Clase Taller 4: Ácidos Nucleicos. Estudio comparativo de las macromoléculas

Titulo: Ácidos Nucleicos. Estudio comparativo de las macromoléculas.

Sumario:

• Ácidos nucleicos: estructura general.
• La información secuencial.Su importancia en la información genética.
• Tipos principales: ADN y ARN. Funciones.
• Estructura primaria y secundaria del ADN. Modelo de Watson y Crack.
• ARN. Tipos.
• Características estructurales y funcionales de cada tipo.

Objetivos.

1. Exponer las diferencias estructurales de los ácidos nucleicos.

2. Aplicar el principio de organización de las macromoléculas a los ácidos nucleicos.

3. Explicar la relevancia que tiene el  Modelo de Watson y Crick a la genética molecular.

Desarrollo

Revisión previa para los estudiantes:

Se emplea el término de macromoléculas para enfatizar en el hecho de que estas moléculas son muy grandes. La Química tradicional se dedica al estudio de moléculas cuyos pesos moleculares apenas alcanzan el millar. Sin embargo, el límite inferior del peso molecular de las macromoléculas es de aproximadamente 3 000.

El sistema internacional de medidas (SI) establece como unidad de masa molecular el dalton, que es igual a la duodécima parte de la masa del isótopo más abundante del carbono cuya masa molecular es 12 daltons. En el estudio de las macromoléculas se emplea un múltiplo de esta unidad que es el kilodalton (kDa) que es equivalente a 1 000 daltons. Las macromoléculas más pequeñas presentan masas moleculares de aproximadamente 3 kDa y las mayores pueden tener miles de kilodaltons.

Debido a su alto peso molecular las macromoléculas tienen una baja velocidad de difusión, no atraviesan las membranas, sedimentan en campos gravitacionales a altos y las más grandes pueden ser visualizadas mediante el microscopio electrónico.

2) Carácter Polimérico.

Un polímero es una sustancia que se forma por la unión de moléculas mucho más pequeñas que reciben el nombre genérico de monómeros. Entre ambos existe una relación similar a la existente entre el todo y la parte. Esto significa que aunque muchas propiedades del polímero dependen del tipo y la cantidad de los monómeros, existen propiedades que no pueden derivarse directamente de esas características. La forma en que se organiza la cadena polimérica hace que ésta presente propiedades nuevas.

La unión de dos monómeros produce un dímero cuyas propiedades se diferencian poco del monómero, la unión de un tercer monómero forma un trímero que tampoco se diferencia mucho del monómero. Pero cuando el número de monómeros supera cierto límite aparecen propiedades nuevas en el polímero que ya no son deducibles directamente del número y tipo de los monómeros que lo constituyen. Un ejemplo de como los cambios cuantitativos determina cambios cualitativos.

Los biopolímeros se forman por la prolimerización de sus precursores unidos mediante un enlace covalente. Como todo enlace covalente, éstos son fuertes, estables en agua y con una orientación espacial definida. En los biopolímeros constituidos como Polisacáridos y Proteínas  encontramos dos tipos de enlaces polimerizantes: el glicosídico y el peptídico.

El enlace que une los aminoácidos y forma las proteínas es el peptídico. Es un enlace de tipo amida. Como en el grupo peptídico aparece un grupo carbonilo, éste puede actuar como aceptor para la formación de puentes de hidrógeno. Como además presenta un amino secundario, éste puede ser donante para la formación de puentes de hidrógeno

3) Carácter uniforme

Este carácter expresa que las macromoléculas biológicas se forman por la polimerización de monómeros del mismo tipo. Por eso las proteínas son polímeros de aminoácidos, los polisacáridos de monosacáridos.

La sucesión de los precursores unidos mediante el enlace polimerizante forman el eje covalente principal de la macromolécula, algo así como su columna vertebral.

4) Carácter lineal

La palabra lineal en este contexto no significa que las macromoléculas tengan estructuras fibrilares o filamentosa, sino al hecho de que carecen de ramificaciones. Esto se debe a que los monómeros se van uniendo uno a continuación del otro formando largas cadenas poliméricas donde no existen las ramificaciones.

5) La Cadena Polimérica presenta Polaridad.

Esta es una característica general que deriva de lo expuesto en la página anterior. Como en la formación del polímero cada tipo de precursor participa con grupos químicos bien definidos y en virtud del carácter lineal, cada precursor se encuentra unido mediante un grupo químico al precursor que le antecede en la cadena y mediante el otro grupo con el precursor que le sucede. Por ejemplo, los aminoácidos se unen mediante su grupo amino al aminoácido anterior en la cadena y mediante el grupo carboxilo al posterior. Solamente existen dos excepciones a esta regla: el primer precursor que por ser el primero no tiene ninguno que le anteceda y el último que por ser el último no tienen ninguno que le suceda.

6) Carácter Tridimensional.

Las biomacromoléculas presentan una estructura muy compleja que se extiende en las tres dimensiones del espacio. Aunque todas las moléculas desde las más simples tienen esta característica en las macromoléculas revisten un aspecto esencial para su funcionamiento. Tal es la complejidad de estas moléculas que para estudiar su organización estructural se ha introducido un sistema que nos acerca a la estructura por niveles de complejidad que van desde el primario hasta el cuaternario. No en todas las macromoléculas estos niveles están perfectamente establecidos y hemos tomado las proteínas como paradigma de las macromoléculas para el estudio de su estructura tridimensional.

7) Estructura primaria o nivel primario.

La estructura primaria de una macromolécula se refiere al orden o sucesión de los monómeros en la cadena polimérica. Se origina como resultado de la reacción de polimerización y por lo tanto la interacción que la mantiene es el enlace polimerizante que a su vez es la más fuerte de todas las interacciones que pueden formarse en una macromolécula. Esto hace que el nivel primario sea el más estable de todos los niveles de organización de las macromoléculas.

Atendiendo a su estructura primaria las macromoléculas pueden ser de dos tipos: aquellas que presentan monotonía y las que presentan diversidad en la sucesión de sus monómeros.

8) Estructura Secundaria o Nivel Secundario.

El nivel secundario se refiere a la forma que adopta la cadena polimérica en pequeños sectores de su estructura, digamos de 10 a 20 precursores. Estos sectores pueden tener un disposición regular o irregular. En el primer caso forman una estructura geométrica definida mientras que en el segundo caso no. Existen dos formas principales de estructuras secundarias regulares: las plegadas y las helicoidales.

Las cadenas plegadas se caracterizan porque el eje covalente principal va describiendo una línea en forma de zig-zag con ángulos bien definidos. En ocasiones diferentes sectores de la misma macromolécula que adoptan esta forma se aproximan entre sí y forman una especie de superficie plegada. Es la llamada hoja plegada. Si las cadenas que se colocan una al lado de la otra tienen el mismo sentido de su polaridad se dice que hay una agrupación de tipo paralelo. Cuando la polaridad es opuesta la formación es de tipo antiparalela.

9) Estructura Secundaria                 o Nivel Secundario.

Estructuras helicoidales.

Las estructuras secundarias irregulares no presentan  un patrón geométrico definido, pero no significa que la cadena polimérica puede adoptar cualquier disposición en el espacio. En una macromolécula determinada estas estructuras adoptan siempre la misma forma. Muchas de ellas sirven como forma de unión entre las estructuras secundarias regulares.

10) Estructura Terciaria o Nivel Terciario.

Este nivel se refiere a la conformación espacial total de una cadena polimérica. Se forma como consecuencia del plegamiento de la macromolécula y contiene diferentes sectores que presentan estructuras de tipo secundario regulares e irregulares.

11) Estructura Cuaternaria o Nivel Cuaternario.

Este nivel solamente se ha definido en las proteínas. Se emplea para designar a aquellas proteínas que están formadas por más de una cadena polipeptídica. La molécula global constituye entonces un oligómero (de oligos que significa poco o escaso y meros que significa parte) y cada uno de sus monómeros, es decir, cada cadena polipeptídica se refiere como subunidad.

12) Carácter Informacional.

Una de las características más sobresalientes de las biomacromoléculas es que ellas contienen información. El concepto de información es muy difícil de definir y los intentos que se han hecho hasta el momento han resultado infructuosos. Sin embargo, se puede hacer una aproximación al concepto a partir de dos características fundamentales.

La información está relacionado con lo variado, lo diverso.

En las biomacromoléculas se pueden distinguir dos tipos de información: la secuencial y la conformacional. La información secuencial está contenida en la estructura primaria de las macromoléculas que presentan una sucesión irregular de sus monómeros.

La Información Conformacional.

La información conformacional está contenida en la estructura tridimensional de la macromolécula, es decir, en su conformación.

Los Sitios de Reconocimiento Molecular.

Cualquiera que sea la macromolécula o la función que ésta realice, los sitios de reconocimiento molecular presentan determinadas características que son comunes a todos ellos.

• Los sitios de reconocimiento molecular se encuentran ubicados en la superficie de la macromolécula
• Presentan una forma tridimensional que depende de la estructura tridimensional de la macromolécula
• Estos grupos químicos por lo general pertenecen a la zona variable de la cadena polimérica y se orientan de forma específica en el sitio de reconocimiento

13) Tendencia a la Agregación.

Las macromoléculas tienden a unirse unas con otras formando grandes agregados supramacromoleculares de gran complejidad estructural y funcional. La uniones entre las macromoléculas pueden ser de tipo covalente o mediante interacciones débiles. Puede producirse de forma espontánea o mediante un proceso asistido por otras macromoléculas que reciben el nombre genérico de chaperonas.

14) Relación entre la Estructura y la Función.

Este vínculo es casi una ley del comportamiento de las biomacromoléculas. Mediante el mecanismo de reconocimiento molecular, las biomacromoléculas pueden discriminar entre diferentes biomoléculas, incluso aquellas que presentan estructuras muy similares y esto constituye el primer paso para realizar una función especifica. La unión del ligando induce cambios conformacionales en la macromolécula que facilita la función de esta última. Este sería el segundo paso. El reconocimiento molecular es la forma mediante la cual se manifiesta la información conformacional que a su vez es la manifestación de la información secuencial. De esto se desprende que la relación entre la estructura y la función de las biomacromoléculas se debe en última instancia a su carácter informacional. Y así como se decía que uno de los contenidos de la información secuencial era la forma en que debía construirse la estructura tridimensional de la macromolécula, se puede decir que el contenido de la información conformación es la función que la macromolécula debe realizar.

Cuestionario a desarrollar con los estudiantes:

Ácidos Nucleicos

1. Revise en su libro de texto donde se describe la estructura secundaria del ADN. Una vez estudiado compruebe lo aprendido precisando los siguientes aspectos:

a) ¿Cuáles son las bases que forman el ADN?

b) Haga un esquema de la estructura secundaria del ADN

c) Defina para el ADN los conceptos de polaridad, antiparalelismo, y complementariedad.

d) ¿Qué ventajas puede representar el hecho de que las dos cadenas del ADN estén enrolladas y no se mantengan de forma extendida?

2. Compare la estructura de los ARN y del ADN. Establezca al menos 5 criterios de comparación.

3. ¿A cuál de las características generales de las macromoléculas se refiere el siguiente enunciado?

El ADN presenta secuencia de bases con las cuales interactúan proteínas que modulan la expresión de los genes.

___ Carácter tridimensional.

___ Carácter informacional.

___ Carácter lineal.

___ Carácter uniforme.

4. Cuando se afirma que las moléculas de ADN son las más grandes que existen en las células ¿a cuál de las características generales de las macromoléculas se está haciendo referencia?

___ Carácter polimérico.

___ Carácter tridimensional.

___ Carácter macromolecular.

___ Carácter lineal.

5. En 1965, Robin Holliday describió la estructura secundaria de un ARN de transferencia en levaduras. Este investigador se aventuró a decir que todos los ARN de transferencia debían tener una estructrua secundaria similar. ¿En cuál de las características generales de las macromoléculas se basó Holliday para hacer semejante afirmación?

___ Carácter polimérico.

___ Carácter tridimensional.

___ Tendencia a la agregación.

___ Relación entre la estructura y la función.

6. ¿Cuál de los postulados del modelo de Watson y Crick puede considerarse como el de mayor trascendencia?

___ Está formado por dos hebras de polinucleótidos enrrolladas con un giro a la derecha.

___ Las dos hebras del ADN tienen una disposición antiparalela.

___ Solo admite los pares de base formados por adenina con timina y citosina con guanina.

___ Las bases están hacia el interior de la molécula y el eje covalente principal hacia el exterior.

7. En cuanto al ARN responda.

a) Tipos y funciones de cada uno.

b) Mencione las estructura secundaria y terciaria del ARN de transferencia.

8. Argumente la siguiente afirmación: ”El modelo de Watson y Crick tiene gran relevancia para la genética molecular”

Estudio comparativo de las macromoléculas

1. ¿A cuál de las características generales de las macromoléculas se refiere el siguiente enunciado?

Las macromoléculas biológicas no pueden atravesar las membranas celulares.

___ Carácter macromolecular.

___ Carácter polimérico.

___ Carácter tridimensional.

___ Carácter informacional.

2. ¿A cuál de las características generales de las macromoléculas se refiere el siguiente enunciado?

La estructura secundaria más frecuente en las macromoléculas biológicas es la helicoidal.

___ Carácter macromolecular.

___ Carácter polimérico.

___ Carácter tridimensional.

___ Carácter informacional.

3. ¿A cuál de las características generales de las macromoléculas se refiere el siguiente enunciado?

Las macromoléculas biológicas se forman por la unión de un gran número de moléculas más pequeñas unidas por medio de un enlace covalente.

___ Carácter macromolecular.

___ Carácter polimérico.

___ Carácter tridimensional.

___ Carácter informacional

4. ¿A cuál de las características generales de las macromoléculas se refiere el siguiente enunciado?

Las macromoléculas biológicas pueden realizar interacciones específicas con otras biomoléculas.

___ Carácter macromolecular.

___ Carácter polimérico.

___ Carácter tridimensional.

___ Carácter informacional.

5. ¿A cuál de las características generales de las macromoléculas se refiere el siguiente enunciado?

Las macromoléculas que soportan tensiones en sentido longitudinal presentan una forma filamentosa o fibrilar.

___ Carácter tridimensional.

___ Carácter informacional.

___ Tendencia a la agregación.

___ Relación entre la estructura y la función.

6. ¿A cuál de las características generales de las macromoléculas se refiere el siguiente enunciado?

Los ribosomas son grandes partículas formadas por la asociación de proteínas con ácidos ribonucleicos ribosomales.

___ Carácter tridimensional.

___ Carácter informacional.

___ Tendencia a la agregación.

___ Relación entre la estructura y la función.

Conclusiones

Hacer un resumen de todos los aspectos desarrollados.