2.2.7. Ácidos nucleicos / 2.2.8. Requerimientos nutricionales

2.2.7. Ácidos nucleicos

En un artículo de la revista Nature de abril de 1953, James Watson (1928-) y Francis Crick (1916-2004) propusieron la estructura de doble hélice para la molécula de ADN (ácido desoxirribonucleico).

El descubrimiento de esta estructura fue fundamental para entender la función del ADN como molécula portadora de la información genética, y trascendental por el profundo significado que la transferencia de información tiene en todos los procesos biológicos.

La unidad básica de la herencia, denominada gen, finalmente pudo correlacionarse con una estructura física: los genes son ADN.

La expresión genética se refiere a todos los procesos por los cuales una célula convierte la información genética en proteínas.

En una célula viva, el flujo de información genética sigue un patrón sencillo:

ADN

Transcripción ↓↑ Transcripción inversa

ARN

Traducción

Proteínas

Esto es: la información genética del ADN se transcribe a ARN y se traduce a proteínas.

Fotografía de Watson y Crick con su modelo tridimensional del ADN. Fuente: thehistoryblog.com

2.2.7.1. ADN

La estructura del ADN es una doble hélice, formada por dos cadenas antiparalelas y complementarias de nucleótidos. Ambas cadenas se extienden longitudinalmente, girando hacia la derecha alrededor de un eje.

Cada nucleótido está formado por una base nitrogenada, desoxirribosa y un grupo fosfato:

1. Una base nitrogenada

Es una molécula plana, con uno o dos anillos en su estructura, que invariablemente contiene nitrógeno. En el ADN, las bases nitrogenadas son:

Adenina (A)

Guanina (G)

Citosina (C)

Timina (T)

2. Desoxirribosa

Es un azúcar de cinco carbonos, cuyo carbono 1’ está unido a un nitrógeno de la base nitrogenada. Como característica, el carbono 2’ no tiene enlace con oxígeno.

3. Un grupo fosfato

El fosfato está unido al carbono 5’ de la desoxirribosa. En el ADN, las bases nitrogenadas forman pares complementarios, unidos por puentes de hidrógeno, y sus superficies planas son perpendiculares al eje de la doble hélice.

A-T. Dos puentes de hidrógeno unen a adenina y timina

G-C. Tres puentes de hidrógeno unen a guanina y citosina

El plano de cada desoxirribosa es casi perpendicular al plano de la base nitrogenada a la que está unida, y se encuentra en el exterior de la molécula.

En cada cadena, el carbono 3’ de un nucleótido está unido al carbono 5’ del siguiente nucleótido por un enlace fosfodiéster. De modo que el extremo 5’ de una cadena termina en fosfato, mientras que el extremo 3’ termina en el grupo hidroxilo (-OH) libre del azúcar.

La secuencia de nucleótidos de una cadena siempre se especifica de 5’→3’, y ambas cadenas son antiparalelas porque las bases de una siguen un sentido, mientras que las de la otra siguen el sentido opuesto. Por ejemplo,

5’ C A G A T G A A G A A A C T G A G G C A 3’

3’ G T C T A C T T C T T T G A C T C C G T 5’

Esta secuencia corresponde a los pares de bases 50 300 250 a 50 300 269 del cromosoma 1 de Homo sapiens.

El genoma es la secuencia completa de bases del ADN, y contiene la información necesaria para construir un organismo completo.

El mapa completo del genoma humano puede consultarse en la base pública de datos del Wellcome Trust Sanger Institute (sanger.ac.uk).

Los diagramas de cromosomas son excepcionalmente susceptibles de amplificación hasta desplegar las secuencias de bases en el ADN.

Varios cientos de genomas han sido secuenciados, y un número aún mayor corresponde a proyectos de secuenciación de genomas que están todavía en proceso.

2.2.7.2. ARN

El ARN es una molécula muy semejante al ADN, pero estructural y funcionalmente ambas tienen diferencias notorias. El ARN es también una cadena de nucleótidos, y cada uno de ellos está formado por una base nitrogenada, ribosa y un grupo fosfato.

1. Una base nitrogenada, que puede ser:

  • Adenina
  • Guanina
  • Citosina
  • Uracilo (U)

A diferencia del ADN, el ARN no contiene timina, sino uracilo.

2. Ribosa

El carbono 2’ de la ribosa sí tiene un enlace con oxígeno, mientras que la desoxirribosa del ADN no.

3. Un grupo fosfato

El fosfato está unido al carbono 5’ de la ribosa.

Así, la principal diferencia entre ADN y ARN es que el ADN está formado por desoxirribonucleótidos; y el ARN, por ribonucleótidos.

En una célula, el ARN puede encontrarse como una cadena sencilla, formando parcialmente dobles cadenas, o asociado con proteínas en estructuras funcionales complejas.

La afinidad por una cadena complementaria es inherente a la estructura de los ácidos nucleicos, y la formación de pares de bases es exacta, ya sea que la cadena complementaria sea ADN o ARN.

Esta formación exacta de pares de bases es utilizada por la célula para transcribir la secuencia de un segmento de ADN a ARN.

ADN molde 3’ G T C T A C T T C T T T G A C T C C G T 5’

ARN siendo sintetizado 5’ C A G A U G A A G A A A → 3

Transcripción es el proceso de síntesis de una cadena de ARN, cuya secuencia es idéntica a la de una cadena de ADN.

La transcripción se realiza solamente sobre una cadena de ADN, la cadena molde, que puede ser cualquiera de las dos; la otra se denomina cadena codificadora. La enzima que transcribe el ADN para sintetizar ARN se denomina ARN polimerasa.

Hay tres tipos principales de ARN:

1. ARN mensajero (ARNm)

Es una cadena lineal con una longitud de 500 a 10 000 bases. Se denomina ARN mensajero porque lleva el mensaje de información genética desde el ADN a los sitios de síntesis de proteínas en la célula: los ribosomas.

En el ADN, y por consiguiente en el ARN, la información está codificada en secuencias de tres bases, y cada triplete se denomina codón.

Por ejemplo:

5’ AAA 3’ Codón para lisina en el ARNm

La secuencia de codones determina la secuencia de aminoácidos en la síntesis de proteínas.

En la siguiente figura, la secuencia de las bases 50 300 250 a 50 300 267 de una cadena de ADN codifica para la secuencia de aminoácidos (de extremo amino a extremo carboxilo: N→C):

N Gln Met Lis Lis Leu Arg C

5’ CAG ATG AAG AAA CTG AGG 3’

En simbología de una sola letra, la secuencia de aminoácidos es QMKKLR. La traducción es diferente si la lectura de codones inicia en una posición corrida una o dos bases hacia el extremo 3’ de la secuencia.

2. ARN de transferencia (ARNt)

Es una cadena corta de 74 a 95 nucleótidos, con afinidad complementaria consigo misma. Su estructura en tres dimensiones es una L, cuyos extremos son los brazos anticodón y aceptor de aminoácido.

El brazo anticodón contiene precisamente un anticodón, que es la secuencia complementaria de un codón:

5’ AAA 3’ Codón para lisina en el ARNm

3’ UUU 5’ Anticodón para lisina en el ARNt

El brazo aceptor de aminoácido se enlaza precisamente a un aminoácido específico, lisina en este ejemplo. Cuando el ARNt porta el aminoácido, se dice que está cargado. Y se denomina ARN de transferencia porque transfiere un aminoácido específico del citoplasma a un ribosoma durante la síntesis de proteínas.

3. ARN ribosomal (ARNr)

Son moléculas de 1500 a 4700 bases de largo, que están asociadas con proteínas y forman complejos denominados ribosomas, cuya función es la síntesis de proteínas.

En procariontes, los ribosomas (70S) están formados por dos subunidades (30S y 50S), y en total contienen tres moléculas de ARN ensambladas con 54 proteínas.

En eucariontes, los ribosomas (80S) están formados por dos subunidades (40S y 60S), y en total contienen cuatro moléculas de ARN ensambladas con 82 proteínas.

Además de ARNm, ARNt y ARNr, hay diversas moléculas pequeñas de ARN que por lo general forman complejos con proteínas y tienen funciones enzimáticas o reguladoras.

2.2.7.3. Replicación del ADN

Cuando una célula se divide en dos células iguales, el ADN tiene que replicarse.

La replicación es el proceso de copia de una molécula de ADN, que resulta en dos moléculas de ADN exactamente iguales.

En la replicación, cada una de las cadenas de la doble hélice sirve de molde para sintetizar la cadena complementaria. Es común denominar el proceso de replicación semiconservativa, porque cada molécula de ADN resultante posee una cadena antigua y una nueva.

Este proceso se realiza en tres etapas:

1. Iniciación

2. Elongación

3. Terminación

Replicación de ADN. La doble hélice es desenrollada y cada hebra hace de plantilla para la síntesis de la nueva cadena. El ADN polimerasa añade los nucleótidos complementarios a los de la cadena original.

1. Iniciación. Consiste en formar una burbuja de replicación, cuyos extremos son dos horquillas.

a) Proteínas iniciadoras localizan el sitio denominado origen de replicación, una secuencia abundante en bases A y T, y se unen a él.

En procariontes hay solamente un origen de replicación en el cromosoma circular.

En eucariontes hay muchos orígenes de replicación a lo largo de cromosomas lineales.

b) Enzimas helicasas separan las cadenas de ADN y avanzan en ambos sentidos por la doble hélice, rompiendo los puentes de hidrógeno que mantienen unidas a ambas cadenas.

c) Enzimas topoisomerasas se unen a las cadenas sencillas, y mediante corte y reenlace relajan el enrollamiento adicional producido por la separación de las cadenas.

d) Proteínas de unión a cadena sencilla previenen la reformación de una doble hélice, y permiten el acceso del aparato de síntesis.

e) La enzima primasa sintetiza una cadena corta de ARN, denominada cebador, que proporciona un extremo 3’-OH sobre el cual puede iniciar la síntesis de ADN.

2. Elongación. En cada burbuja de replicación, holoenzimas ADN polimerasas sintetizan las cadenas complementarias:

a) Holoenzimas ADN polimerasas sintetizan las cadenas complementarias de ambas cadenas separadas, y avanzan bidireccionalmente por ambas horquillas de replicación, agrandando la burbuja. Pero la síntesis de ADN ocurre únicamente en la dirección 5’ → 3’.

b) En una cadena de la burbuja, la síntesis es continua y se le denomina cadena adelantada; pero en la otra, la síntesis es discontinua por fragmentos de Okazaki y se le denomina cadena atrasada.

c) Los cebadores son reemplazados por ADN. Las holoenzimas ADN polimerasas de eucariontes son mucho más complejas que las de procariontes. No sólo sintetizan el ADN, sino que también revisan nucleótido por nucleótido la complementariedad exacta de las bases, reparan las bases mal apareadas y sustituyen los cebadores por ADN.

d) La enzima ADN ligasa une progresivamente los fragmentos de Okazaki.

3. Terminación de síntesis. En procariontes, la terminación ocurre cuando la burbuja de replicación ha recorrido todo el cromosoma circular; y en eucariontes, cuando las burbujas de replicación se encuentran y llegan a los extremos del cromosoma lineal, o cuando el proceso se detiene por una proteína de terminación.

2.2.8. Requerimientos nutricionales del organismo humano

La nutrición es un conjunto de procesos mediante los cuales el organismo transforma e incorpora las sustancias que han de cubrir las necesidades energéticas y estructurales del mismo.

Alimentación es el proceso mediante el que los organismos toman del medio exterior las sustancias que, contenidas en los alimentos, son necesarias para la nutrición.

La digestión es la degradación de alimentos y bebidas en moléculas tan pequeñas, que pueden ser absorbidas por el cuerpo. La digestión es realizada por el aparato digestivo, pero también intervienen el sistema circulatorio y el sistema nervioso.

Los procesos nutricionales tienen tres funciones esenciales en el organismo:

a) Aportar energía.

b) Proporcionar materiales de construcción, síntesis y renovación de las estructuras orgánicas.

c) Proveer sustancias necesarias para la regulación de los procesos químicos.

2.2.8.1. Grupos de alimentos

1. Cereales y tubérculos. Estos grupos aportan la mayor parte de la energía que se necesita diariamente, además contienen gran cantidad de vitaminas y son una fuente importante de fibra dietética. Ejemplos de cereales: maíz, trigo, avena. Ejemplos de tubérculos: papa, camote, yuca.

2. Leguminosas y alimentos de origen animal.Estos alimentos aportan proteínas, que son indispensables para el crecimiento, así como minerales como hierro, calcio y zinc, entre otros, y diversas vitaminas, p. ej., vitamina A y varias del complejo B. Ejemplos de leguminosas: frijoles, lentejas, habas. Ejemplos de alimentos de origen animal: leche, huevo, pescado.

3. Verduras y frutas. Estas constituyen la única fuente de vitamina C, además aportan otras vitaminas como ácido fólico, carotenos, vitamina K y minerales como potasio y hierro, entre otros. Ejemplos de verduras: acelgas, zanahorias, calabacitas. Ejemplos de frutas: guayaba, melón, papaya.

2.2.8.2. Orientación alimentaria

a) Incluir al menos un alimento de cada grupo en cada una de las comidas del día.

b) Consumir lo menos posible de grasas, aceites, azúcar y sal.

c) Tomar agua pura en abundancia. La recomendación para el adolescente y el adulto es de unos 2 litros de agua diariamente.

El consumo de diferentes combinaciones de alimentos proporciona una dieta saludable. En general, las frutas y legumbres se consideran básicas, y se deben complementar con cereales, productos lácteos y carne.

2.2.8.3. Tipos de nutrientes

Los nutrientes se pueden englobar en los siguientes grupos:

a) Carbohidratos

b) Lípidos

c) Proteínas

d) Sales minerales

e) Vitaminas

f) Fibras

g) Agua

Los carbohidratos tienen una función fundamental, que es la energética: constituyen la energía de más fácil utilización.

Los lípidos, además de ser un nutriente energético, suministran ácidos grasos esenciales y proporcionan al organismo las vitaminas liposolubles (A, D, E y K). Su consumo es imprescindible, aunque el exceso en su aporte, sobre todo de grasa saturada, es perjudicial para la salud.

Las proteínas constituyen nuestra estructura y son por tanto imprescindibles para el crecimiento, la renovación de las mismas y la síntesis de muchas sustancias relacionadas con la inmunidad, así como para coadyuvar con las reacciones enzimáticas celulares.

Las vitaminas y los minerales intervienen en muchos procesos celulares. Existen dos tipos de vitaminas en nuestra alimentación:

a) Hidrosolubles: 8 vitaminas del grupo B y vitamina C.

b) Liposolubles: vitaminas A, D, E y K.

El organismo humano requiere unos 20 minerales, que son calcio, fósforo, magnesio, hierro, manganeso, zinc, cobre, cobalto, cromo, molibdeno, yodo, flúor, sodio, potasio, cloro, azufre, selenio, níquel, estaño y silicio.

La fibra se describe, en general, como aquella parte de las plantas que no es digerida por el intestino humano, y se puede clasificar en dos grupos:

a) Insoluble: celulosa, lignina y algunas hemicelulosas. Se encuentran en cereales integrales, centeno y productos derivados del arroz.

b) Soluble: hemicelulosas, pectinas, gomas de exudados, gomas de semillas, derivados de algas y derivados químicos de la celulosa. Se encuentran en frutas (pectina), legumbres y cereales que contienen betaglucano, como cebada y avena.

Las fibras solubles aumentan la viscosidad del bolo alimenticio y el tiempo de vaciado gástrico. También aumenta el tiempo de tránsito intestinal. La fibra insoluble (como el salvado de trigo) disminuye todo lo anterior.

El agua es el compuesto más abundante del cuerpo humano; se encuentra tanto dentro de las células como fuera de ellas. La que está dentro de las células se denomina intracelular y representa aproximadamente 2/3 de toda el agua del organismo. A su vez, el agua extracelular se encuentra entre los espacios celulares externos o circulando en forma de sangre, linfa, etcétera, y representa el tercio restante.


Examen de repaso

1. En los ácidos nucleicos, las bases nitrogenadas forman pares complementarios, que se hallan unidos por medio de:

Ver resultados

Cargando ... Cargando ...

2.   Es la molécula con una estructura de doble hélice, formada por dos cadenas antiparalelas y complementarias de nucleótidos. Cada nucleótido está formado por una base nitrogenada, el azúcar desoxirribosa y un grupo fosfato.

Es la molécula portadora de la información genética:

Ver resultados

Cargando ... Cargando ...

3. ¿Cuál de las siguientes bases nitrogenadas forma parte del ADN, pero no del ARN?

Ver resultados

Cargando ... Cargando ...

4.   En el ADN, las bases nitrogenadas forman pares complementarios, unidos por puentes de hidrógeno, y sus superficies planas son perpendiculares al eje de la doble hélice.

¿Cuál de las siguientes bases nitrogenadas se une de manera complementaria a la adenina?

Ver resultados

Cargando ... Cargando ...

5. En el ADN, ¿cuál de las siguientes bases nitrogenadas se une de manera complementaria a la guanina?

Ver resultados

Cargando ... Cargando ...

6. Es una biomolécula en la forma de cadena de nucleótidos, y cada nucleótido está constituido por una base nitrogenada, el azúcar ribosa y un grupo fosfato:

Ver resultados

Cargando ... Cargando ...

7. ¿Cuál de las siguientes bases nitrogenadas forma parte del ARN pero no del ADN?

Ver resultados

Cargando ... Cargando ...

8.   La afinidad por una cadena complementaria es inherente a la estructura de los ácidos nucleicos, y la formación de pares de bases es exacta, ya sea que la cadena complementaria sea ADN o ARN.

En el ARN, ¿cuál de las siguientes bases se une de manera complementaria a la adenina?

Ver resultados

Cargando ... Cargando ...

9. En el ARN, ¿cuál de las siguientes bases nitrogenadas se une de manera complementaria a la citosina?

Ver resultados

Cargando ... Cargando ...

10. Es el proceso de copia de una molécula de ADN, que resulta en dos moléculas de ADN exactamente iguales:

Ver resultados

Cargando ... Cargando ...

11. ¿Cómo se denomina el tipo de replicación en el que cada molécula de ADN resultante posee una cadena antigua y una nueva?

Ver resultados

Cargando ... Cargando ...

12.   En una cadena de la burbuja de replicación (la cadena adelantada), la síntesis es continua; pero en la otra (la cadena atrasada), la síntesis es discontinua.

¿Cómo se denominan los segmentos de ADN de la cadena atrasada que finalmente son unidos por la ADN ligasa?

Ver resultados

Cargando ... Cargando ...

13. Es el proceso de síntesis de una cadena de ARN, cuya secuencia es complementaria a la de una cadena de ADN:

Ver resultados

Cargando ... Cargando ...

14. Es el proceso de síntesis de una cadena de ADN, cuya secuencia es complementaria a la de una cadena molde de ARN:

Ver resultados

Cargando ... Cargando ...

15. Es el proceso de síntesis de proteína, en el cual una secuencia de codones de ARNm se expresa como una secuencia de aminoácidos:

Ver resultados

Cargando ... Cargando ...

16. En el ADN, ¿cuál sería la secuencia de la cadena complementaria a este segmento? 3' TAC GTC TTC 5'

Ver resultados

Cargando ... Cargando ...

17. La síntesis de una cadena de ARN se realiza en la dirección 5' 3'. Con base en la siguiente cadena de ADN molde, ¿qué cadena de ARN se sintetizaría? 3' TAC GTC TTC 5'

Ver resultados

Cargando ... Cargando ...

18.   Según el código genético, AUG se traduce como metionina (Met), UGC como cisteína, GCA como alanina (Ala), CAG como glutamina (Gln), AGA como arginina (Arg), GAA como ácido glutámico (Glu) y AAG como lisina (Lis). Si el ARN siempre se traduce en la dirección 5′ à 3′ y las proteínas siempre se sintetizan del extremo amino al extremo carboxilo (N à C) .

¿Cómo se traduciría esta secuencia de ARNm? 5' AUG CAG AAG 3'

Ver resultados

Cargando ... Cargando ...

19. Es el conjunto de todas las proteínas que un organismo es capaz de sintetizar:

Ver resultados

Cargando ... Cargando ...