codones de terminación (UAA, UAG o UGA), que actúan en la terminación de la síntesis de proteínas. Una vez formado en el núcleo, el RNAm se transporta hacia el citoplasma, sitio en el que se traducen las proteínas correspondientes, como se describe en el capítulo 2.
TRANSCRIPCION. La transcripción de DNA en RNAm se inicia con la inserción de la polimerasa II del RNA a un promotor central, una secuencia específica de DNA que está localizada cerca de un gen. En presencia de una serie de cofactores, la polimerasa II del RNA inicia la transcripción desenrollando la doble hélice del DNA dos vueltas, con lo que quedan expuestos los nucleótidos de la cadena de este último. La enzima emplea una de las cadenas expuestas del DNA como modelo sobre el cual ensamblar y polimerizar bases complementarias de la molécula de ácido ribonucleico. El proceso se repite conforme se desenrolla una nueva región de la doble hélice de DNA, y se polimerizan más nucleótidos en la cadena de RNAm creciente. Conforme la enzima se mueve a lo largo de la molécula de DNA, se separa la cadena de RNAm polimerizada de la cadena de DNA modelo, lo que permite que se conformen de nuevo ambas cadenas de DNA en la configuración de doble hélice (fig. 3-9e). La transcripción inicia un triplete de DNA que corresponde al codón de inicio AUG, y termina cuando la polimerasa II del DNA reconoce a un sitio terminador de cadena complementario de los codones de terminación UAA, UAG o UGA. Cuando la enzima llega al terminador de cadena, se descarga desde la molécula de DNA la nueva cadena formada de RNA (transcripción primaria), por lo que queda libre en el nucleoplasma.
La molécula transcriptora primaria es una molécula de RNA de una sola cadena larga, llamada RNA mensajero precursor (pre-RNAm). Contiene tanto segmentos de codificación (exones) como segmentos de no codificación (intrones). Es necesario retirar los intrones, lo mismo que empalmar en conjunto a los exones. Para que suceda lo anterior, el pre-RNAm y las proteínas de procesamiento nuclear forman complejos de partículas de ribonucleoproteínas nucleares heterogéneas (RNPnh) que inician el corte del RNA, con lo que se reduce la longitud de la molécula de pre-RNAm. Otras proteínas de procesamiento, como las partículas pequeñas de ribonucleoproteína nuclear (RNPns), ayudan también en este desdoblamiento para producir ribonucleoproteína mensajera (RNPm). Por último, se retiran las proteínas de procesamiento nuclear del complejo, y el RNAm queda listo para transportarse hacia el exterior del núcleo por los poros nucleares (fig. 3-9e).

Entre las biomoléculas más importantes, por su papel en el almacenamiento y transmisión de la información genética, se encuentran los ácidos nucleicos. Los ácidos nucleicos son macromoléculas formadas por la unión de unidades básicas denominadas nucleótidos. Dicha unión se realiza mediante un tipo de enlace conocido comopuente fosfodiéster. Se puede considerar que los nucleótidos son los sillares estructurales de los ácidos nucleicos, del mismo modo que los aminoácidos lo son de las proteínas o los monosacáridos de los polisacáridos. Además de desempeñar este importante papel, los nucleótidos como tales tienen  otras funciones biológicas de naturaleza energética o coenzimática.

2.-CONSTITUYENTES QUÍMICOS DE LOS NUCLEÓTIDOS.

 

Cuando se somete a los ácidos nucleicos a hidrólisis en condiciones suaves liberan sus unidades monoméricas constitutivas: los nucleótidos. Los sillares estructurales de otras macromoléculas, como los aminoácidos o los monosacáridos, no son susceptibles de descomponerse a su vez en unidades más simples; sin embargo los nucleótidos sí pueden sufrir hidrólisis dando lugar a una mezcla de pentosas, ácido fosfórico ybases nitrogenadas. Cada nucleótido está compuesto por una pentosa, una molécula de ácido fosfórico y una base nitrogenada enlazados de un modo característico. En la Figura 9.1 se muestran estos tres componentes de los nucleótidos.

Las pentosas que aparecen formando parte de los nucleótidos son la β-D-ribosa y su derivado, el desoxiazúcar  2'-β-D-desoxirribosa, en el que el grupo hidroxilo unido al carbono 2' fue sustituido por un átomo de hidrógeno. Ambas se encuentran en forma de anillos de furanosa (ver Figura 9.1). Las posiciones del anillo de furanosa se numeran convencionalmente añadiendo el signo (') al número de cada átomo de carbono para distinguirlas de las de los anillos de las bases nitrogenadas.

El tipo de ácido fosfórico que se encuentra en los nucleótidos es concretamente el ácido ortofosfórico, cuya estructura molecular se muestra en la Figura 9.1.

Las bases nitrogenadas (Figura 9.1) son compuestos heterocíclicos que, gracias al sistema de dobles enlaces conjugados que poseen en sus anillos, poseen un acusado carácter aromático, siendo su conformación espacial planar o casi planar. Sus átomos de nitrógeno poseen pares electrónicos no compartidos que tienen tendencia a captar protones, lo que explica su carácter débilmente básico. Los compuestos originarios de los que derivan estas bases nitrogenadas son la purina y la pirimidina. Existen formando parte de los nucleótidos dos derivados de la purina (bases púricas), que son la adenina y la guanina, y tres derivados de la pirimidina (bases pirimídicas), que son la citosina, la timina y el uracilo. Todas ellas se obtienen por adición de diferentes grupos funcionales en distintas posiciones de los anillos de la purina o de la pirimidina (por ejemplo la adenina es la 6-amino-purina, y el uracilo la 2,4-dioxipirimidina). Las características químicas de estos grupos funcionales les permiten participar en la formación de puentes de hidrógeno, lo que resulta crucial para la función biológica de los ácidos nucleicos.

3.-NUCLEÓSIDOS. 

Las pentosas se unen a las bases nitrogenadas dando lugar a unos compuestos denominados nucleósidos. La unión se realiza mediante un enlace N-glucosídico entre el átomo de carbono carbonílico de la pentosa (carbono 1') y uno de los átomos de nitrógeno de la base nitrogenada, el de la posición 1 si ésta es pirimídica o el de la posición 9 si ésta es púrica. El enlace N-glucosídico es una variante del tipo más habitual de enlace glucosídico (O-glucosídico), que se forma cuando un hemiacetal o hemicetal intramolecular  reacciona con una amina, en lugar de hacerlo con un alcohol, liberándose una molécula de agua.

Los nucleósidos en estado libre sólo se encuentran en cantidades mínimas en las células, generalmente como productos intermediarios en el metabolismo de los nucleótidos. Existen dos tipos de nucleósidos: los ribonucleósidos, que contienen β-D-ribosa como componente glucídico, y los desoxirribonucleósidos, que contienen β-D-desoxirribosa. En la naturaleza se encuentran ribonucleósidos de adenina, guanina, citosina y uracilo, y desoxirribonucleósidos de adenina, guanina, citosina y timina. En la Figura 9.2 se representan un nucleósido de adenina. Los nucleósidos se nombran añadiendo la terminación -osina al nombre de la base nitrogenada si ésta es púrica o bien la terminación -idina si ésta es pirimídica (ver Tabla 9.1), y anteponiendo el prefijo desoxi- en el caso de los desoxirribonucleósidos.

4.-NUCLEÓTIDOS.

      Los nucleótidos resultan de la unión mediante enlace éster de la pentosa de un nucleósido con una molécula de ácido fosfórico. Esta unión, en la que se libera una molécula de agua, puede producirse en cualquiera de los grupos hidroxilo libres de la pentosa, pero como regla general tiene lugar en el que ocupa la posición 5'; es decir, los nucleótidos son los 5' fosfatos de los correspondientes nucleósidos. La posesión de un grupo fosfato, que a pH 7 se encuentra ionizado, confiere a los nucleótidos un carácter marcadamente ácido. En la Figura 9.3 se muestra la estructura de un nucleótido de manera que se puedan distinguir sus tres constituyentes químicos.

Además de los nucleótidos monofosfato que acabamos de describir, que son los sillares estructurales de los ácidos nucleicos, existen en la naturaleza nucleótidos di~ y trifosfato, que resultan de la unión mediante enlace anhidro de 1 ó 2 moléculas de ácido fosfórico adicionales a la que se encuentra unida al carbono 5' de la pentosa(Figura 9.4).

Al igual que los nucleósidos, los nucleótidos pueden clasificarse en ribonucleótidos ydesoxirribonucleótidos según contengan ribosa o desoxirribosa respectivamente. Existen diversas maneras de nombrar los nucleótidos; la de uso más amplio y menor ambigüedad es la que se muestra en la parte derecha de la Tabla 9.1. En ella cada nucleótido se identifica mediante tres letras mayúsculas, la primera de ellas es la inicial de la base nitrogenada, la segunda indica si el nucleótido es Mono~, Di~, o Trifosfato, y la tercera es la inicial del grupo fosfato (en inglés, phosphate); en el caso de los desoxirribonucleótidos se antepone una "d" minúscula a estas tres siglas. Otra forma de nombrarlos consiste en anteponer la palabra ácido y añadir la terminación -ílico al nombre de la base nitrogenada correspondiente; así, por ejemplo, el AMP se puede denominar también comoácido adenílico, o, dado que a pH 7 se encuentra normalmente disociado, como adenilato; este sistema de nomenclatura resulta un tanto ambiguo ya que no especifica el número de grupos fosfato. También es habitual nombrar a los nucleótidos como fosfatos de los correspondientes nucleósidos; por ejemplo, el ATP es el trifosfato de adenosina o adenosín-trifosfato. La Tabla 9.1 contiene un resumen de la nomenclatura más común de los nucleótidos y de sus constituyentes químicos.

PENTOSA	BASE NITROGENADA	NUCLEÓSIDOS	NUCLEÓTIDOS
			MONO~	DI~	TRI~
		RIBONUCLEÓSIDOS	RIBONUCLEÓTIDOS
RIBOSA	ADENINA GUANINA CITOSINA URACILO	ADENOSINA GUANOSINA CITIDINA URIDINA	AMP GMP CMP UMP	ADP GDP CDP UDP	ATP GTP CTP UTP
DESOXIRRIBOSA	ADENINA GUANINA CITOSINA TIMINA	DESOXIRRIBO- NUCLEÓSIDOS	DESOXIRRIBO- NUCLEÓTIDOS
		DESOXIADENOSINA DESOXIGUANOSINA DESOXICITIDINA DESOXITIMIDINA	dAMP dGMP dCMP dTMP	dADP dGDP dCDP dTDP	dATP dGTP dCTP dTTP

Tabla 9.1

5.-FUNCIONES DE LOS NUCLEÓTIDOS.

      Además de ser los sillares estructurales de los ácidos nucleicos, los nucleótidos desempeñan en las células otras funciones no menos importantes. Los enlaces anhidro que unen los grupos fosfato adicionales de los nucleótidos di~ y trifosfato son enlaces ricos en energía: necesitan un aporte energético importante para formarse y liberan esta energía cuando se hidrolizan (Figura 9.5). Esto les permite actuar como transportadores de energía. En concreto, el trifosfato de adenosina (ATP) actúa universalmente en todas las células transportando energía,  en forma de energía de enlace de su grupo fosfato terminal, desde los procesos metabólicos que la liberan hasta aquellos que la requieren. En algunas reacciones del metabolismo, otros nucleótidos trifosfato como el GTP, CTP y UTP, pueden sustituir al ATP en este papel.

Por otra parte, algunos nucleótidos o sus derivados pueden actuar como coenzimas (sustancias orgánicas no proteicas que resultan imprescindibles para la acción de muchos enzimas). Tal es el caso del NAD, NADP, FAD oFMN, nucleótidos complejos en los que aparecen bases nitrogenadas diferentes a las típicas de los ácidos nucleicos, que actúan como transportadores de electrones en reacciones metabólicas de oxidación-reducción.

Otros nucleótidos como el cAMP, un fosfato cíclico de adenosina en el que el grupo fosfato está unido mediante enlace éster al hidroxilo de la posición 3' y al de la posición 5', actúan como mediadores en determinados procesos hormonales, transmitiendo al citoplasma celular señales químicas procedentes del exterior.

6.-ÁCIDOS NUCLEICOS.

       Los ácidos nucleicos son polímeros de nucleótidos. En ellos la unión entre las sucesivas unidadesnucleotídicas se realiza mediante enlaces tipoéster-fosfato que resultan de la reacción entre el ácido fosfórico unido al carbono 5' de la pentosa de un nucleótido y el hidroxilo del carbono 3' de la pentosa de otro nucleótido. Este tipo de unión, en la que un grupo fosfato queda unido por dos enlaces éster a dos nucleótidos sucesivos, se conoce también comopuente fosfodiéster (Figura 9.6). Cuando dos nucleótidos se unen mediante un puente fosfodiéster el dinucleótido que resulta conserva un grupo 5' fosfato libre en un extremo que puede reaccionar con el grupo hidroxilo 3' de otro nucleótido, y un grupo hidroxilo 3' libre que puede reaccionar con el grupo 5' fosfato de otro nucleótido. Esta circunstancia permite que mediante puentes fosfodiéster se puedan enlazar un número elevado de nucleótidos para formar largas cadenas lineales que siempre tendrán en un extremo un grupo 5' fosfato libre y en el otro un grupo hidroxilo 3' libre.  De manera análoga a lo establecido para otros tipos de biomoléculas, el compuesto formado por una cadena de hasta 10 nucleótidos se denominaoligonucleótido, mientras que si el número de unidades nucleotídicas es superior a 10 se dice que es un polinucleótido. En la mayor parte de los casos, las cadenas polinucleotídicas de los ácido nucleicos contienen varios miles de estas unidades monoméricas unidas por puentes fosfodiéster. En la Figura 9.6 se representa un fragmento de una cadena polinucleotídica.

Del mismo modo que se definió la estructura primaria de las proteínas como su secuencia de aminoácidos, se puede definir la estructura primaria de los ácidos nucleicos como su secuencia de nucleótidos. La analogía entre ácidos nucleicos y proteínas todavía se puede llevar más allá: al igual que las cadenas polipeptídicas poseen un esqueleto monótono a partir del cual se proyectan lateralmente los grupos R de los distintos aminoácidos, los ácidos nucleicos poseen un esqueleto de las mismas características, formado por una sucesión alterna de pentosas y grupos fosfato, a partir del cual se proyectan lateralmente las distintas bases nitrogenadas (ver Figura 9.6).

Existen dos tipos principales de ácidos nucleicos: el ácido ribonucleico (RNA), que es un polímero deribonucleótidos, y el ácido desoxirribonucleico (DNA), que es un polímero de desoxirribonucleótidos. Las diferencias en cuanto a composición entre estos dos tipos de ácido nucleico vienen dadas por las que existen entre sus nucleótidos constituyentes y residen en el tipo de pentosa y bases nitrogenadas características de uno y otro (Tabla 9.2).

Los dos tipos de ácidos nucleicos están presentes simultáneamente en todas las células vivas. En los virus, parásitos intracelulares obligados, aparecen de manera excluyente DNA o RNA.