Capítulo 23. Química de la Herencia. Ácidos nucleicos.

Transcripción

1 apítulo. Química de la erencia. Ácidos nucleicos. Las diversas estructuras químicas y las reacciones y procesos metabólicos que se han visto a lo largo de capítulos anteriores tienen su importancia para explicar los procesos vitales que se suceden en la célula. omo se ha visto anteriormente, todos los procesos de síntesis y catabolismo conforman tanto el metabolismo primario como los mecanismos para la obtención de energía (AD, FAD, AT) dirigida a la sobrevivencia de la célula. Sin embargo, conviene recordar que además de sobrevivir, una célula debe autoperpetuarse o sea tener la capacidad de auto-replicación. Basado en lo descripto anteriormente, todos los procesos metabólicos importantes de una célula eucariota se circunscribirían al citoplasma y membranas celulares, sin tener en cuenta un orgánulo tan vital como es el núcleo. El hecho de que muchas reacciones ocurran fuera del núcleo no es azaroso, muy por el contrario, se debe a la complejidad misma de la célula y a la extraordinaria organización de sus reacciones bioquímica; las que se suceden en forma precisa para logra un patrón muy bien definido de los diferentes procesos que debe llevar a cabo dicha célula para lograr los objetivos básicos de todo ser vivo: la perpetuidad de la especie. Se ha sugerido que en los albores de la vida los organismos más primitivos no eran más que moléculas gigantes que podían dirigir su propia replicación. El proceso reproductor ha llegado a ser extraordinariamente complejo a lo largo de la evolución, pero su base continúa siendo idéntica: la información que posee un organismo se transmite de una generación a la siguiente. aturaleza y función de los ácidos nucleicos Los ácidos nucleicos (A) son moléculas que actúan como depositarios y transmisores de la información genética en las células, ya sean organismos unicelulares o pluricelulares. En otras palabras, los planos para la construcción de cada organismo están codificados en su ácido nucleico. Existen dos tipos de A, en las células: el ácido desoxirribonucleico (AD) y el ácido ribonucleico (AR). Su función biológica no quedó plenamente aclarada hasta que Avery y sus colaboradores en el año 9, demostraron que el AD era la molécula portadora de la información genética. En el AD de cada célula se encuentran especificadas las secuencias de nucleótidos para su auto-replicación, para la síntesis de los AR, y entre ellos, las secuencias de aminoácidos para la síntesis de proteínas. asta hoy en día, la función fundamental que se le conoce al AD es la de almacenamiento y transmisión de la información genética En la célula existen varias clases de AR y cumplen diversas cumplen diversas funciones, a diferencia del AD. Los AR ribosómicos (ARr) son componentes de los ribosomas, que llevan a cabo la síntesis de proteínas. Los AR mensajeros (ARm) actúan como intermediarios, transportando la información desde un gen o unos pocos genes, hasta el ribosoma, donde se sintetizan las proteínas. Y por último, los AR de transferencia (ARt) son moléculas adaptadoras que traducen con fidelidad la información genética contenida en ARm a secuencias específicas de aminoácidos.

2 úcleo Las células eucariontes poseen una estructura subcelular bien definida, redondeada denominada núcleo, donde se aloja el material genético, el AD. En su interior también se sintetiza el AR y se producen procesos clave relacionados con la regulación de la expresión génica. El núcleo consta de una envoltura que lo encierra y lo separa del citoplasma, la envoltura nuclear. Está formada por dos membranas concéntricas, cada una de las cuales es una bicapa lipídica; las membranas están separadas por un espacio perinuclear, pero a intervalos frecuentes, se encuentran perforadas por poros nucleares que permiten la circulación de determinadas moléculas desde y hacia el citoplasma. Estos poros no son simples orificios, sino estructuras complejas acompañadas de una armazón de proteínas, que se conoce como complejo del poro nuclear; que facilitan a la vez que regulan los intercambios entre el núcleo y el citoplasma. Los poros nucleares permiten la difusión pasiva hacia el citoplasma de moléculas solubles pequeñas y también de partículas de ribonucleoproteínas (formadas por AR y proteínas). Asimismo, ingresan al núcleo las proteínas, fabricadas en el citoplasma por los ribosomas, pero a través de un transporte activo (con gasto de energía) y cambios conformacionales del complejo del poro nuclear. Dentro del núcleo, se detaca el nucléolo, donde se construyen las subunidades de los ribosomas. A menudo, pueden encontrarse uno o dos nucléolos por núcleo. En las células eucariotas, el AD es lineal y se encuentra asociado a proteínas llamadas histonas y también se une a proteínas no histónicas; estas asociaciones constituyen lo que se conoce como cromosoma. uando una célula no se está dividiendo, los cromosomas forman una maraña de hilos delgados, la cromatina, en la que los cromosomas son indistinguibles; pero cuando la célula comienza a dividirse, esta cromatina se condensa y los cromosomas se hacen visibles. Ácidos nucleicos Los A son muy similares químicamente; son polímeros lineales compuestos por monómeros repetitivos denominados nucleótidos, que usualmente son designados como bases, debido a que en su estructura contienen bases orgánicas cíclicas. El AD y el AR están formados solo por cuatro nucleótidos diferentes. A su vez, los nucleótidos están constituidos por tres componentes fundamentales: una base nitrogenada, una pentosa y un fosfato (Figura ). Figura. Estructura general de los nucleótidos. Estructura de un ribonucleótido.

3 Las bases nitrogenadas que conforman los ácidos nucleicos derivan de dos compuestos originales, pirimidina y purina, que poseen carácter aromático (Figura ). Estructuralmente, son compuestos heterocíclicos insaturados que contienen urina irimidina Figura. ompuestos de los que derivan las bases purínicas y pirimidínicas de los nucleótidos. Se especifican las convenciones numéricas de las estructuras cíclicas. Tanto el AD como el AR contienen dos bases purínicas o púricas, la adenina (A) y la guanina (G); también contienen dos bases pirimidínicas o pirimídicas. La citocina () se encuentra en ambos tipos de ácidos nucleicos. ero la segunda base pirimidínica es timina (T) en el AD y uracilo (U) en el AR (Figura ) Adenina Guanina itosina Timina Uracilo urinas irimidinas Figura. Bases púricas y pirimidicas presentes en los ácidos nucleicos. En cada uno de los diferentes nucleótidos, la base nitrogenada está unida covalentemente (por el en las pirimidinas y el 9 en las purinas) a través de un enlace -β-glucosídico con el ' de la pentosa. El fosfato se une mediante enlace éster con el ' de la pentosa (a los átomos de carbono de la pentosa, se los designan con primas (ej.: ') para diferenciarlo de los átomos

4 de carbono numerados de las bases nitrogenadas). uando la molécula no contiene el grupo fosfato unido al ', la estructura residual se denomina nucleósido. Una de las diferencias entre el AD y el AR es la segunda base pirimidínica citada más arriba. La otra diferencia estructural entre ambos, es que en el AR, la pentosa que lo forma es la D-ribosa y en el AD, la '-desoxi-d-ribosa; la diferencia entre los dos azúcares radica únicamente en la presencia o ausencia de un grupo hidroxilo en el '. Ambos azúcares se encuentran en la forma furanosa en los nucleótidos. En la Figura se muestra la estructura y el nombre de los diferentes monómeros (nucleótidos), los cuales pueden ser considerados como el derivado '-monofosforilado de un nucleósido Adenosina - monofosfato (AM) Guanosina - monofosfato (GM) itidina - monofosfato (M) Timidina - monofosfato (TM) Uridina - monofosfato (UM) Figura. Estructuras y nombres de los desoxirribonucleótidos '-monofosfato, AM, GM, M y TM; y ribonucleótido '-monofosfato, UM. Los sucesivos nucleótidos que conforman los polímeros de AD y AR están unidos covalentemente a grupos fosfatos, establecidos entre el hidroxilo del ' de un nucleótido y el hidroxilo del ' del siguiente (enlace fosfodiéster). Es decir, el esqueleto de los ácidos nucleicos está constituido por grupos alternados de fosfatos y pentosas, en los que los enlaces fosfodiéster proporcionan una continuidad covalente y las bases púricas y pirimidícas constituyen cadenas laterales diferenciadas (Figura ).

5 Figura. Esqueleto covalente del AR. Enlaces fosfodiéster entre nucleótidos consecutivos. Al igual que un polipéptido, una cadena de A tiene una orientación química definida, es decir el extremo ', tiene un grupo fosfato en libre y el extremo ', por lo general presenta un grupo hidroxilo correspondiente al '. Esta direccionalidad, además del hecho de que la síntesis procede de ' ', ha dado lugar a la convención de que los polinucleótidos se escriban y lean desde el extremo ' al extremo ' (de izquierda a derecha). Función de los nucleótidos Los nucleótidos son responsables de: - proveer energía en las transacciones metabólicas celulares (AT, GT, UD, AD). - responder a estímulos extracelulares mediados por hormonas ante situaciones adversas de la célula. - ser componentes estructurales de enzimas como cofactores e intermediarios metabólicos. - ser las unidades estructurales de los A: Ácido desoxirribonucleico (AD) y Ácido ribonucleico (AR). ropiedad de los ucleótidos Los nucleótidos son ácidos considerablemente fuertes, debido a la presencia de los grupos fosfatos (pk cercano a 0), se encuentran completamente ionizados, por ende cargados negativamente a p 7. Las cargas negativas están casi siempre neutralizadas debido a interacciones iónicas con proteínas, iones metálicos o poliaminas. Las propiedades que presentan las bases nitrogenadas influyen notablemente en la estructura de los ácidos nucleicos. Son bases débiles que pueden sufrir cambios en las disposiciones de

6 sus átomos de hidrógeno y de los dobles enlace, es decir formar isómeros estructurales o tautómeros. omo consecuencia de los dobles enlaces conjugados, los anillos de pirimidina son planos y los anillos de purina, casi planos con una pequeña deformación. A su vez, por efecto de la resonancia, todas las bases de los nucleótidos pueden absorber intensamente luz ultravioleta (UV). Esta Absorbancia dependerá en gran medida a si están o no ionizadas sus bases, es decir al p de esa solución nucleica. La capacidad de absorber luz UV en la región de 0 a 80 nm, es una herramienta muy útil para cuantificar los ácidos nucleicos, mediante espectrofotometría. Las purinas y las pirimidinas son moléculas hidrófobas e insolubles a p neutros. Debido a esta característica, las bases nitrogenadas se sitúan de modo tal que los planos de sus anillos se encuentren paralelos, es decir apiladas como si fueran monedas, de esta manera evitan el contacto con el agua, y ayudan a la estabilización de las estructuras de los A. Los carbonilos, los átomos de nitrógeno del anillo y los grupos aminos exocíclicos presentes en las purinas y pirimidinas, participan en la formación de enlaces puentes de hidrogeno, constituyendo otro tipo de interacción estabilizante mediada por las bases. Los enlaces puentes de hidrógeno permiten la unión de dos cadenas de A complementarias. Apareamiento de bases del AD. Modelo de Watson y rick En 9, James D. Watson y Francis rick postularon un modelo tridimensional para la estructura del AD, en base a análisis por difracción de rayos X. Éste consistía de dos cadenas helicoidales de AD enrolladas alrededor de un eje, formando una doble hélice. Este modelo explicaba también la gran estabilidad observada y requerida, para una molécula con las funciones del AD. La estructura de doble hélice, se mantiene estable debido a: -Los puentes de hidrogeno entre las bases nitrogenadas de nucleótidos enfrentados. Donde los pares de bases que mejor encajan en la estructura, son cuando la A se complementa o aparea con la T (o U) y G se une con la. tros posibilidades de apareamientos distorsionan y desestabilizan la estructura de doble hélice. Es importante mencionar que se forman tres enlaces de hidrogeno entre G y, mientras que solamente se pueden formar dos entre A y T (Figura 6). - La interacción con moléculas de agua en los surcos de la molécula de AD y la presencia de iones metálicos asociados con los fosfatos. - La atracción hidrófoba entre las bases de nucleótidos de una misma cadena, conocida como interacción por apilamiento. En la estructura de la doble hélice, las dos cadenas o hebras son antiparalelas; sus enlaces fosfodiéster ', ' tienen direcciones opuestas. El modelo de doble hélice postulado por estos investigadores, sugirió de inmediato un mecanismo para la transmisión de la información genética. 6

7 - - Adenina Timina itocina Guanina - - Figura 6. Enlaces de hidrógeno en los pares de bases definidos por Watson y rick. Estructura del AD y el AR Al igual que lo que ocurre en proteínas, los ácidos nucleicos pueden plegarse, formando conformaciones tridimensionales estabilizadas por enlaces no covalentes (interacciones hidrófobas y puentes de hidrógeno). Aunque las estructuras primarias del AD y el AR son similares, las conformaciones tridimensionales que adoptan son muy diferentes. Esta divergencia estructural es crítica debido a las diferentes funciones que desempeñan los dos tipos de A. ) Ácido desoxirribonucleico (AD). La secuencia lineal de nucleótidos unidos mediante enlaces fosfodiéster, constituye la estructura primaria del AD. Este orden es en realidad lo que se transmite de generación en generación (herencia). La estructura secundaria es el plegamiento que adopta el AD cuando se encuentra enrollado helicoidalmente (doble hélice); también se lo conoce como forma B del AD (B-AD). La forma B, es la estructura más estable que puede adquirir un AD de cualquier secuencia bajo condiciones fisiológicas. Los pares de bases adoptan una disposición helicoidal en el núcleo central de la molécula, estando separadas por una distancia de 0.6 nm. La hélice realiza una vuelta completa cada.6 nm; por lo tanto existen alrededor de 0. pares de bases por vuelta completa. Existen otras dos variantes conformacionales que han sido caracterizadas a fondo a partir de estructuras cristalinas, las formas A-AD y Z-AD. La estructura terciaria es la forma en que se organiza esta doble hélice. En las células eucariotas por ejemplo, el AD se encuentra localizado principalmente en el núcleo, en forma de cromosomas, que son complejas asociaciones de AD y proteínas (histonas; -6). Las histonas, son las principales responsables del plegamiento y empaquetamiento del AD. Alrededor de un octeto de proteínas histónicas el AD se enrolla (dos vueltas) para dar lugar a un nucleosoma, éstos quedan separados uno de otro por una secuencia de AD de hasta 80 pares de bases, formando un "collar de perlas" o más correctamente fibras de cromatina, estructura propia del núcleo interfásico, que no ha entrado en división. En el siguiente nivel de condensación, éste collar de nucleosomas vuelve a enrollarse, unos sobre otros en disposiciones regulares cada 6 nucleosomas ayudados de las en estructuras tipo solenoide. En el caso de los procariotas, así como en las mitocondrias y cloroplastos, el AD se presenta en forma circular, en la que la doble hélice se cierra por sus extremos. Este AD circular puede presentar diversos grados de superenrollamiento. En cambio en los virus, el 7

8 AD puede presentarse como una doble hélice cerrada, como una doble hélice abierta o simplemente como una única hebra lineal. ) Ácido ribonucleico (AR). La estructura primaria del AR es generalmente similar a la del AD salvo dos excepciones: la ribosa posee un grupo hidroxilo en la posición ' y la T del AD es reemplazada por el U. Además, el grupo hidroxilo sobre el de la ribosa, hace al AR químicamente más lábil que el AD. ero a diferencia del AD, que existe primariamente como una muy larga doble hélice, la mayoría de los AR son simple cadena (monocatenarios) y exhiben una gran variedad de conformaciones. Estas diferencias conformacionales que presentan varios tipos de AR, les permiten llevar a cabo funciones específicas en la célula. En ciertas ocasiones los AR monocatenarios puede presentar una estructura secundaria, en la cual existen zonas de su secuencia en la que las bases se aparean intracatenariamente, formando una estructura denominada horquilla (en inglés, hairpin), tal como aparece esquematizado en la Figura 7. abe destacar, que el genoma de algunos virus puede estar constituido por AR, y puede ser de cadena simple o doble. Este es otro ejemplo en el cual se observa las distintas conformaciones que pueden adoptar los AR. Figura 7. orquilla: apareamiento de bases entre segmentos complementarios distantes de una molécula de AR. Estructuras secundarias que pueden adoptar los AR. ropiedad física del AD: Desnaturalización y renaturalización del AD omo se mencionó anteriormente, la estructura helicoidal del AD se mantiene gracias a interacciones no covalentes. or un lado, el apilamiento entre las bases adyacentes de una misma hebra favorece las interacciones hidrofóbicas (fuerzas de van der Waals) entre éstas, y por otro lado, cada base está unida a su pareja mediante puentes de hidrógeno (Figura 6). La energía libre de las interacciones no covalentes que mantienen la estructura helicoidal del AD no es muy superior a la energía de los movimientos térmicos a temperatura ambiente, por lo que es posible desestabilizar la estructura tridimensional del AD mediante un simple aumento de la temperatura. uando se calienta un AD de doble hebra (forma nativa) se rompen las fuerzas de unión entre las pares de bases, y esto provoca el desenrollamiento de la doble hélice, ya sea totalmente, dando lugar a dos hebras sencillas completamente separadas una de la otra en toda su extensión o bien separadas parcialmente (desnaturalización parcial). Esta transición entre el estado nativo y el desnaturalizado se conoce como desnaturalización, en donde los enlaces covalente del AD se mantienen intactos. En determinadas condiciones, una disolución de AD monocatenario puede volver a formar el AD nativo. Este proceso recibe el nombre de renaturalización del AD. La renaturalización es rápida, siempre que todavía exista un segmento de doce o más de residuos en doble hélice. Sin embrago, si las dos hebras están completamente separadas, la renaturalización es mucho más lenta. 8

9 uando el AD renaturalizado se forma a partir de moléculas de AD de distinto origen, o entre una molécula de AD y otra de AR, la renaturalización se conoce como hibridación (Figura 8). Existe una técnica basada en la hibridación que se emplea para estudiar la relación existente entre dos muestras de AD, además permite detectar y aislar moléculas de AD específicas desde una mezcla conteniendo numerosas secuencias diferentes. Figura 8. Desnaturalización y renaturalización de las hebras de AD. 9

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