SERIE Nº 5. 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 β- D-ribosa y su derivado, el desoxiazúcar 2'-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 Química Biológica 27
grupo fosfato (en inglés: phophate); en el caso de los desoxirribonucleótidos se antepone una "d" minúscula a estas tres siglas. PENTOSA Ribosa Desoxirribosa NUCLEÓTIDO BASE NUCLEÓSIDO MONO- DI- TRI- NITROGENADA RIBONUCLEÓSIDOS RIBONUCLEÓTIDOS Adenina Adenosina AMP ADP ATP Guanina Guanosina GMP GDP GTP Citosina Citidina CMP CDP CTP Uracilo Uridina UMP UDP UTP DESOXIRRIBONUCLEÓSIDOS DESOXIRRIBONUCLEÓTIDOS Adenina Desoxiadenosina damp dadp datp Guanina Desoxiguanosina dgmp dgdp dgtp Citosina Desoxicitidina dcmp dcdp dctp Timina Desoxitimidina 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 Química Biológica 28
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 Química Biológica 29
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). Química Biológica 30
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 10 6 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. Química Biológica 31
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: ARN m, ARN r y ARN t. 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 (ARN nh ), 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 ARN hn para formar otros tipos de ARN constituye la maduración o procesamiento del ARN (en inglés, splicing). ARN nuclear pequeño (ARN sn ), 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 ARN hn. ARN ribosomal (ARN r ), 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 ARN r y participar en el proceso de traducción. También presentan actividad catalítica. ARN de tranferencia (ARN t ), 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 ARN t distintos, y se encuentran en todas las células. Química Biológica 32
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 ARN t 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 (ARN m ), 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 ARN m sirve para sintetizar más de un polipéptido se le denomina ARN m policistrónico. En el caso de las células eucariotas, el ARN m 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 Química Biológica 33
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. Química Biológica 34
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. Química Biológica 35
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. 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. Química Biológica 36