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Asignatura: Bioquímica, Profesor: , Carrera: Biología, Universidad: UPV-EHU
Tipo: Apuntes
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- Ácidos nucleicos. Concepto e interés biológico. - Bases púricas y pirimidinicas.
Los ácidos nucleicos son polinucleótidos, o polímeros de nucleótidos. Los nucleótidos tienen tres componentes: un azúcar con cinco carbonos, uno o más grupos fosfato y un compuesto nitrogenado débilmente básico llamado base (figura 19.1). Las bases que se encuentran en los nucleótidos son pirimidinas y purinas sustituidas. La pentosa suele ser ribosa (D-ribofuranosa) o 2-desoxirribosa (2-desoxi-D-ribofuranosa). Los N -glicósidos pirimidina o purina de estos azúcares se llaman nucleósidos. Los nucleótidos son los ésteres de fosfato de los nucleósidos; los nucleótidos comunes contienen uno a tres grupos fosforilo. Los nucleótidos que contienen ribosa se llaman ribonucleótidos, y los que contienen desoxirribosa se llaman desoxirribonucleótidos.
Ribosa y desoxirribosa
Los azúcares componentes de los nucleótidos que se encuentran en los ácidos nucleicos se muestran en la figura 19.2. Los dos azúcares aparecen como proyecciones de Haworth de la configuración b de las formas de anillo de furanosa (sección 8.2). Es la configuración estable que existe en los nucleótidos y polinucleótidos. Cada uno de esos anillos de furanosa puede adoptar conformaciones diferentes.
Las purinas y las pirimidinas son bases débiles relativamente insolubles en agua al pH fisiológico. Sin embargo, dentro de las células la mayor parte de bases pirimidina y purina se encuentran como constituyentes de nucleótidos y polinucleótidos, compuestos que son muy hidrosolubles.
Cada base heterocíclica de los nucleótidos comunes puede existir cuando menos en dos formas tautómeras (isómeros que se diferencian sólo en la posición de un grupo funcional). La adenina y la citosina (que son amidinas cíclicas) pueden existir en sus formas amino o imino, y la guanina, timina y uracilo (que son amidas cíclicas) pueden existir en forma de lactama (ceto) o de lactima (enol) (figura 19.5). Las formas tautómeras de cada base existen en equilibrio, pero los tautómeros amino y lactama son más estables, y en consecuencia predominan bajo las condiciones que hay en el interior de la mayoría de las células. Los anillos permanecen no saturados y planos en cada tautómero.
Todas las bases en los nucleótidos comunes pueden participar en puentes de hidrógeno. Los grupos amino de la adenina y la citosina son donadores de hidrógeno y los átomos de nitrógeno en el anillo (N-1 en la adenina y N-3 en la citosina) son aceptores de hidrógeno (figura 19.6). La citosina también tiene un grupo aceptor de hidrógeno en el C-2. La guanina, la citosina y la timina pueden formar tres puentes de hidrógeno. En la guanina, el grupo en el C-6 es aceptor de hidrógeno, y el N-1 y el grupo amino en el C- son donadores de hidrógeno. En la timina, los grupos en el C-4 y el C-2 son aceptores de hidrógeno, y el N-3 es donador de hidrógeno. (Sólo dos de esos sitios, el C-4 y el N-3, se usan para formar pares de bases en el ADN). La capacidad formadora de puente de hidrógeno del uracilo, nucleósido que se encuentra en el ARN, es parecida a la de la timina.
Las pautas de puentes de hidrógeno de las bases tienen consecuencias importantes para la estructura tridimensional de los ácidos nucleicos. Hay más puentes de hidrógeno en algunos ácidos nucleicos, y en interacciones entre ácido nucleico y proteína. Por ejemplo, el N-7 de la adenina y la guanina puede ser un aceptor de hidrógeno, y los dos átomos de hidrógeno del amino en adenina, guanina y citosina se pueden donar para formar puentes de hidrógeno.
Nucleótidos
Los nucleótidos son derivados fosforilados de los nucleósidos. Los ribonucleósidos contienen tres grupos hidroxilo que se pueden fosforilar (2’, 3’ y 5’), y los desoxirribonucleósidos contienen dos de esos grupos hidroxilo (3’ y 5’). En los nucleótidos naturales, los grupos fosforilo suelen estar unidos al átomo de oxígeno del grupo 5’-hidroxilo. Por convención, siempre se supone que un nucleótido es un éster de 5’-fosfato, a menos que se indique otra cosa.
Los nombres sistemáticos de los nucleótidos indican la cantidad de grupos fosfato presentes. Por ejemplo, el éster 5’-monofosfato de la adenosina se llama adenosina monofosfato (AMP). También se le llama sólo
adenilato. De igual modo, el éster 5’-monofosfato de la desoxicitidina se puede llamar desoxicitidina monofosfato (dCMP) o desoxicitidilato. El éster 5’-monofosfato del desoxirribonucleósido de timina se conoce como timidilato, pero a veces se le llama desoxitimidilato, para evitar ambigüedades. La tabla 19.1 presenta una perspectiva de la nomenclatura de bases, nucleósidos y 5’- nucleótidos. Los nucleótidos con el fosfato esterificado en la posición 5’ se abrevian AMP, dCMP, etcétera. Los nucleótidos con el fosfato esterificado en una posición distinta a la 5’ tienen abreviaturas similares, pero se indican los números de posición (por ejemplo 3’-AMP). Los nucleósidos monofosfato, que son derivados del ácido fosfórico, son aniónicos a pH fisiológico. Son ácidos dibásicos con valores de p K a aproximados entre 1 y 6. Los átomos de nitrógeno de los anillos heterocíclicos también se pueden ionizar.
Los nucleósidos monofosfato se pueden seguir fosforilando y formar nucleósidos difosfato y nucleósidos trifosfato. Esos grupos fosforilo adicionales existen como fosfoanhídridos. Las estructuras químicas de los desoxirribonucleósidos-5’-monofosfato se muestran en la figura 19.9. Una vista tridimensional de la estructura de la dGMP se ve en la figura 19.10. La base en la dGMP tiene la conformación anti , y el anillo de azúcar está fruncido. El plano del anillo de purina es casi perpendicular al del anillo de la furanosa. El grupo fosforilo unido al átomo de carbono 5’ está muy arriba del azúcar, y muy lejos de la base.
Unión de nucleótidos por enlaces de 3’,5’fosfodiéster
Se ha visto que la estructura primaria de una proteína se refiere a la secuencia de sus residuos de aminoácido unidos por enlaces peptídicos; en forma parecida, la estructura primaria de un ácido nucleico es la secuencia de sus residuos de nucleótido unidos por enlaces 3’,5’-fosfodiéster. Un tetranucleótido que representa un segmento de una cadena de ADN ilustra esos enlaces (figura 19.11). El esqueleto de la cadena de polinucleótidos consiste en los grupos fosforilo y los átomos de carbono 3’, 4’ y 5’, y el átomo de oxígeno 3’ de cada desoxirribosa. Esos átomos del esqueleto están arreglados en una conformación extendida. Eso hace que el ADN de doble cadena sea una molécula larga y delgada, a diferencia de las cadenas de polipéptido que con facilidad se pueden doblar sobre sí mismas hacia atrás. Todos los residuos de nucleótido dentro de una cadena de polinucleótido pueden tener la misma orientación.
Entonces, las cadenas de polinucleótido tienen direccionalidad, igual que las de polipéptido. Se dice que un extremo de una cadena lineal de polinucleótido es 5’ (porque no hay residuo unido a su carbono 5’) y que el otro es 3’ (porque no hay residuo unido a su átomo de carbono 3’).
Por convención, la dirección de una hebra de ADN se define leyendo los átomos que forman el residuo de azúcar. Así, al ir de arriba abajo de la hebra en la figura 19.11, se define como 5’ ----> 3’ (“cinco prima a tres prima”) porque se cruza el residuo de azúcar encontrando los carbonos 5’, 4’ y 3’ en ese orden. De igual modo, al ir de abajo arriba de la hebra quiere decir moverse en la dirección 3’ -----> 5’. Se supone que las abreviaturas estructurales se leen en dirección 5’ ----> 3’, a menos que se indique otra cosa. Como los fosfatos se pueden abreviar con p, el tetranucleótido de la figura 19.11 se puede representar por pdApdGpdTpdC, o incluso como AGTC, cuando es claro que se refiere al ADN. Cada grupo fosfato que participa en un enlace fosfodiéster tiene un p K a aproximado de 2, y una carga negativa a pH neutro.
En consecuencia, los ácidos nucleicos son polianiones bajo las condiciones fisiológicas. Dentro de la célula, los grupos fosfato con carga negativa se neutralizan con pequeños cationes y con proteínas con carga positiva.
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Las propiedades de las bases de los nucleótidos influyen en la estructura tridimensional de los ácidos nucleicos
Las pirimidinas y purinas libres son compuestos débilmente básicos y por ello se denominan bases. Las purinas y pirimidinas presentes en el DNA y el RNA son moléculas aromáticas. Esta propiedad tiene efectos importantes sobre la estructura, la distribución electrónica y la capacidad de absorción de la luz de los ácidos nucleicos. La deslocalización de los electrones entre los átomos del anillo confiere a la mayoría delos enlaces el carácter de doble enlace parcial. Como consecuencia de este hecho, las pirimidinas son moléculas planas y las purinas casi planas, con una ligera deformación.
Las bases purínicas y pirimidinicas libres pueden existir en dos o más formas tautomericas según el pH. Todas las bases nucleotidicas absorben luz UV, y los ácidos nucleicos se caracterizan por una fuerte absorción a longitudes de onda cercanas a 260 nm (Fig. 8-10). Las bases purínicas y pirimidinicas son hidrofóbicas y relativamente insolubles en agua al pH celular cercano a la neutralidad. A pH acido o alcalino las bases adquieren carga y aumenta su solubilidad en agua.
Las interacciones hidrofóbicas de apilamiento, que sitúan paralelamente los planos de los anillos de dos o más bases (de forma análoga a una pila de monedas) es uno de los dos tipos principales de interacción entre las bases en los ácidos nucleicos. El apilamiento resulta de una combinación de interacciones de van der Waals y dipolo-dipolo entre las bases.
El DNA puede adoptar diferentes formas tridimensionales
El DNA es una molécula extraordinariamente flexible. Es posible una rotación considerable alrededor de una serie de enlaces de las cadenas de azúcar-fosfato (fosfodesoxirribosa), y las fluctuaciones térmicas pueden provocar la curvatura, el estiramiento y el desapareamiento (fusión) de las hebras. En el DNA celular se observan muchas desviaciones significativas de la estructura de Watson y Crick, y algunas de ellas, si no todas, pueden jugar un papel importante en el metabolismo del DNA. Estas variaciones estructurales no tienen en general ningún efecto sobre las propiedades fundamentales del DNA definidas por Watson y Crick: la complementariedad de las hebras, las hebras anti paralelas y el requerimiento de pares de bases A=T y G=C. La variacion estructural del DNA refleja tres aspectos: las diferentes conformaciones posibles de la desoxirribosa, la rotación alrededor de enlaces adyacentes que constituyen el esqueleto de fosfodesoxirribosa (Fig. 8-16a) y la libre rotación en tomo del enlace C-1’-N-glucosídico (Fig. 8-16b). Debido a impedimentos estéricos las purinas en los nucleótidos purínicos están limitadas a dos conformaciones estables de la desoxirribosa que se denominan syn y anti (Fig. 8~16b). Las pirimidinas están limitadas generalmente a la conformación anti a causa de la interferencia estérica entre el azúcar y el oxígeno carbonílico C-2 de la pirimidina.
La estructura de Watson y Crick se conoce también como forma B del DNA o B-DNA. La forma B es la estructura más estable que puede adoptar un DNA de secuencia aleatoria en condiciones fisiológicas y es, por tanto, el punto de referencia estándar en los estudios sobre las propiedades del DNA. Las formas A y Z del DNA son dos variantes estructurales que han sido caracterizadas a fondo en estructuras cristalinas. Estas tres conformaciones del DNA se muestran en la Figura 8-17, junto con un resumen de sus propiedades. La forma A predomina en disoluciones relativamente pobres en agua. El DNA esta todavía estructurado en 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 los 10,5 del B-DNA. El plano de los pares de bases de la forma A tiene una inclinación de unos 20° con respecto al eje de la hélice. Estos cambios estructurales hacen que el surco ancho sea más profundo y el surco estrecho más superficial. Los reactivos utilizados para promover la cristalización del DNA tienden a deshidratarlo y por eso muchos DNA cortos cristalizan en forma A. El Z-DNA supone una desviación mucho más radical con respecto a la forma B; la diferencia más clara es la rotación a izquierdas (levógira) de la hélice. 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. Ciertas secuencias de nucleótidos se pliegan más fácilmente que otras en hélices Z levógiras. Los ejemplos más característicos son las secuencias en las que se alternan pirimidinas y purinas, especialmente aquellas en las que se alternan residuos C y G o 5-metil-C y G. Con el fin de formar parte de la doble hélice levógira del DNA las purinas adoptan la conformación syn mientras que las pirimidinas conservan la conformación anti. En el DNA Z el surco mayor es apenas perceptible, y el surco menor es estrecho y profundo. No está claro todavía que d A-DNA se encuentre en las células, pero hay datos a favor de la presencia de fragmentos cortos (zonas) de Z-DNA tanto en procariotas como en eucariotas. Estas regiones de Z-DNA pueden tener un papel (todavía por definir) en la regulación de la expresión de algunos genes o en la recombinación genética.
El tetráplex de guanosina, o tetráplex G, es muy estable en un amplio abanico de condiciones. La orientación de las hebras en el tetráplex puede variar tal como se muestra en la Figura 8-20e. En el DNA celular, los sitios de reconocimiento de muchas proteínas que se unen a secuencias específicas de DNA (Capitulo 28) tienen secuencias palíndromicas, y en las regiones implicadas en la regulación de la expresión de algunos genes eucarióticos se encuentran secuencias de polipurina y polipirimidina que pueden formar hélices triples. En principio, hebras de DNA sintético, diseñadas para aparearse con estas secuencias y formar hélices triples, podrían alterar la expresión génica.
