Compuestos Heterocíclicos – Ácidos nucleicos PDF

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Unidad 10. Compuestos Heterocíclicos y Ácidos Nucleicos
Nomenclatura, clasificación. Heterociclos de cinco y seis átomos. Estructuras. Relación con compuestos obtenidos de fuentes naturales. Concepto de porfirinas. Pirimidina, bases pirimídicas. Importancia biológica. Bases púricas. Ácido úric...

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Química BiológicaMódulo 1 Unidad 10. Compuestos Heterocíclicos y Ácidos Nucleicos Nomenclatura, clasificación. Heterociclos de cinco y seis átomos. Estructuras. Relación con compuestos obtenidos de fuentes naturales. Concepto de porfirinas. Pirimidina, bases pirimídicas. Importancia biológica. Bases púricas. Ácido úrico. Ácidos nucleicos: Estado natural y funciones biológicas. Nucleósidos: composición, estructura.

Nucleótidos:

estructura,

nomenclatura.

Polinucleótidos:

ADN

y

ARN,

estructuras.

Compuestos Heterocíclicos – Ácidos nucleicos

Los compuestos heterocíclicos tienen relevancia en la naturaleza. La gran mayoría de las moléculas de importancia biológica contiene un heterociclo en alguna porción de su estructura. Son ejemplos los hidratos de carbono, algunos aminoácidos como triptófano y prolina presentes en las proteínas, los ácidos nucleicos, alcaloides, flavonoides, varios antibióticos, las clorofilas y una gran cantidad de fitoalexinas (compuestos que las plantas biosintetizan para defenderse como respuesta a una agresión externa, o a una infección por hongos, etc.). Ejemplos de heterocíclicos:

Ejemplos de flavonoides:

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ANTIBIÓTICOS

Algunas fitoalexinas:

ESTRUCTURA Y CLASIFICACIÓN DE LOS COMPUESTOS HETEROCÍCLICOS

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Los compuestos heterocíclicos son aquéllos que contienen al menos un anillo, con al menos un átomo que no es de carbono. El átomo diferente a C, se llama heteroátomo. Los heteroátomos más comunes en los compuestos naturales, son el N, el O y el S. En compuestos sintéticos también pueden introducirse otros heteroátomos, por ejemplo, P, Si, Se, B. Hay compuestos heterocíclicos de mucha importancia biológica, que, si bien tienen cierta complejidad, forman parte de biomoléculas fundamentales como los ácidos nucleicos (ARN y ADN).

Podemos clasificar los compuestos heterocíclicos en dos grandes grupos: 1) Los heterociclos no aromáticos: Si tienen N son aminas cíclicas. Si tienen O son éteres cíclicos. Si tienen S son tioéteres, etc. Sus respectivas propiedades son muy similares (especialmente las propiedades químicas) a las de los compuestos acíclicos.

2) Los heterociclos aromáticos: Tienen estructuras moleculares similares a la del benceno. Recordemos que para que un compuesto sea aromático debe cumplir como condiciones: a) Tener un anillo insaturado con conjugación continua, b) Contener en ese anillo un número de electrones π permitido por la expresión de Hückel, c) que la estructura sea plana. COMPUESTOS HETEROCÍCLICOS NATURALES Compuestos heterocíclicos aromáticos con varios heteroátomos: 1) Heterociclo de 6 átomos con 2 N: Existen tres posibilidades de isomería, de las cuales la más relevante para nosotros es la que tiene los N en posiciones relativas 1,3. Este compuesto se llama pirimidina:

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La pirimidina es una base, dado que en cada uno de los N tiene un par de electrones no compartidos, que no intervienen en la resonancia:

Heterociclo

2)

de

5

átomos con 2 N: El más importante para nosotros, en este curso, es el que tiene los 2 N en posiciones relativas 1,3 y un átomo de H unido a uno de los átomos de N. Este compuesto se llama imidazol.

El imidazol es una base (débil), donde el N básico es el que tiene un par de electrones no compartidos en un orbital sp2. El N1 no puede ser un centro básico ya que los electrones no compartidos están involucrados en la resonancia. COMPUESTOS HETEROCÍCLICOS AROMÁTICOS CON ANILLOS CONDENSADOS Otras moléculas heterocíclicas importantes, que tienen 2 anillos condensados, uno de 6 átomos de C y el otro de 5.Son: la quinolina, la isoquinolina, el indol y la purina.

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Los 3 primeros están presentes en compuestos naturales, como parte de las estructuras en 3 clases de alcaloides, muchos de los cuales tienen importantes propiedades, y algunos tienen uso terapéutico.

En general son fuertemente tóxicos para los organismos animales, constituyendo en algunos casos, potentes venenos. La purina se encuentra en la estructura de 2 compuestos básicos, presentes a su vez en los ácidos nucleicos, ADN y ARN. La purina está también relacionada con las estructuras de algunos alcaloides como la cafeína, y moléculas como el ácido úrico. Compuesto heterocíclico que se considera está formado por 4 anillos similares al de pirrol, unidos por carbonos, es la porfina. Este compuesto es el esqueleto de varias moléculas de importancia biológica llamadas porfirinas, como el hemo (donde los N coordinan un ión Fe) que es 5

el grupo prostético de la hemoglobina. La porfina también está presente en las clorofilas, por ejemplo en la clorofila a, involucrada en la fotosíntesis, en la cual los átomos de N coordinan un ión Mg :

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La clorofila a, muy similarmente al hemo, tiene el núcleo de porfina sustituido por varios grupos; y, además, una de las cadenas de ácido propanoico esterificada con una molécula de fitol, un alcohol primario diterpénico acíclico.

ÁCIDOS NUCLEICOS Los ácidos nucleicos son macromoléculas que están presentes en el núcleo de toda célula viva. Se definen químicamente como una cadena de polinucleótidos, porque su hidrólisis produce en primera instancia los nucleótidos, que a su vez pueden ser hidrolizados, obteniéndose para cada uno, ácido fosfórico y un nucleósido, compuesto cuya hidrólisis produce una base nitrogenada y una aldopentosa.

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Las aldopentosas son dos: β-D-ribofuranosa y 2-desoxi-β-D-ribofuranosa (comúnmente, “ribosa” y “2-desoxirribosa”). Sus átomos se numeran comenzando por el C anomérico y en sentido horario, usando números con primas al representar los nucleósidos o nucleótidos:

Las bases nitrogenadas son 5: 3 derivadas de pirimidina (“bases pirimídicas o pirimidínicas”) y 2 derivadas de purina (“bases púricas”). Para su numeración se usan números sin primas. El átomo 1 es siempre uno de N.

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Los nucleósidos son N-glicósidos; en estos compuestos las bases pirimidínicas se unen al C anomérico de la ribosa o desoxirribosa mediante su N1; y las bases púricas lo hacen por su N9. Son ejemplos los siguientes:

Los nucleótidos son ésteres fosfóricos de los nucleósidos. Las funciones alcohol que se esterifican, son los hidroxilos de C3 o de C5 de la ribosa o desoxirribosa. Cada nucleótido puede contener 1, 2 o 9

3 unidades de ácido fosfórico; por ejemplo, en el ATP (trifosfato de adenosina, o adenosina trifosfato), que es una molécula altamente energética debido a la cantidad de enlaces P-O-P que contiene, hay tres unidades de ácido fosfórico, condensadas en forma de anhídrido:

El ATP tiene la función biológica de fosforilar nucleósidos, así como otras moléculas, durante por ejemplo las biosíntesis de nucleótidos, terpenos, etc. En las reacciones de fosforilación, que están catalizadas por enzimas fosforilasas, transfiere un grupo fosforilo, y queda como difosfato (ADP). Los nombres de los nucleótidos comunes se componen según la Tabla que se ve más abajo. Ejemplos:

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Los dinucleótidos se forman mediante una segunda esterificación de la unidad de ácido fosfórico de un nucleótido, con el HO-3’ (o el HO-5’) de la furanosa de otro nucleótido. La unidad de ácido fosfórico que formó dos funciones éster, constituye un enlace fosfodiéster. Los polinucleótidos se forman análogamente, generando una larga cadena de unidades de nucleótidos unidas por enlaces fosfodiéster. Al pH fisiológico, los nucleótidos y polinucleótidos se encuentran como aniones, o polianiones respectivamente:

Los ácidos nucleicos pueden ser:

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- Ácido ribonucleico (ARN), en que el hidrato de carbono es la ribosa y las bases nitrogenadas son uracilo (U), citosina (C), adenina (A) y guanina (G). El ARN desempeña diversas funciones. Por ejemplo, interviene en la biosíntesis de las proteínas, ya que el ADN utiliza al ARN para transferir información durante la biosíntesis.

Existen ácidos ribonucleicos con diferentes funciones: de

transferencia (ARNt), ribosómico (ARNr) y mensajero (ARNm). - Ácido desoxirribonucleico (ADN), en el cual el hidrato de carbono es la desoxirribosa y las bases nitrogenadas son timina (T), citosina (C), adenina (A) y guanina (G). El ADN contiene las instrucciones usadas en el desarrollo y funcionamiento de todos los organismos vivos conocidos, y es responsable de la transmisión de los caracteres hereditarios. El papel principal de la molécula de ADN es almacenar información a largo plazo, codificando la información genética. Contiene las instrucciones para biosintetizar las proteínas y las moléculas de ARN. Los segmentos de ADN que llevan esta información genética son los genes. En las células eucariotas, el ADN tiene una doble cadena de nucleótidos, en la que las dos cadenas (llamadas hebras) están unidas entre sí por enlaces de hidrógeno. Como lo que distingue a un nucleótido de otro es la base nitrogenada, la secuencia de nucleótidos del ADN o del ARN se especifica nombrando sólo la secuencia de sus bases. Por ejemplo, para un ADN: GCTAGATCGCAT... En las células procariotas (bacterias), el ADN organiza su secuencia en una doble hélice circular.

El ARN tiene además otros dos niveles estructurales, pero no los abordaremos en este curso de Química Orgánica. El ADN también presenta 3 niveles estructurales; la estructura secundaria es de suma importancia, y está basada en la complementariedad de las bases pirimídicas y púricas. Cada base pirimídica es complementaria de una base púrica, según la cantidad de enlaces de hidrógeno que puedan establecer. Los puentes se establecen desde un heteroátomo con (al menos) un par de electrones no compartidos, hasta un átomo de H unido a otro heteroátomo. A mayor cantidad de enlaces de H formados, es mayor la estabilización del par de bases: Adenina con Timina (el par se estabiliza formando dos enlaces de hidrógeno); Guanina con Citosina (se estabilizan formando tres enlaces de hidrógeno).

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Las dos hebras presentan pares de bases complementarias enfrentadas. Ambas cadenas se enrollan sobre sí mismas formando una doble hélice. Este modelo estructural fue propuesto por J. Watson y F. Crick en 1953.

Los extremos de las hebras de ADN se denominan respectivamente extremo 5’ y extremo 3’; y en la doble hélice, la dirección de los nucleótidos en una hebra (3′ → 5′) es opuesta a la de la otra hebra (5′ → 3′).

Esta organización de las hebras de ADN se denomina antiparalela. Las moléculas de ADN pueden ser enormes. Por ejemplo, el cromosoma humano más largo, el cromosoma 1, tiene 220 millones de pares de bases. La complementación de una base pirimídica con una púrica en todos los casos, asegura la regularidad de desarrollo de la doble hélice en cuanto a la distancia entre las hebras en toda la longitud de la molécula de ADN. En el ADN celular predomina la doble hélice del tipo , en la cual las bases complementarias enfrentadas se sitúan casi perpendicularmente al eje de la hélice

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Una diferencia importante entre el ARN y el ADN es la presencia del grupo hidroxilo en el C2', que causa que los enlaces fosfodiéster del ARN sean más fáciles de hidrolizar (rápidamente en solución alcalina) que los del ADN; los del ADN son estables. La vida media del ARN es mucho más corta que la del ADN, unos minutos (para algunos ARN bacterianos) o unos días (ARNt humanos).

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