Tema 1: Nucleótidos y ácidos nucleicos PDF

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1. Nucleótidos y ácidos nucleicos 1.1. Estructura y propiedades de los nucleótidos Los nucleótidos son los componentes básicos de los ácidos nucleicos. Están formados por 3 componentes: 

Una base nitrogenada



Una pentosa (ribosa en el ARN y desoxirribosa en el ADN)



Uno o más grupos fosfato

Bases nitrogenadas Las bases nitrogenadas se encuentran divididas en 2 clases: pirimidínicas (Timina, Citosina, Uracilo) y purínicas (con grupo IMIDAZOL) (Adenina, Guanina). Todas presentan las siguientes características: 

Son bases débiles (deprotonables a pH 9-10).



Insolubles en el agua (hidrofóbicas).



Su espectro de absorción es máximo a una longitud de onda (λ) de 260 nm.



Las purinas son estructuras planas, mientras que las pirimidinas son casi planas.



Presentan según su pH, la posibilidad de tautomería, que es un tipo de isomería que hace que una sustancia pueda existir en varias formas con diferente disposición estructural de sus átomos (posición específica de los átomos de H y O), formando moléculas que se diferencian en la polaridad de los grupos que pueden formar puentes de hidrógeno.

Las bases nitrogenadas de las dos cadenas de ADN que forman la doble hélice interaccionan entre sí, debido a: 

Son bases hidrofóbicas a pH fisiológico, que tienden a interaccionar entre ellas mediante interacciones hidrofóbicas de apilamiento.



Los grupos carbonilo y amino de las bases permiten la interacción entre las bases nitrogenadas, mediante la formación de enlaces de hidrógeno entre pares de bases.

Así, los enlaces de hidrógeno, permiten la asociación complementaria entre de las 2 cadenas de ácido nucleico. Entre A y T, se forman 2 puentes de hidrógeno (A=T), y entre C y G, se forman 3 puentes de hidrógeno (G≡C). La pentosa es un componente neutro, y en los nucleótidos solo hay dos tipos de ella: la ribosa y la desoxiribosa. La ribosa es

característica

del

RNA

(ácido

ribonucleico), uno de los dos tipos de ácidos nucleicos. La desoxirribosa, en cambio, es típica del DNA (ácido desoxirribonucleico).

Nucleótidos y Nucleósidos En los nucleótidos: 

La base está unida covalentemente con un enlace N-β glucosídico entre el N1 (en pirimidinas) o el N9 (en purinas) y el C1´ de la pentosa.



El fosfato se une mediante un enlace éster al C5´ de la pentosa.

El nucleósido tiene la misma estructura que el nucleótido, salvo que el nucleótido no posea el grupo fosfato (Nucleósido = pentosa + base // Nucleótido = pentosa + base + fosfato). En caso de unirse más grupos fosfato, lo hacen mediante un enlace anhídrido. El fosfato confiere un carácter ácido al nucleótido, de forma que éste presenta mayor solubilidad que un nucleósido.

Para nombrar los diferentes nucleósidos y nucleótidos que pueden dar lugar las diferentes combinaciones posibles de componentes, seguiremos la siguiente tabla:

Dependiendo del estado de fosforilación de los nucleótidos, existen diferentes formas de nombrarlos: 

Si son desoxinucleótidos, llevarán una “d” delante.



La primera letra (la segunda si son desoxinucleótidos) corresponderá a la base nitrogenada (A, U, T, C, G).



La segunda letra será M, D o T dependiendo del número de grupos fosfato (M si es monofosfato, y sucesivos).



La tercera letra siempre será una P (signo del fósforo).

Así, un nucleótido formado por ribosa, uracilo y dos grupos fosfato será un UDP.

Los nucleótidos, además de constituir los ácidos nucleicos, tienen además otras funciones biológicas: 

Transferencia de energía (ATP)



Componentes de coenzimas



Segundos mensajeros celulares (como el AMPc)

MUTACIONES: Alteraciones en la estructura del DNA que dan lugar a cambios permanentes en la información genética Existe una serie de transformaciones no enzimáticas que experimentan tanto nucleótidos como las moléculas que forman, los ácidos nucleicos. Se denominan mutaciones a las alteraciones en la estructura del DNA que dan lugar a cambios permanentes en la información genética. Las más frecuentes son: 

Desaminación: Eliminación espontánea de grupos amino exocíclicos en las bases nitrogenadas.



Despurinización: Hidrólisis del enlace N-glucosídico entre la base y la pentosa.



Luz UV: Formación de dímeros de pirimidina. Provoca un codo en el DNA.



Radiaciones ionizantes (RX, R): Abertura de anillos que conlleva una fragmentación de bases. Rotura del esqueleto covalente de los ácidos nucleicos.



Agentes químicos: 

Agentes desaminantes: Ácido nitroso (producido a partir de precursores como nitrosaminas, nitrito sódico, nitrato sódico) y bisulfito, compuestos que se usan como conservantes en alimentos.



Agentes alquilantes: S-adenosilmetionina, dimetilsulfato; pueden alterar las 12 bases del DNA induciendo por ejemplo metilaciones.



Procesos oxidativos: Radicales hidroxilo, peróxido de hidrogeno, radicales superóxido que aparecen durante la irradiación o como productos secundarios de metabolismo aeróbico pueden oxidar la desoxirribosa y las bases, o provocar la rotura del esqueleto covalente del DNA.

Existen sistemas de reparación que amortiguan el impacto de estas lesiones.

1.2. Estructura y características del ADN 1.2.1. Estructura primaria El DNA es una cadena simple de polinucleótidos que posee un sentido o direccionalidad: 

Un extremo de la cadena lleva un grupo fosfato (PO43-) 5´ libre y el otro extremo, un grupo OH- 3´ libre.



Los nucleótidos sucesivos están unidos por enlaces fosfodiéster.

Así, la estructura primaria de una molécula de ADN, viene determinada por la secuencia de bases (elemento distintivo) desde su extremo 5´ al extremo 3´.

Síntesis de la cadena o polimerización del ADN Los nucleótidos se unen entre sí mediante enlaces fosfodiéster. Estos enlaces fosfodiéster, se pueden formar por:



Simple deshidratación



A partir de precursores de alta energía (método más frecuente utilizado por las células).

El enlace fosfodiéster, se produce entre un OH-3´ y un grupos fosfato 5´ del otro nucleótido. Como producto se libera un pirofosfato (PPi), que se escinde en dos fosfatos, reacción altamente exergónica, de tal modo que el proceso inverso es casi imposible, y termodinámicamente, se favorece la formación de la nueva cadena. Así, son los mismos sustratos, los que por el hecho de estar trifosfatados, aportan la energía necesaria para su polimerización.

1.2.2. Estructura secundaria del ADN (Modelo de Watson y Crick) Tridimensionalmente, el ADN consiste en dos cadenas helicoidales simples de ADN, enrolladas alrededor de un mismo eje, formando una doble hélice dextrógira, complementaria y antiparalela: 

Esqueleto azúcar fosfato en el exterior, con el grupo fosfato en la parte más externa.



Bases emparejadas en el interior de la molécula, perpendiculares al eje de la hélice.



La estructura del DNA es una doble hélice formada por cadenas orientadas en direcciones opuestas (antiparalelas). La estructura se mantiene gracias a enlaces de hidrógeno entre las bases nitrogenadas, que se encuentran orientadas hacia el interior de la hélice, como peldaños de una escalera, siendo el resto de la molécula la barandilla.



Cadenas de azúcar-fosfato alternantes forman el esqueleto covalente, mientras que las bases pueden considerarse grupos laterales unidos al esqueleto. Los esqueletos covalentes del DNA y RNA son hidrofílicos, pues los grupos hidroxilo de los residuos de la pentosa forman puentes de hidrógeno con el agua.



Los grupos fosfato se encuentran a pH 7 cargados negativamente, estando las cargas neutralizadas por interacciones iónicas con cargas positivas de proteínas, iones metálicos o poliaminas.

Las fuerzas que estabilizan esta doble hélice son: 

Los puentes de hidrógeno entre las bases: el hecho de que el apareamiento de bases sea siempre A-T o C-G, favorece que los enlaces de hidrógeno estén correctamente direccionados.



El apilamiento de los pares de bases de la misma cadena en el interior de la doble hélice, favorece la existencia de fuerzas hidrofóbicas entre ellas (que estabilizan la molécula de ADN)



Las cargas del fosfato (P-): cosa que hace al ADN muy soluble en agua.

Al girar una cadena sobre la otra, el apilamiento de bases desviadas del eje en la doble hélice genera dos surcos en los esqueletos azúcar-fosfato, de modo que en cada par de bases, se definen dos surcos (uno mayor y el otro menor). Gran parte de la reactividad de la molécula de ADN está localizada en estos surcos. El surco mayor es de 2,2 nm, y el menor, de 1,2 nm. Las bases emparejadas en el interior de la molécula son perpendiculares al eje de la hélice.

Parámetros de la doble hélice de ADN-B 

Diámetro: 0,2 nm (20 Å)



Una vuelta cada: 0’36 nm (36 Å)



Una vuelta: 10’5 nucleótidos



Distancia entre nucleótidos: 0,34 nm (3,4 Å)



Dextrógira: el eje baja en el sentido de las agujas del reloj

Desnaturalización y renaturalización del ADN La desnaturalización térmica del DNA sigue una curva sigmoide. El punto medio, t m (temperatura de fusión, melting) es la temperatura a la cual el 50% del DNA se encuentra desnaturalizado. El valor de t m está relacionado con el contenido en G+C. En la gráfica superior la muestra 2 (línea roja) tiene un mayor contenido en G+C y, por tanto, un valor de tm menor que la muestra 1 (azul).

Otras estructuras secundarias del ADN La estructura de Watson y Crick se conoce también como forma B del DNA. Las formas A y Z del DNA son dos variantes estructurales que se han caracterizado a fondo en estructuras cristalinas. La forma A predomina en disoluciones pobres en agua. Es una doble hélice dextrógira, pero la hélice es más gruesa y el número de pares de bases por vuelta es de 11 en lugar de 10,5. La forma Z es una doble hélice levógira que contiene 12 pares de bases por vuelta y la estructura es más delgada y alargada. Las cadenas del DNA adoptan un plegamiento en zig-zag. No está claro que la forma A se encuentre en las células, pero parece ser que la forma Z está presente en pequeños fragmentos del DNA, y podría tener algún papel regulador en la expresión génica o en la recombinación genética.

Existen secuencias que pueden alterar la estructura secundaria del DNA. Pueden ser: 

Palíndromos. Secuencias de DNA que presentan simetría binaria. Para poder superponer una repetición sobre la otra es necesario rotar 180º tanto en el eje horizontal como en el vertical. Forman estructuras alternativas mediante apareamiento de bases.



Cuando solo interviene una de las dos cadenas de DNA en la alteración, es decir, cuando las secuencias complementarias se encuentran en la misma hebra, la estructura se denomina horquilla.



Cuando ambas cadenas de la doble hélice (dúplex de DNA) intervienen en el apareamiento entre la misma o entre distintas cadenas, se habla de una estructura cruciforme.

1.2.3. Estructura terciaria del ADN En determinados organismos, sobretodo en procariotas, el ADN puede presentar diversas estructuras terciarias como la circular (ADN relajado), la circular con superhélice negativa o en forma de superhélices (cuando la doble hélice se enrolla a su vez sobre sí misma, lo que permite el empaquetamiento de la molécula en el interior de la célula).

Condensación del ADN El ADN eucariótico está localizado en el núcleo formando un complejo con diversas proteínas (pues NO cabe si no se EMPAQUETA). Esta asociación ADN-proteínas es denominada cromatina. Las proteínas que interaccionan con el ADN se pueden clasificar en: 

Histónicas: alrededor de ellas, se produce el primer nivel de condensación del ADN eucariota: el nucleosoma.



No-histónicas

NIVELES DE CONDENSACIÓN 

0: doble hélice



Cromatina: filamento de ADN y proteínas



1: Nucleosoma: Unidad básica de organización



2: solenoide: anillos circulares y continuos formados cada uno por 6 nucleosomas.



3/4: Cromosoma: Mayor nivel de condensación

NUCLEOSOMA Unidades de nucleoproteínas formadas cada una por un octámero de histonas en forma de disco, alrededor de las cuales se enrolla un ADN de 146 pares de bases de longitud (+20 pares de bases de ADN espaciador entre dos nucleosomas). Forma una unidad repetitiva de 200 pares de bases. El octámero de histonas se compone de: 8 moléculas de histonas conocidas como H2A, H2B, H3 y H4 (2 de cada una).

Los nucleosomas se empaquetan en anillos circulares y continuos de 6 nucleosomas (solenoides) formando una fibra de 30 nm.

SOLENIODE o fibra de 30 nm Segundo nivel de condensación, con por anillos circulares y continuos fo cada uno de 6 nucleosomas (estabi por la histona H1), formando así una fibra de 30nm de diámetro.

NIVELES SUPERIORES DE COMPACTACIÓN - CROMOSOMA La histona H1 favorece el empaquetamiento de los nucleosomas. Sin embargo, existen niveles mayores de compactación, pues de no ser así el DNA no cabría en el núcleo. A pesar de que se sabe acerca la existencia de niveles superiores de compactación, no se conocen todavía con exactitud. Parece ser que las fibras de 30 nm forman bucles entre ellas. 6 bucles darán una roseta, envueltas en un armazón nuclear (rico en histonas H1 y topoisomerasa II). 30 rosetas formarán una vuelta, y 10 vueltas formarán una cromátida. Esta organización muy probablemente no sea tan regular como se explica. El nivel máximo de compactación es el cromosoma.

Clasificación operacional de la cromatina  Heterocromatina: Transcripcionalmente INACTIVA. Constituido por fibras de 30nm (o niveles más elevados) densamente empaquetadas. Se localiza especialmente en centrómeros, telómeros y regiones de unión a la membrana nuclear interna.  Eucromatina: Transcripcionalmente ACTIVA: nucleosomas y fibras de 30nm, incluso ADN desnudo. Se localiza en los genes estructurales, ribosómicos, secuencias reguladoras, etc.)

1.2.3. Desnaturalización y renaturalización del ADN Si el ADN es sometido a Temperaturas elevadas (>80 ºC) (ΔG= negativa) y/o pH extremo, puede desnaturalizarse y perder su estructura de doble cadena por la rotura de los enlaces por puentes de hidrógeno y de las interacciones hidrofóbicas que provocan el apilamiento entre las bases. Sin embargo si se devuelve al sistema a sus condiciones iniciales de T y pH, el ADN es capaz de renaturalizarse, volviéndose a formar la doble hélice. Estructuras cooperativas: muchos enlaces pero débiles. La desnaturalización provoca un incremento de la absorción de luz de λ=260nm. La desnaturalización no rompe ningún enlace covalente del DNA.

1.3. Estructura y características del ARN La estructura es similar a la del ADN, salvo algunas diferencias: 

Pentosa: ribosa



Bases nitrogenadas (Uracilo) (U)  NO timina



Los ribonucleótidos se unen entre sí, igual que en el DNA, a través de un ácido fosfórico en sentido 5’3’.



Aunque el RNA es monocatenario y tiene una estructura secundaria helicoidal dextrógira, se suelen formar apareamientos entre bases dando lugar a múltiples estructuras secundarias. El ARN presenta en el C2 de su pentosa (ribosa), un grupo OH-, que hace que pueda reaccionar con más facilidad siendo menos estable (se fragmenta con más facilidad). El Uracilo es una base específica del ARN que lo hace más sensible a mutaciones.

Tipos 

ARN ribosómico (ARNr)  Cadena simple.  Representa el 80% del RNA total.  Alta estructura secundaria (hélice en bucles intracatenarios).  Función estructural (ribosoma) y catalítica.



ARN de transferencia (ARNt)  Cadena simple.  Representa el 15% del RNA total.  Estructura secundaria media (hélice en bucles intracatenarios).  Abundancia de bases modificadas.  Adaptador del código genético (por un extremo se une al mRNA y por otra a un aminoácido específico).



ARN mensajero (ARNm)  Cadena simple.  Representa el 2% del RNA total.  Baja estructura secundaria (prácticamente lineal).  Función nformativa: codificación de proteínas (madurado a partir de pre-mRNA).



ARN pequeño nucleolar (snRNA)  Cadena simple.

 Representa el 3% del RNA total.  Alta estructura secundaria (hélices en bucles intracatenarios).  Ricos en U.  Función estructural (forma partículas de snRNP y espliceosomas).  Función catalítica (eliminación de intrones). 

Ribozimas: ARN con actividad catalítica (p. ej.: intrones con capacidad autoprocesativa)....