Ácidos nucleicos II - Metabolismo y Regulación

Metabolismo

En el metabolismo de los ácidos nucleicos es necesario considerar 4 procesos. 

Duplicación o replicación

 Esta es la síntesis de ADN a partir de ADN, la cual ocurre en los núcleos celulares comenzando en sitios múltiples de la cadena de ADN. Es sincrónica a nivel celular porque se inicia al mismo tiempo que los cromosomas del núcleo, pero también es asincronica a nivel molecular porque se inicia a distinto tiempo de los múltiples sitios de una misma molécula de ADN. 

Es simétrica porque se usa como molde de ambas cadenas de ADN y semiconservatiba porque cada cadena de ADN hija conserva la mitad de la cadena de ADN madre que la originó. 

La síntesis avanza en sentido 5´a 3´usando como sustratos desoxirribonucleicos dATP, dCTP, dTTP y dGTP, y como factor al Mg. Esta síntesis se realiza insertando nucleotidos mediante enlaces fosfodiester. 

En el punto donde se separan las dos cadenas de ADN se forma una horquilla de replicación que avanza hacia un extremo de la molécula, mientras que otra horquilla avanza hacia el otro extremo formándose así una burbuja de replicación. 

La cadena de ADN que se sintetiza en la misma dirección de avance de la horquilla se llama hebra adelantada o continua mientras que la que se sintetiza en dirección opuesta se llama hebra retrasada o discontinua porque presenta fragmentos de ADN denominados fragmentos de Okasaki.

Esta síntesis es provocada por un complejo denominado replisoma el cual contiene los siguientes elementos: 

- Primosoma, el cual es el complejo de inicio formado por proteinas iniciadoras que se fijan al ADN, la helicasa o desenrollante, la cual serpara las 2 cadenas, proteinas fijadoreas que evitan que las cadenas se reasocien, topoisomerasa o girasa evita torciones del ADN, y la primasa que sintetiza ADN cebo o iniciador. 

- ADN polimerasa, sintetizan ADN a partir de ARN cebo, eliminan dicho ARN y lo replazan por ADN  corrigiendo errores de inclusión de nucleotidos. Son 4 tipos, alfa, beta, gama y delta. 

- ADN ligasas, son los que unen entre si los fragmentos de Okazaki de la hebra discontinua. 

Transcripción

Es la síntesis de ARN a partir de ADN, el cual sirve para generar ARN para la síntesis de proteínas  Esto ocurre en el núcleo celular. 

Es asimétrica ya que utiliza como molde una sola cadena de ARN. La síntesis avanza en sentido 5´a 3´ utilizando como sustrato ribonucleotidos ATP, GTP, CTP y UTP, y como cofactor Mg.  Los nucleotidos se unen entre si mediante enlaces fosfodiester. Esta síntesis es provocada por las enzimas ARN polimerasas que pueden ser de tres tipos:

Tipo I: sintetiza ARNr en la porción central del núcleolo. a partir de genes denominados organizadores nucleolares.
Tipo II: sintetiza ARNm a partir de los genes estructurales del ADN
Tipo III: sintetiza ARNt a partir de los sitios múltiples del ADN

Cada una de estas enzimas presenta 3 unidades que son:

Unidad de fijación (sigma): se fija al sitio promotor de la cadena de ADN. Este sitio tiene las denominadas cajas o boxes que presentan secuencias de consenso, ricas en A y T.

Unidad catalítica: separa 17 bases nitrogenadas (1 vuelta y media) del ADN y, tomando como molde una sola hebra, sintetetiza el ARN correspondiente.

Unidad de liberación (Rho): desprende el ARN cuando se llega a una secuencia autocomplementaria rica en G y C.

Transcripción Inversa

Es la síntesis de ADN a partir de ARN la cual sirve para incorporar el retrovirus (virus ARN) al de la célula huésped  Esto ocurre en el interior de la célula infectada por dichos virus. La síntesis es provocada por una enzima llamada transcriptasa inversa.

Traducción

Es la síntesis de proteínas en la cual participan los tres tipos de ADN, ocurre en el citoplasma en el interior de los ribosomas. Su nombre se debe a que en el proceso se pasa del lenguaje de bases nitrogenadas a uno constituido por Aa.

Consta de 5 pasos, activación de Aa, iniciación, elongación y terminación de la cadena, y modificadores post-traduccionales.

Regulación

La regulación se da de forma diferente en las células eucariontas y procariontas. En las eucariontas se da por proteínas reguladoras, regulando el grado de espiralización del ADN. En las celulas procariontas existen sistemas llamados operones, cuyo modelo fue propuesto por Jacob y Monod. El operon esta constituido por un grupo de genes controlados por la misma señal. Estos genes pueden ser de tres tipos:


- Gen estructural que contiene la información para la síntesis de un polipeptido o de una proteína  A su nivel se transcribe una molécula de ARNm

- Gen operador se encuentra junto al estructural y contiene el sitio promotor que estimula la transcripción a nivel del gen estructural, ambos genes constituyen el Operon.

- Gen regulador, el cual se encuentra a distancia del operon y codifica para la síntesis de proteínas represoras que inhiben al gen operador para que no se transcriba el gen estructural.

Existen dos sistemas enzimaticos que actúan regulando al operon. Ellos son:

- Los sistemas inducibles son estimulados por los sustratos de las vías metabólicas, en estos sistemas la aparición del sustrato inhibe al gen regulador para que se estimule el estructural y se transcriba la información para la síntesis de la enzima que degradará a dicho sustrato.

- Los sistemas reprimibles, en cambio son inhibidos por los productos de las vías metabólicas, en ellos la aparición del producto de una vía metabólica actuara como co-represor, inhibiendo al gen estructural para que no se transcriba la información para la síntesis de la enzima que genera dicho producto.

Acidos Nucleicos I - ADN, ARN

¿Qué son los ácidos nucleicos?

 Los ácidos nucleicos son biopolimeros de nucleotidos. Son llamados ácidos por su contenido de ácidos fosforicos, los cuales pueden disociarse para ceder H. Y se les dice nucleicos porque fueron aislados inicialmente de los núcleos celulares. Son polinucleotidos, es decir formados por muchos nucleotidos.

¿Que es un nucleotido?

Un nucleotido es un monomero formado por la unión de tres elementos:

- Bases nitrogenadas que derivan de los nucleos heterociclicos purina y pirimidina.

- Azúcar o Aldopentosa, puede ser tanto la D-ribosa como la D2-desoxirribosa, ambas en disposición ciclica furanosa.

- Ácido fosfórico, se une a la pentosa de un nucleosido a nivel de su Carbono 5 (C5) por unión de tipo ester, cuando un nucleosido se une a un ácido forma un nucleótido.

Polinucleotido

Es la unión de muchos nucleotidos entre si, la unió se da por especificacón entre el P (fosforo) de un C5 de un nucleotido y el OH del C3 de la pentosa del nucleotido siguiente, por lo cual se llama unión 5-3, es de tipo fosfo-diester. Uno de los extremos de la cadena del polinucleotido, tiene su P libre, el cual se lo llama extremo 5´ (cinco prima) y el otro extremo tiene el OH del C3 libre llamandose extremo 3´(tres prima).

Estos polinucleotidos son:

 ADN o ácido desoxiribonucleico

Se encuentra ubicado en los nucleos celulares, unido a las mitocondrias y a las histonas, las cuales son proteínas de carácter básico. Cuando se encuentra unido a las proteínas forma un complejo nucleoproteico conocido como cromatina, cuya supercondensación de mitosis (ver.mitosis y meiosis) forma los cromosomas.
La cantidad de ADN de las células somáticas de un organismo permanece constante durante toda la vida del mismo, esa cantidad constituye la fórmula diploide (2n2c).

El ADN esta compuesto quimicamente por: ácido fosforico, desoxirribosa, bases puricas: adenina (A) y guanina (G) y bases pirimídica, citosina (C) y timina (T). El contenido de ambas bases son iguales, por lo que no existe mayor cantidad de puricas que pirimidica ni a la inversa. Así como existe igual cantidad de A que T e igual cantidad de C que de G.

Este esta formado por dos cadenas polinucleotidas enrolladas en un eje formando una estructura helociodal. En esta doble helice, los grupos polares o hidrofobos se encuentran al exterior dándole cargas negativas a la molécula. En cambio las bases nitrogenadas se ubican hacia el interior uniéndose entre si por puentes de H. La uniones de estos de se da de esta forma:
* La A se une por 2 puentes con T
* La G se une por 3 puentes a la C
A estas uniones se las llama complementariedad de bases.
Las cadenas se orientan de forma invertida, una de 5´ a 3´y la otra de 3´a 5´, por lo que hace al ADN una estructura antiparalela, modelo molecular conocido como Watson y Crick.

En las células eucariónticas el ADN se une a proteínas como las histonas, formando la cromatina, estas uniones son de tipo salino o electroestaticas entre OH de los ácidos fosforicos y N2H de las proteínas.
Existen 5 tipos de histonas, H1, H2a, H2b, H3 y H4 que son las que formas un cilindro en el cual el ADN se encuentra enrollado formando nucleos de empaquetamiento llamados nucleosomas.
El ADN contiene el código genetico, este es la información para la sisntesis de todas las proteinas del organismo, el cual se encuentra expresado en la secuencia de bases nitrogenadas. Tres bases nitrogenadas forman un triplete, que simboliza un Aa, miles de tripletes forman un gen.

¿Qué es un Gen?

un gen es una secuencia ordenada de nucleotidos en la molécula de ADN, el cual contiene la información necesaria para la síntesis de proteínas, ARNm, ARNr y ARNt. Es considerada la unidad de almacenamiento de la información genética y la unidad de herencia ya que trasmite la información a la descendencia. Estos se encuentran ubicados en los cromosomas del núcleo celular.

¿Cómo es el código genético?  

El código genético es universal ya que es compartido por todas las especies, es redundante o repetitivo porque posee fragmentos que se repiten a lo largo de la cadena, es colinial debido a que se debe leer base a base desde el principio al final del gen. Y es degenerado porque las 4 bases pueden formar 64 tripletes diferentes, existiendo al menos 3 tripletes para cada Aa. Existen 3 de ellos que no codifican a ninguno, estos son conocidos como tripletes mudos, los cuales son ATT, ATC y ACT, que sirven para indicar el final de la cadena polipeptida.

ARN o ácido ribonucleico

El ARN es un ácido nucleico formado por una cadena de ribonucleotidos. A diferencia del ADN es linial y de hebra sensilla, solo pose una cadena. Otra de las diferencia es que posee uracilo (U) en lugar de timina (T). La molecula de ARN tiene mayor flexibilidad conformacional y capacidad para ejercer diversas funciones.

Existen barios tipos de ARN, estos son:

ARNm (mensajero) 

Este constituye el 20% del total de ARN. Este es generado por transcripción a partir de un gen estructural de ADN, al hacerlo copia tanto exones o fragmentos con sentido, como intrones o fragmentos sin sentidos; el conjunto de intrones y exones constituyen un cintron.
En sí su función es trasmitir información genética desde ADN nuclear hacia el sistema de síntesis de proteinas en el citoplasma y servir de guía para el ensamble de Aa en el orden correcto.
Al copiar los exones e intrones el ARN queda largo y conteniendo fragmentos no codificantes, a este se lo llama ARN heterogeneo nuclear (ARNhn). Luego de esto, se eliminan los intrones y se unen los exones, por un proceso llamado splacing. Además existe otro proceso alternativo, el splacing diferencial, el cual consiste en unir distintos exones luego del procesamiento del ARN, lo cual permite generar distintas proteínas a partir del mismo gen.
Finalmente se agrega 7-metil-GTP al extremo 5´ o extremo CAP, lo cual sirve para que el el ARNm sea reconocido por los ribosomas. Y tambien se agrega ácido adenilico o AMP al extremo 3´o cola poli-A la cual le da estabilidad a la molécula durante la migración del núcleo al citoplasma.

ARNt (transferencia) 

Existe un ARNt especifico para cada Aa por lo que en cada célula existen mas de 20 diferentes. Su disposición es semejante al de una hoja de trébol plegada como una L. Su función es transportar Aa libres del citosol hasta su lugar de ensamble. El Aa esta unido a el por enlace tipo éster entre el COOH del Aa y el OH de C3 de la ribosa del la última adenina.

ARNr (ribosomico)

Es el mas abundante constituyendo el 65% del total de ARN. Es el grupo prostetico de las nucleoproteinas que forman los ribosomas. Estos están formados por la subunidad menor de 40S de sedimentación (unidades Svedberg) formada por 1 ARN y 21 proteinas, y la subunidad mayor  de 60S formada por 2 ARN y 34 proteinas. Los ribosomas pueden unirse a un ARNm formando un polirribosoma o polisoma.

Continuación en Ácidos nucleicos II - Metabolismo 

Enzimas

¿Qué es una enzima?

   Una enzima es una molécula de naturaleza proteica, generalmente proteínas globulares encargada de catalizar reacciones químicas  por lo que se dice que es un catalizador biológico. Todas las enzimas son proteicas, a excepción de algunos ácidos nucleicos que pueden actuar como tales. Muchas veces las enzimas para actuar deben asociarse con compuestos no proteicos para favoreces su accionar, estas asociaciones se dan de dos maneras, estas son:

  - proteína conjugada: que es cuando una enzima proteica se asocia a un grupo prostético, siendo tan fuerte la unión que están juntas antes, durante y después de reaccionar.  

  - complejo holoenzima es aquel en el cual la sustancia unida a la enzima solo se mantiene unida en la reacción ya que esta unión es débil y laxa. En este caso a la enzima se la llama apoenzima y a la sustancia asociada coenzima.
Las apoenzimas son estructuras proteicas, termolabiles, esto quiere decir que se desnaturalizan con el calor, tienen gran tamaño y peso molecular, no dializan, es decir no atraviesan la membrana porosa, no se altera durante la reacción química y actúa acelerando esta reacción.
Por su parte las coenzimas, no tienen estructura proteicas sino que derivan de vitaminas, son termoestables, por lo que resisten al calor. Son pequeñas y de bajo peso molecular, lo que les permite dializar, es decir, atravesar las membranas porosas. Esta se altera durante la reacción y actúa transportando diversos grupos químicos.

¿Qué es una reacción química? 

   Una reacción química es un proceso termodinámico en el cual una sustancia (reactante) se transforma por efecto de un factor energético, cambiando su estructura molecular y sus enlaces por otra sustancia llamada producto. 

   La velocidad con que se da una reacción química depende de la energía de activación, la cual se define como la energía necesaria para llevar a los reactantes inactivos a un estado intermedio llamado estado de activación para que este pueda reaccionar.  

   Esta energía de activación es inversamente proporcional a la velocidad de la reacción química y directamente proporcional al tiempo que tarda la misma. por lo que mientras mayor sea la energía de activación mas lenta sera la reacción química y por lo tanto tarda mas tiempo. Para lo cual existen 2 formas de acelerar una reacción. 

   Una de ellas es aplicando calor a los reactantes de tal forma que alcance más rápidamente el estado activado, pero este caso solo se puede dar en laboratorios. Y la segunda forma y la que más nos importa, es mediante el empleo de catalizadores como las enzimas que disminuye la energía de activación. 

Hay dos tipos de catalizadores: 

- Inorgánicos que son poco específicos y poco activos. de estos son el níquel y el zinc. 

- Orgánicos que son específicos, por lo que pueden actuar solo frente a determinados sustratos, estos no se alteran durante en el transcursos de la reacción. Son muy activos por lo que una pequeña cantidad de catalizadores puede catalizar muchas reacciones químicas. 

Clasificación de las enzimas

Las enzimas se clasifican en 6 grupos de acuerdo a sus funciones, estos son:

- Oxido reductasas, que catalizan reacciones redox, se las llama dehidrogenanas y pueden utilizar coenzimas, tales como el NAD, FAD o al NADP

    Una reacción de reducción - oxidación o redox es toda reacción química en la que uno o mas electrones se transfieren entre los reactivos, provocando un cambio en su estado de oxidación. 

- Transferasas que se encargan de catalizar la transferencia de un grupo químico desde un sustrato a otro. 

- Hidrolasas, catalizan la ruptura de un compuesto al ingresar agua en sus uniones, lo cual casi siempre es irreversible. 

- Liasas, estas también catalizan reacciones de rupturas pero por otros mecanismos diferentes a la hidrólisis. 

- Isomerasas catalizan la transformación reversible de isómeros. 

- Sintetasa o ligasas, se encargan de catalizar la formación de colpuestos complejos a partir de otros más sencillos, estas son reacciones endergonicas que consumen ATP. 

La acción que cumple cada enzima es dada por 3 variables: 

- Especificidad: es la capacidad de una enzima de reconocer a un sustrato, la cual depende del sitio activo de la enzima.
 El sitio activo es una hendidura a nivel de la estructura terciaria, donde las aminoácidos son altamente reactivos y no están necesariamente unidos a nivel de la estructura primaria de la enzima.

Existen 2 teorías que explican el funcionamiento del sitio activo

*La teoría del encaje reciproco, la cual explica que el sitio activo de la enzima es muy rígido por lo cual el sustrato debe adaptarse a él así como una llave a la cerradura. 

*La teoría de encaje inducido que dice que el sitio activo de una enzima no es tan rígido por lo que se adapta a la configuración de diferente sustratos. 

- Afinidad: que es la capacidad de un enzima de unirse a un sustrato, la cual puede valorarse por una constante que es la Km; la Km es la cantidad de sustrato con el cual la enzima alcanza la mitad de su velocidad máxima (Vmax). Esta se mide en μmoles/litro (μM) o cualquier otra medida de concentración. Se lo calcula mediante una gráfica de actividad enzimatica en función de la concentración de sustrato

- Actividad: es la capacidad de la enzima de modificar al sustrato, lo cual se puede medir calculando la cantidad de sustrato consumido en la unidad de tiempo, o midiendo la cantidad de producto producido en dicha unidad.

Estos 3 factores son propios de cada enzima, pero así como hay factores internos que permiten su funcionamiento, también los hay externos, estos son: 

- Temperatura: la actividad enzimatica es directamente proporcional al aumento de temperatura hasta llegar a un punto en que se ha alcanzado la temperatura optima. Si se supera este valor se disminuirá la actividad enzimatica hasta llegar a un valor que la actividad llega a 0 por desnaturalización de la enzima, la temperatura optima para la mayoría de las enzimas es de 35°C a 37°C.

- pH: la influencia del pH es similar al de la temperatura, existe un pH optimo, el cual ronda en los 7,4, y a mayor pH las enzimas se desnaturalizan.

- Concentración de enzimas: la concentración de enzimas es directamente proporcional a la actividad enzimatica.

- Concentración de sustratos: el aumento del mismo produce aumento de la actividad enzimatica, esto sucede hasta alcanzar un valor en el que la actividad enzimatica no aumenta más por saturación de las enzimas que intervienen en la reacción, por lo que se ha alcanzado la Vmax.

Moduladores enzimaticos

Son sustancias que regulan la actividad de las enzimas. Según su mecanismo de acción se dividen en 2 grupos. 

- Alostericos: son los que regulan la enzima uniéndose a ella en un sitio diferente del activo, el cual se conoce como sitio alesterico. A las enzimas que se les ha unido un modulador alosterico, se la llama enzima alosterica. Estos pueden ser positivos o negativos. El positivo activa la enzima mientras que el negativo la inactiva. 

- Covalentes: son los que regulan la enzima mediante adición o sustración de grupos químicos unidos a ella covalentemente. 

Inhibidores enzimaticos

hay dos tipos de inhibidores:

- Irreversibles: son aquellos que inactiva definitivamente a la enzima y asi la reanudación de la actividad enzimatica depende de la re-síntesis de la enzima.

- Reversibles: son aquellos cuya inactivación de la enzima puede revertirse, estos se dividen en 2:

*Competitivos: poseen similitud estructural con el sustrato y asi pueden unirse al sitio activo, esto se puede neutralizar aumentando la concentración de sustrato.

*No competitivos: se unen a la enzima en un sitio diferente al del activo. estos no afectan al Km pero reducen la Vmax.