Ácidos Nucléicos

Lic. Raúl Hernández M.

Ácidos nucleicos: Introducción

Bases, nucleósidos y nucleótidos

• Estudia la composición química del pus: encuentra una fracción precipitable por ácido diluído que denomina Nucleína.

• Encuentra un material parecido a la nucleína en la esperma de salmón, y lo fracciona en una componente proteico (protamina) y un componente que contiene P, de carácter ácido, que Altmann denomina ácido nucleico.

F. Miescher (1865)

• Estudios posteriores a Miescher demuestran la existencia de dos tipos de ácido nucleico: uno abundante en la levadura, que recibe el nombre de ácido zimonucleico y otro, abundante en el timo, llamado ácido timonucleico.

• Posteriormente se comprueba que en la composición del llamado zimonucleico entra la ribosa, y por eso pasa a llamarse ácido ribonucleico (RNA, ARN), mientras que el timonucleico contiene desoxirribosa, por lo que pasa a llamarse ácido desoxirribonucleico (DNA, ADN)

Experimento de Avery (1944)

El neumococo tipo R (rough, rugoso) (colonias a la izda.) puedeser transformado en neumococo tipo S (smooth, liso) (coloniasa la dcha.) por el DNA del neumococo S. Esta transformaciónse transmite a la descendencia.

La hidrólisis química completa de un ácido nucleico da lugar a una mezcla equimolar de:

A. Una base nitrogenada heterocíclica, purina o pirimidina

B. Una pentosa, ribosa o desoxirribosa

C. Fosfato

La hidrólisis enzimática completa de un ácido nucleico da lugar a una mezcla de nucleótidos

Los ácidos nucleicos son polímeros (de altísimo peso molecular) cuyos monómeros son los nucleótidos.

Una sola molécula circular cuya circunferencia mide1 mm

Tiene un peso molecular deaproximadamente 109

DNA de Escherichia coli

O N

NN

N

NH2

OHOH

CH2OP-O

O

O-

HH H

Pentosa Base

NucleósidoFosfato

Nucleótido

O N

NN

N

NH2

OH

CH2OP

O-

O N

NN

N

NH2

OH

CH2OP

O-

O N

NN

N

NH2

OH

CH2OP

O-

O

O

O

O

O

O

Polinucleótido

Enlacefosfodiéster

Enlace-glicosídico

N

N

N

NH

1

2

34

56 7

8

9

N

N1

2

3

4

5

6

Purinas Pirimidinas

N

N N

NH

NH2

N

HN N

NH

O

H2N

Adenina: 6-amino purina

Guanina: 2-amino 6-oxo purina

N

N

O

NH2

N

HN

O

O

N

HN

O

O

CH3

Citosina:2-oxo 4-amino

pirimidina

Uracilo:2,4-dioxopirimidina

Timina:2,4-dioxo

5-metilpirimidina

Nucleósidos, 1 Unión de una base a una pentosa a través de un enlace de tipo -N-glicosídico:

OHOCH2

OHOH

N

N N

N

H2N

OHOCH2

OH

N

N N

N

H2N

H

Adenosina(pentosa es ribosa)

Desoxiadenosina(pentosa es desoxirribosa)

Enlace-N-glicosídico

Purinas: enlace entre carbono anomérico (1’) y N9 de la base

ß-D-ribofuranosil adenina (Adenosina)

« Chem3D Embed »

Citidina Desoxicitidina

OHOCH2

OHOH

N

N

O

NH2

OHOCH2

OH H

N

N

O

NH2

Nucleósidos, 2

Pirimidinas: enlace entre carbono anomérico (1’) y N1 de la base

OHOCH2

OHOH

N

N N

N

H2N

1

2

3

45

67

8

91'2'3'4'

5'

Numeración

Base Nucleósido

Adenina AdenosinaGuanina Guanosina

Citosina CitidinaUracilo UridinaTimina Timidina

Nomenclatura

Uridina

1’

2’3’

4’5’

Numeración de átomos en los nucleósidos

Adenosina (anti-) Adenosina (syn-)

Conformación de nucleósidos

O N

N

N

N

NH2

OHHOCH2O N

N

N

N

NH2

OH

HOCH2

NH

C OCH

NH2

CH2OH3C

Antibióticos nucleosídicos

CordicepinaMedicamento contra el cáncer; es un tipo de antibiótico antitumoral.

PuromicinaAntibiótico inhibidorde la síntesis deproteínas

Citosin arabinósido(Vidarabin)

Activo contra herpes y varicela

Antivirales

ON

HN

O

O

CH3

HOCH2

N3

AZT, Zidovudina D4T, Estavudina

C

ON

HN

O

O

CH3

HOCH2

C

Antirretrovirales, ej. VIH

Nucleótidos(ribonucleótidos)

5’-nucleótido(5’-CMP)

3’-nucleótido(3’-CMP)

2’-nucleótido(2’-CMP)

5’-CMP

« Chem3D Embed »

Nucleótidos (desoxirribonucleótidos)

5’-dTMP 3’-dCMP

Nucleótidos cíclicos

3’,5’ Adenosin monofosfato cíclico, cAMP

• Adenosín monofosfato cíclico (AMPc, cAMP, AMP cíclico o adenosín monofosfato-3',5' cíclico) es un nucleótido que funciona como segundo mensajero en varios procesos biológicos. Es un derivado del adenosín trifosfato (ATP), y se produce mediante la acción de la enzima adenilato ciclasa a partir del adenosín trifosfato.• El AMPc es un segundo mensajero, empleado en las rutas de transducción de la señal en las células como respuesta a un estímulo externo o interno, como puede ser una hormona como el glucagón o la adrenalina, o una respuesta de regulación postraduccional.

Mensajeros Químicos, cAMP y cGMP

El guanosín monofosfato cíclico, GMPc o GMP cíclico es derivado cíclico del nucleótido trifosfato GTP, generado por mediación de la enzima guanilato ciclasa –también conocida como guanililciclasa– e implicado como segundo mensajero en las rutas de transducción de la señal celulares.

cGMP

Nucleósido polifosfatos

5’-Adenosinamonofosfato, AMP

5’-Adenosinadifosfato, ADP

5’-Adenosinatrifosfato, ATP

• El trifosfato de adenosina (adenosín trifosfato, del inglés Adenosine TriPhosphate) es un nucleótido fundamental en la obtención de energía celular.

• Está formado por una base nitrogenada (adenina) unida al carbono 1 de un azúcar de tipo pentosa, la ribosa, que en su carbono 5 tiene enlazados tres grupos fosfato.

• Se produce durante la fotorrespiración y la respiración celular, y es consumido por muchas enzimas en la catálisis de numerosos procesos químicos. Su fórmula molecular es C10H16N5O13P3.

ATP

• El adenosín difosfato (ADP) es un nucleótido difosfato, es decir, un compuesto químico formado por un nucleósido y dos radicales fosfato unidos entre sí. En este caso el nucleósido lo componen una base púrica, la adenina, y un azúcar del tipo pentosa que es la ribosa.• Se produce ADP cuando hay alguna descarboxilación en algunos de los compuestos de la glucólisis en el ciclo de Krebs.• El ADP es almacenado en los densos gránulos de las plaquetas, y es movilizado por la activación plaquetaria.

ADP

El dinucleótido de nicotinamida y adenina, más conocido como nicotinamida adenina dinucleótido (abreviado NAD+ en su forma oxidada y NADH en su forma reducida), es una coenzima encontrada en células vivas y compuesta por un dinucleótido, ya que está formada por dos nucleótidos unidos a través de sus grupos fosfatos, siendo uno de ellos una base de adenina y el otro de nicotinamida. Su función principal es el intercambio de electrones e hidrogeniones en la producción de energía de todas las células.

Transportadores de electrones: NAD+, FMN, FAD

NAD+

El flavin mononucleótido (FMN), o riboflavina-5'-fosfato, es un derivado de la riboflavina (vitamina B2) que actúa como coenzima de diversas oxidoreductasas.

Transportadores de electrones: NAD+, FMN, FAD

FMN

• El flavín adenín dinucleótido o dinucleótido de flavina-adenina (abreviado FAD en su forma oxidada y FADH2 en su forma reducida) es una coenzima que interviene en las reacciones metabólicas de oxidación-reducción.• es una coenzima que interviene como dador o aceptor de electrones y protones (poder reductor) en reacciones metabólicas redox

Transportadores de electrones: NAD+, FMN, FAD

FAD

Propiedades de los nucleótidos

1. Carácter ácido debido al fosfato

2. Solubilidad incrementada respecto al nucleósido

3. Misma reactividad que bases y nucleósidos

ATP comodonador de energía

Polinucleótidos

Polinucleótido

Extremo 5’

Extremo 3’

Enlacefosfodiéster

5’- CpApTpTpGpCpGpGpApApTpGpCpCp -3’

5’-CATTGCGGAATGCC-3’3’-GTAACGCCTTACGG-5’

Formas de representación de polinucleótidos

5’

3’5’

3’

Polinucleótidoen doble hélice

DNA y RNA

A G C T

Hombre, H.sapiens 0.29 0.18 0.18 0.31

Bovino, Bos taurus 0.26 0.24 0.23 0.27

Levadura, S.cerevisiae 0.30 0.18 0.15 0.29

Mycobacterium sp. 0.12 0.28 0.26 0.11

Composición en bases del DNA en algunas especies

Cristalografía de rayos X del DNA

Formas cristalinas:

DNA-A: baja hidratación, peso molecularrelativamente bajo, reflexiones claras

DNA-B: alta hidratación, peso molecularalto, reflexiones difusas

DNA-Z: Molécula de DNA de doble hebra con giro hacia la izquierda. Se ha demostrado que existe en forma transitoria y localizada junto al DNA en conformación B.

Estudiada por: L.Pauling (Caltech),M.Wilkins y R.E.Franklin (Londres)J.D.Watson y F.H.C.Crick (Cambridge)

1. Estructura helicoidal2. Periodicidad a 3.4 nm3. Periodicidad a 0.34 nm4. R.E.Franklin sugiere que el eje ribosa-fosfato está hacia fuera y las bases hacia dentro. Igualmente sugiere que se trata de una doble hélice, y no triple

Con estos datos, Watson y Crick elaboraron su modelo en doble hélice

El DNA-B

3.4 nm

1. El DNA es una doble héliceplectonémica y dextrógira, con un paso de rosca de 3.4 nm

Modelo de Watson - Crick, A

Modelo de Watson-Crick, B

2. Cada una de las dos hélices es un polinucleótido entrelazado conel otro de manera que su polaridad es opuesta (es decir, corren ensentido antiparalelo)

5’

3’ 5’

3’

3. El eje ribosa-fosfato se sitúahacia el exterior de la doble hélice,en contacto con el solvente

4. Mientras que las bases nitrogenadas (anillos planares) se sitúan, apiladas, hacia el interior de la estructura, en un entorno hidrofóbico

Modelo de Watson-Crick, C

5. Las bases están situadas en planos aproximadamenteperpendiculares al eje mayor de la doble hélice. La distanciaentre planos es de 0.34 nm

Modelo de Watson-Crick, D

0.34 nm

Modelo de Watson-Crick, E

6. Cada base interaccionacon su opuesta a través deenlaces de hidrógeno, y demanera que:

(a) Adenina (A) sólo puede interaccionar con timina (T)(y viceversa), a través de dos puentes de hidrógeno, y

(b) Guanina (G) sólopuede interaccionar concitosina (C) (y viceversa),a través de tres puentesde hidrógeno

3’2’

1’5’

4’

7. La base está situadaen posición anti-8. La desoxirribosa

en forma furanósica

9. El anillo furanósico estáen conformación endo-2’

Modelo de Watson-Crick, F

10. El eje de la doble héliceno pasa por el centro geométricodel par de bases. Esto determinaque la hélice presente un surcoancho y un surco estrecho

Surco ancho

Surcoestrecho

Modelo de Watson-Crick, G

Paso de rosca 3.4 nm

Distancia entre 0.34 nmplanos de bases

Pares de bases/vuelta 10

Anchura 2.4 nm

Geometría de la doble hélice (DNA-B)

0.34

3.4

2.4

ADN B

« Chem3D Embed »

DNA-A

1.Doble hélice plectonémica y dextró- gira

2. Planos de bases oblicuos respecto al eje de la doble hélica

3. Propio de RNAs en doble hélice, o de híbridos DNA-RNA

4. Más ancha y corta que DNA-B

DNA-Z

1. Doble hélice plectonémica y levógira

2. Zonas de secuencia alternante -GCGC-

3. Conformación de G es syn- en lugar de anti-

4. Más estrecha y larga que DNA-B

A B Z

Grosor 2.6 2.4 1.8Giro Dextro Dextro LevoBases/vuelta 11 10.4 12P.de rosca 2.5 3.4 4.5Inclinación 19º 1º 9ºplano bases

Distintas formas del DNA

bases algoinclinadas:

9º

levógira

surco menor,profundo yestrecho

el surco mayorno existe, es muypoco profundo

ADN-A ADN-B ADN-Z

surcomenorancho y

superficial

los surcosson másparecidos

en anchura:

surcomayor

estrecho yprofundo

19º

dextrógira

Más corta

Más larga

Tipos de ADN

Superhélices de DNA

El DNA se presenta habitualmente en forma de superhélices, cuando la doble hélice, a su vez, se enrolla sobre sí misma. Esto

permite el empaquetamiento de la molécula en el interior dela célula o del núcleo celular.

DNA circular, relajado

DNA circular, consuperhélice negativa

Superhélices en plásmidos(ADN extracromosómico)

Niveles estructurales de los ácidos nucleicos

Polímero lineal formado por la unión de numerosos nucleótidos mediante enlaces fosfodiéster. El orden de los nucleótidos define la secuencia del ácido nucleico.

Estructura primaria

Formada por la disposición relativa espacial de los nucleótidos que se encuentran próximos en la secuencia.

DNA – estructura definida por la unión de las dos cadenas polinucleótidicas a través de las bases nitrogenadas.

RNA – presente en determinadas regiones de la molécula

Estructura secundaria

Todas aquellas de orden superior a los niveles primario y secundario.

DNA – resultantes del superenrollamiento y de la asociación con proteínas básicas para formar la cromatina. No determinada por niveles

inferiores.RNA – (especialmente tRNA) plegamiento tridimensional definido, similar a la estructura terciaria de las proteínas.

Estructuras de orden superior

Niveles estructurales de los ácidos nucleicos Estructura terciaria

Estructura cuaternariaLa estructura cuaternaria se da en las células eucariotas en división

DNA – se empaqueta aún más hasta formar los cromosomas.

Formada por la disposición relativa espacial de los nucleótidos que se encuentran próximos en la secuencia.

DNA – La estructura terciaria hace referencia al empaquetamiento que sufre la molécula de ADN con proteínas h La estructura terciaria hace referencia al empaquetamiento que sufre la molécula de ADN con proteínas histónicas para constituir la cromatina de las células eucariotas. istónicas para constituir la cromatina de las células eucariotas.

La estructura primaria.

Estructura secundaria del ADN fue propuesta por Watson y Crick en 1953.

•La estructura terciaria: empaquetamiento que sufre la molécula de ADN .•La estructura cuaternaria: el ADN se empaqueta aún más hasta formar los cromosomas.

O

-O

H2C

O

P

-O

ON

N

O

H

O

ON

N

O

NHH

ON

N

N

N

OH

NH

H

ON

N

N

N

NH

H

O

-O

H2C

O

P

-O

O

-O

H2C

O

P

-O

O

-O

H2C

O

P

-O

ON

N

N

N

OH

NH

H

O

-O

H2C

O

P

-O

O

OH

OH

OH

OH

OH

Uracilo en lugar de timina

2’-OH en la pentosa

5’

3’

RNA

Reactividad química:

El RNA, al tener el grupo 2’-OH, es mucho másreactivo químicamente que el DNA. En concreto, puede ser completamente hidrolizado por álcali auna mezcla de 2’- y 3’-nucleótidos.

Estructura tridimensional

Las formas en doble hélice del RNA adoptan laconfiguración A (en lugar de la B, propia del DNA), así como los híbridos DNA-RNA.

La pentosa aparece en forma endo-3’ (y no endo-2’)

DNA RNA

1’

2’3’

4’

5’

1’2’3’

4’

5’

Anillo furanósico en endo-2’ Anillo furanósico en endo-3’

RNA como enzima

Algunos RNA son capacesde catalizar reacciones químicasdel mismo modo que las enzimas:son las ribozimas

Ribozimahammerhead

Participan en el procesadodel RNA transcrito primarioy en la formación de enlacepeptídico en la síntesis deproteínas.

Funciones y tipos de RNA, 1

Los distintos tipos de RNA permiten la expresión fenotípicadel DNA:

- Como mensaje genético que determina la secuencia de amino-ácidos en la síntesis de proteína: RNA mensajero o mRNA

- Como molécula que activa a los aminoácidos para poder ser incorporados en una nueva proteína: RNA de transferencia otRNA

- Como elemento estructural básico de las partículas encargadasde llevar a cabo la síntesis proteica, los ribosomas: RNA ribosómicoo rRNA

Funciones y tipos de RNA, 2

- Participa en el procesado del transcrito primario (HnRNA)para dar lugar al RNA mensajero o mRNA, mediante los snRNA(RNAs nucleares pequeños)

- Opera como enzima (ribozimas) en el procesado del HnRNA y enla formación de enlace peptídico en las proteínas.

- Es el material genético de algunos virus.

O

-O

H2C

O

P

-O

ON

N

ON

N

O

NHH

ON

N

N

N

OH

NH

H

ON

N

N

N

NH

H

O

-O

H2C

O

P

-O

O

-O

H2C

O

P

-O

O

-O

H2C

O

P

-O

OH

OH

OH

OH

O

NHH

OC

OCH

RH3N

C

C

A

Unión del aminoácido alextremo 3’ del tRNA

3’

Extremo aceptor

5’

Lazoanticodon

Lazo TC

Lazovariable

Estructura tridimensional del tRNA

Lazo anticodon

I

G

A

5’

3’

5’

3’

U

C

C

mRNA

rRNA 23s