1656751089.Serie Nº 5. Nucleótidos y Ácidos Nucleicos

Serie Nº 5
Nucleótidos y Ácidos Nucleicos
SERIE Nº 5. Nucleótidos y Ácidos Nucleicos
Nucelótidos
La unión de bases nitrogenadas a una pentosa constituye un nucleósido (figura de
la izquierda). La unión de tipo éster entre un nucleósido y el ácido fosfórico se llama
nucleótido (figura de la derecha).
Los nucleótidos, están constituidos por:
• una pentosa. Las que aparecen formando parte de los nucleótidos son la βD-ribosa y su derivado, el desoxiazúcar 2'-β
β-D-desoxirribosa, en el que el
grupo hidróxido unido al carbono 2' fue sustituido por átomo de hidrógeno.
Ambas se encuentran en forma de anillos furanósicos. Las posiciones del
anillo se numeran convencionalmente añadiendo el apóstrofe (') al número
de cada átomo de carbono para distinguirlas de las de los anillos de las
bases nitrogenadas.
• una base nitrogenada. Son compuestos heterocíclicos que, gracias al
sistema de dobles enlaces conjugados presentes en sus anillos, poseen un
gran carácter aromático. Sus átomos de nitrógeno poseen pares
electrónicos no compartidos que tienen tendencia a captar protones, lo
que explica su carácter débilmente ácido. 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. Las características químicas de estos grupos
funcionales les permiten participar de la formación de puentes de
hidrógeno, lo que resulta crucial para la función biológica de los ácidos
nucleicos.
• ácido fosfórico.
En conclusión, los nucleótidos son ésteres fosfóricos de nucleósidos. El fosfato
confiere carácter ácido a la molécula y normalmente se encuentra esterificado al
hidróxido en posición 5'. A veces, los nucleótidos contienen más de un grupo fosfato,
unidos entre sí mediante un enlace anhídrido. Cada nucleótido se identifica mediante
tres letras mayúsculas, la primera de ellas es la inicial de la base nitrogenada, la
segunda indica si el nucleósido es Mono-, Di- o Tri-fosfato, y le tercera es la inicial del
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grupo fosfato (en inglés: phophate); en el caso de los desoxirribonucleótidos se
antepone una "d" minúscula a estas tres siglas.
PENTOSA
BASE
NITROGENADA
Ribosa
Adenina
Guanina
Citosina
Uracilo
Desoxirribosa
Adenina
Guanina
Citosina
Timina
NUCLEÓSIDO
RIBONUCLEÓSIDOS
Adenosina
Guanosina
Citidina
Uridina
DESOXIRRIBONUCLEÓSIDOS
Desoxiadenosina
Desoxiguanosina
Desoxicitidina
Desoxitimidina
NUCLEÓTIDO
MONODITRIRIBONUCLEÓTIDOS
AMP
ADP
ATP
GMP
GDP
GTP
CMP
CDP
CTP
UMP
UDP
UTP
DESOXIRRIBONUCLEÓTIDOS
dAMP
dADP
dATP
dGMP
dGDP
dGTP
dCMP
dCDP
dCTP
dTMP
dTDP
dTTP
Los nucleótidos trifosfato son particularmente importantes en el metabolismo, ya
que la hidrólisis de los enlaces fosfato (de alta energía, β y γ) proporcionan la energía
necesaria para impulsar multitud de procesos celulares. Las 3 moléculas de ácido
fosfórico se distinguen mediante los prefijos α, β y γ. Cada tipo de nucleótido trifosfato
parece haberse especializado en rutas metabólicas distintas:
• La energía libre almacenada en adenosinatrifosfato (ATP) se utiliza para
desarrollar trabajo mecánico (contracción muscular), osmótico (transporte
activo), químico (biosíntesis) y eléctrico (transmisión del impulso nervioso).
• La guanosinatrifosfato (GTP) interviene en la síntesis de proteínas.
• La uridinatrifosfato (UTP) interviene en el metabolismo de los glúcidos.
• La citosina-5'- trifosfato (CTP) interviene en el metabolismo lipídico.
Los nucleótidos cíclicos, en los que el ácido ortofosfórico esterifica dos hidróxidos
(el 3' y el 5') de la misma ribosa, actúan como segundos mensajeros en la respuesta
hormonal. Los más comunes son la adenosina-3',5'-monofosfato o AMP cíclico
(AMPc), la guanosina-3',5'-monofosfato o GMP cíclico (GMPc).
Otros nucleótidos actúan como coenzimas o grupos prostéticos.
Ácidos Nucleicos
Constituyen el grupo de biomoléculas descubierto más recientemente (Friedrich
Miescher, 1869). Su función biológica no quedó plenamente demostrada hasta 1944
(75 años después de su descubrimiento), año en que Avery, McLeod y McCarty por un
lado y Hershey y Chase por otro, demostraron que el ADN era la molécula portadora
de la información genética.
Los polinucleótidos son cadenas lineales de nucleótidos unidas por enlaces
fosfodiéster, que constituyen los ácidos nucleicos.
En la cadena de un polinucleótido se pueden distinguir dos partes:
• el esqueleto azúcar-fosfato: es la parte común a todos los polinucleótidos
de igual longitud. Consiste en una secuencia alternante de pentosas y
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ácido fosfórico, unidos entre sí mediante enlaces de tipo éster. Es la parte
más hidrofílica de la molécula y está cargada negativamente.
• la secuencia de bases nitrogenadas: es lo que distingue a un polinucleótido
de otro. Por convención, la secuencia de bases de un polinucleótido se
escribe siempre en la dirección 5'→ 3'.
Existen 2 tipos de ácidos nucleicos: el ácido desoxirribonucleico (ADN) y el ácido
ribonucleico (ARN), y están presentes en todas las células vivas. En los virus, parásitos
intracelulares obligados, aparecen de manera excluyente ADN o ARN.
El ADN y el ARN se diferencian porque:
• el peso molecular del ADN es generalmente mayor que el del ARN.
• el azúcar del ARN es ribosa, y el del ADN es desoxirribosa.
• el ARN contiene la base nitrogenada uracilo, mientras que el ADN presenta
timina.
• la configuración espacial del ADN es la de una doble hebra helicoidal,
mientras que el ARN está formado, casi siempre, por una sola hebra lineal.
Ácido Desoxirribonucleico
Los primeros estudios físicos del ADN mediante la técnica de difracción de rayos X
fueron realizados por Maurice Walkins y Rosalind Franklin a primeros de la década
de 1950. Estos estudios pusieron de manifiesto que:
• la molécula de ADN es una cadena extendida con una estructura altamente
• ordenada.
• es helicoidal y tiene 20 Å de diámetro.
• la hélice del ADN está compuesta por dos hebras helicoidales.
• las bases de los nucleótidos están apiladas con los planos separados por
una distancia de 3,4 Å.
El análisis químico del contenido molar de las bases de DNA procedente de
diversos organismos reveló que en todos los casos [A]=[T] y que [G]=[C], o lo que es lo
mismo, [A+G]=[T+C] ([purinas]=[pirimidinas]). Esta es la llamada ley de Chargaff.
En 1953, James Watson y Francis Crick combinaron los datos químicos y físicos del
ADN, y propusieron un modelo en el que las dos hebras están enrolladas una alrededor
de la otra formando una doble hebra helicoidal. Las dos cadenas de polinucleótido se
mantienen equidistantes, al tiempo que se enrollan en torno a un eje imaginario. Cada
hebra tiene una orientación diferente: a cada lado de la doble hélice de ADN, el
extremo 3'-OH de una de las hebras se enfrenta al extremo 5' de la otra. En otras
palabras, las dos hebras son antiparalelas. La doble hélice es dextrógira. Esto quiere
decir que si alguien mira a la molécula a lo largo de su eje longitudinal, en cualquier
dirección, cada hebra sigue una trayectoria en el sentido de las agujas.
En este modelo, el esqueleto azúcar-fosfato (la secuencia alternante de
desoxirribosa y fosfato, unidos por enlaces fosfodiéster 5'-3') sigue una trayectoria
helicoidal en la parte exterior de la molécula mientras que las bases se dirigen desde la
cadena al eje central imaginario. Las bases de una hebra están enfrentadas con las de
la otra, formando los llamados pares de bases. Las dos bases que forman un par de
base están en el mismo plano y dicho plano es perpendicular al eje de la hélice. Las
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parejas formadas son siempre una purina y una pirimidina, de forma que ambas
cadenas están siempre equidistantes, a unos 11 Å una de la otra. Los pares de bases
adoptan una disposición helicoidal en el núcleo central de la molécula, de forma que
hay 10 PB por cada vuelta de la hélice. Las bases se unen entre sí mediante puentes de
hidrógeno. La adenina se empareja siempre con la timina mediante dos puentes de
hidrógeno, mientras que la citosina se empareja siempre con la guanina por medio de
3 puentes de hidrógeno. El apareamiento de bases es una de las características más
importantes de la estructura del ADN porque significa que las secuencias de bases de
ambas hebras son complementarias. Este hecho tiene implicaciones muy profundas
con respecto al mecanismo de replicación del ADN, ya que la separación de las dos
hebras del ADN y la síntesis de las hebras complementarias da lugar a dos moléculas
iguales a la original.
La hélice presenta dos surcos helicoidales externos, uno de ellos ancho y profundo
(surco mayor) y el otro estrecho y poco profundo (surco menor). Las proteínas que
interaccionan con el ADN lo hacen, mayoritariamente, por el surco mayor, que es lo
suficientemente amplio como para permitir que las moléculas proteicas entren en
contacto con las bases.
Esta estructura descrita por Watson y Crick es la que adopta el ADN en condiciones
de humedad elevada (92% de humedad relativa) y corresponde al B-ADN (la más
común y normal en nuestro organismo). Sin embargo, el ADN puede adoptar otras
estructuras:
A-DNA, B-DNA y Z-DNA
La forma A-ADN, se encuentra en uno de los pasos de la transmisión de la
información, cuando se forma un híbrido de ADN-ARN. Es una hélice dextrógira más
corta y ancha que el B-ADN, donde las bases se sitúan más inclinadas con respecto al
eje de la hélice. Es la estructura que adopta cuando está menos hidratado (65-75% de
humedad relativa).
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La forma Z-ADN, es una estructura que se encuentra cuando alternan purinas y
pirimidinas en la secuencia. Se denomina así por la disposición en zig-zag de los grupos
fosfato, es una hélice levógira más larga y estrecha que el B-ADN, y su función aún está
por clarificar.
Esta estructura de doble hélice del ADN no es la más habitual. En las células
eucariotas, el ADN forma la cromatina. En la cromatina, el ADN se enrolla en torno a
unas proteínas llamadas histonas empaquetándose de forma muy compacta. En
procariotas, así como en las mitocondrias y cloroplastos, el ADN se presenta en forma
circular, en la que la doble hélice se cierra por sus extremos. Este ADN circular puede
presentar diversos grados de superenrrollamiento.
La estructura helicoidal del ADN se mantiene gracias a interacciones no
covalentes. Por un lado, el apilamiento entre las bases adyacentes de una misma
hebra favorece interacciones hidrofóbicas entre éstas, y por otro lado, cada base está
unida a su pareja mediante puentes de hidrógeno. Esta configuración ordenada, que
es presumiblemente la que se encuentra en la naturaleza, se denomina estructura
nativa. Si se calienta un ADN de doble hebra desaparecen las interacciones no
covalentes que estabilizan su estructura helicoidal nativa y las dos hebras se separan y
adoptan un estado desorganizado denominado estructura desnaturalizada. La
transición entre el estado nativo y el desnaturalizado se conoce como
desnaturalización. El ADN desnaturalizado, por tanto, es de una sola hebra. Si se deja
enfriar una disolución de ADN monocatenario (desnaturalizado), se vuelve a formar el
ADN nativo (de doble hebra). Este proceso recibe el nombre de renaturalización del
ADN.
La forma más corriente de desnaturalizar el ADN es por calentamiento. Otro
agente desnaturalizante es el pH elevado porque cambia la carga de algunos grupos
que forman parte de los puentes de hidrógeno. En agua destilada (con una fuerza
iónica muy reducida) también se produce la separación de las hebras. Este fenómeno
se debe a que en agua muy pura, hay una fuerte repulsión entre las cargas negativas
de los grupos fosfato.
En las células eucariotas, el ADN está presente en el núcleo, así como en
mitocondrias y cloroplastos. Cada cromosoma eucariota contiene una única molécula
de ADN cuya masa molecular es enorme: aproximadamente de 2 × 106 dalton por μm
de longitud. En procariotas, el ADN se encuentra en el citoplasma celular, en una zona
denominada región nuclear. Tanto en unos como en otros, la molécula de ADN es el
soporte material de los caracteres hereditarios de una especie y es trasmitida
íntegramente a la progenie. El modelo de Watson y Crick explica las propiedades
biológicas del ADN:
• Resistencia a la alteración de las bases (mutación): si aparece una base
incorrecta, su emparejamiento se ve impedido, y la doble hélice se altera.
Estos errores pueden ser reparados por medio de diversos mecanismos
celulares, ya que la hebra complementaria conserva la información.
• Duplicación del material genético (replicación): las células hijas tienen la
misma dotación genética que su progenitora. Para obtener esta duplicación
exacta, basta la separación de las dos cadenas de la doble hélice y la síntesis
de las complementarias.
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•
•
Expresión
de
la
información
genética
(transcripción):
la
complementariedad de bases permite a la célula utilizar una hebra de ADN
como molde para sintetizar una molécula de ARN con la misma secuencia
que su hebra de ADN complementaria. En los organismos eucariotas, el
transcrito primario sufre un proceso de maduración que genera los
principales tipos de ARN celulares: ARNm, ARNr y ARNt.
las bases de los nucleótidos están apiladas con los planos separados por
una distancia de 3,4 Å.
Ácido Ribonucleico
Es el ácido nucleico más abundante en la célula. Una célula típica contiene 10
veces más ARN que ADN. El azúcar presente en el ARN es la ribosa. Esto indica que en
la posición 2' del anillo del azúcar hay un grupo hidróxido (OH). Por este motivo, el
ARN es químicamente inestable, de forma que en disolución acuosa se hidroliza
fácilmente. En el ARN la base que se aparea con la adenina es uracilo, a diferencia del
ADN, en el cual la adenina se aparea con timina. En la mayor parte de los casos es un
polímero monocatenario, en el que, en ciertos casos, se pueden observar zonas en su
secuencia con apareamientos intracatenarios. Recientemente se han descubierto ARN
bicatenarios.
Puede purificarse fácilmente y se distinguen varios tipos de ARN en función, sobre
todo, de sus pesos moleculares:
• ARN nuclear heterogéneo (ARNnh), localizado en el núcleo de las células
eucariotas, es el que presenta un mayor tamaño molecular ya que es la
molécula origen del resto de los ARN celulares. Se le considera como
precursor de los demás tipos de ARN que se encuentran en el citoplasma ya
que es el ARN que se origina directamente durante el proceso de
transcripción. Por este motivo se le suele llamar también transcrito
primario. La fragmentación del ARNhn para formar otros tipos de ARN
constituye la maduración o procesamiento del ARN (en inglés, splicing).
• ARN nuclear pequeño (ARNsn), situado en el núcleo como el anterior es de
menor tamaño, de ahí su nombre (s de small, pequeño). Aparentemente,
tiene actividad catalítica (se trata, por tanto de una ribozima) e interviene
en los procesos de maduración del ARNhn.
• ARN ribosomal (ARNr), es una de las moléculas que componen los
ribosomas (orgánulos intracelulares implicados en la síntesis de proteínas),
es el más abundante de todos ellos (75%) y en cada ribosoma se
encuentran en grandes cantidades y tipos que se distinguen y nombran por
su tamaño. Su estructura presenta un plegamiento complejo que le
permite asociarse tanto a las proteínas integrantes de los ribosomas como a
otros ARNr y participar en el proceso de traducción. También presentan
actividad catalítica.
• ARN de tranferencia (ARNt), es uno de los menores ARNs ya que está
formado por unos 85 nucleótidos, intervienen en la síntesis de proteínas
permitiendo que los aminoácidos se unan con la secuencia correcta. Se
conocen unos 60 ARNt distintos, y se encuentran en todas las células.
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Pueden contener nucleótidos poco usuales (ácido pseudouridílico, ácido
inosílico) e incluso bases características del ADN como la timina. Presenta
un plegamiento complejo, denominado plegamiento en hoja de trébol, en
el que la cadena de polinucleótido presenta alternancia de zonas lineales y
zonas apareadas. Cada ARNt posee un triplete de bases denominado
anticodón, que se une por complementariedad de bases a un codón del
ARN mensajero. Por su extremo 3' están unidos a un aminoácido. Es, por
tanto, una molécula clave en el proceso de traducción (o síntesis de
proteínas) ya que determina qué aminoácido se va a incorporar en la
secuencia de una proteína durante el proceso de traducción.
• ARN mensajero (ARNm), se sintetiza sobre un molde de ADN y sirve de
pauta para la síntesis de proteínas. Su peso molecular es alto y contiene
únicamente los nucléotidos A, U, G y C. Sus extremos 5' y 3' sufren diversas
modificaciones para evitar su degradación. Además de codificar la
secuencia de una proteína, contiene las señales para el inicio y la
terminación de la síntesis proteica. Si la información que lleva el ARNm sirve
para sintetizar más de un polipéptido se le denomina ARNm policistrónico.
En el caso de las células eucariotas, el ARNm es monocistrónico ya que sólo
lleva información para un polipéptido.
Es muy probable que el ARN fuese el primer biopolímero que apareció sobre la
Tierra. En un ambiente similar al que debió existir en la Tierra primitiva pudieron
formarse espontáneamente cadenas cortas de ARN, pero no de ADN o proteínas.
Además, se conocen casos en los que las moléculas de ARN se cortan y empalman por
sitios específicos, en ausencia de proteínas. Estas moléculas de ARN con actividad
catalítica se denominan ribozimas.
Estructura y función de los Ácidos Nucleicos
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EJERCITACIÓN
1) Escriba en fórmulas los siguientes oligonucleótidos, indicando las uniones químicas
que participan: pCpGpU y pdGpdCpdT.
2) En un ADN bicatenario si un fragmento de una de las hebras es: 5' ACGGGCTTAGTG
3', la hebra complementaria será:
a) 5' TGCCCGAATCAC 3'.
b) 3' UGCCCGAAUCAC 5'.
c) 3' TGCCCGUUTCUC 5'.
d) 3' TGCCCGAATCAC 5'.
3) Escriba la fórmula de:
a) Desoxiadenosina.
b) Un dNTP cualquiera.
c) Guanosintrifosfato.
d) AMPc.
4) Un nucleótido está formado por:
a) Una pentosa (ribosa o desoxirribosa) y una base nitrogenada que puede ser
púrica o pirimídica.
b) Una pentosa (ribosa o desoxirribosa) y una base nitrogenada púrica.
c) Una pentosa (ribosa o desoxirribosa) y una base nitrogenada pirimídica.
d) Una pentosa (ribosa o desoxirribosa) a la que se le agrega un grupo fosfato y
una base nitrogenada que puede ser púrica o pirimídica.
5) Seleccione las opciones correctas sobre ARNt, que se proponen a continuación:
a) Se localiza fundamentalmente en el núcleo.
b) Posee tres bucles o anillos.
c) En el extremo 3´ hay un nucleótido de Adenina.
d) Es monocatenario.
6) ¿Cuál de los siguientes factores produce aumento de la temperatura de fusión del
ADN de cadena doble?
a) Contenido elevado de A – G.
b) Contenido elevado de C – T.
c) Contenido elevado de A – T.
d) Contenido elevado de C – G.
7) El enlace entre dos nucleótidos del ADN es:
a) Entre las bases nitrogenadas.
b) Entre la pentosa y la base.
c) Entre las pentosas.
d) Todas las anteriores son falsas.
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8) Teniendo en cuenta el esquema de la Figura N° 1:
a) Indique si se trata de un polinucleótido de ADN o ARN.
b) Nombre los distintos nucleótidos que se encuentran representados.
c) Marque los extremos 5' y 3'.
Figura N° 1
9) Por la complementariedad de bases en el ADN:
a) Hay la misma cantidad de adenina que de timina.
b) Hay la misma cantidad de guanina que de citosina.
c) Hay el mismo número de bases púricas que pirimidínicas.
d) Todas las opciones anteriores son verdaderas.
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10) Completar el siguiente crucigrama a partir de los conceptos explicados en el texto,
y de las definiciones que figuran abajo.
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
HORIZONTALES:
2. Se dice de las hebras que forman el
ADN, porque tienen la misma
dirección y sentidos opuestos.
4. Proceso mediante el cual la molécula
de ADN forma una copia exacta.
6. Enlace que une dos nucleótidos,
actuando el ácido fosfórico como
intermediario.
8. Base nitrogenada exclusiva del ARN.
10. Molécula formada por la unión de una
base nitrogenada y una pentosa.
11. Pentosa que encontramos en los
nucleótidos del ADN.
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VERTICALES:
1. Monómero de los ácidos nucleicos.
3. Proceso mediante el cual, el ADN pasa
la información a una molécula de
ARN.
5. Junto a Crick, descubrieron la
estructura en doble hélice de la
molécula de ADN.
7. Pentosa que forma parte de los
nucleótidos de la molécula de ARN.
9. Base
nitrogenada
que
sólo
encontraremos en la molécula de
ADN.
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