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Biología Molecular
Lección 1
La Biología Molecular.
Ácidos Nucleicos: DNAs y RNAs.
- La biología molecular. Estructura de los ácidos nucleicos: nucleótidos y sus componentes básicos
(bases nitrogenadas), neutro (azúcares ribosa y desoxirribosa) y ácido (fosfato). Tipos de bases
nitrogenadas y sus propiedades físico-químicas. Estructura primaria de los ácidos nucleicos y sus
propiedades. DNA: reglas de Chargaff y su análisis estructural. Modelo de Watson y Crick del DNA-B. El
código informativo del surco mayor y su importancia en la interacción y unión de proteínas reguladoras
génicas. Otras conformaciones y estructuras tridimensionales del DNA dependientes de características
de enlaces de nucleótidos, condiciones fisiológicas y secuencias específicas: DNA A, DNA-Z, curvaturas
del DNA, secuencias palindrómicas y otro tipo de repeticiones, DNA tríplex y cuádruplex. RNAs y sus
características estructurales y diferencias respecto al DNA.
El surgimiento de la
Biología Molecular
James Watson (1928 ‐ ) y Francis Crick (1916 ‐ 2004) Premios Nobel en Medicina 1962
Estructura y
función del material genético
Los ácidos nucleicos (DNA y RNA) son cadenas polinucleotídicas
- Los nucleótidos son las unidades
monoméricas de los ácidos nucleicos , que
están formados por cadenas polinuleotídicas.
Propiedades físicoquímicas de las bases púricas y pirimidícas
1. Existencia de dipolos eléctricos. La presencia de átomos electronegativos (N y O) permite la formación
de interacciones polares ( enlaces de H ), importantes en la estructura secundaria.
2. Hidrofobicidad. Los anillos aromáticos de las bases nitrogenadas son apolares y, por lo tanto,
hidrófobas y poco solubles en agua al pH celular (a pHs ácidos o alcalinos adquieren carga y se hacen más
solubles en agua [ más hidrofílicas ]).
3. Propiedades ácido-base: Basicidad. Todas las bases nitrogenadas son bases débiles ( átomos de N
protonables ; pK b 9-10), pero la presencia de sustituyentes (ejemplo: grupos OH ácidos ) disminuye su
carácter básico.
4. Tautomería.- Los grupos funcionales amino y ceto de las bases nitrogenadas están en equilibrios
tautoméricos que afectan, entre otras cosas, a la capacidad de ionización y la formación de enlaces de H.
5. Absorción de luz UV.- Propiedad de las bases púricas y pirimidínicas debida a su carácter aromático y
con máximo de absorción a 260nm.
6. Coplanariedad de los anillos. Propiedad asociada al carácter aromático de las bases nitrogenadas.
Otras bases de los ácidos nucleicos
- El DNA y el RNA contienen también otras bases secundarias ( alteradas o poco comunes ) además de las 4 principales.
- En el DNA las más frecuentes son derivados metilados de las bases principales.
- Sirven a menudo como señales específicas para regulación o protección de la información genética.
( a ) Algunas bases de purina y pirimidina del DNA (mostradas en forma de nucleósidos: base + azúcar ): 5 - metilcitidina : en DNA de animales y plantas superiores. N^6 - metiladenosina (en DNA bacteriano y eucariótico ) y 5 - hidroximetilcitidina (en DNA de animales y bacterias infectadas con ciertos bacteriófagos ). ( b ) Algunas bases de tRNAs (nombradas como nucleósidos ).
- Inosina contiene la base hipoxantina.
- Pseudouridina (como la uridina) contiene U y difieren en el punto de unión de la ribosa (a través del N1 en el uridina y del C5 en la pseudouridina ).
- Otros: dihidrouridina , ribotimidina ..
- Se conocen unos 96 nucleósidos modificados (81 en los tRNAs y 30 en los rRNAs ).
( a )
( b )
Otras bases derivadas de purina que aparecen de forma natural.
El azúcar ( pentosa ) es el componente neutro
- Hay 2 tipos de pentosas : ribosa (RNA) y 2 ´ - desoxirribosa (DNA)
( b ) Los anillos de ribofuranosa en los nucleó - tidos pueden existir en 4 diferentes conformaciones.
- En todos los casos , 4C de los 5C están casi en el mismo plano. El 5º átomo de C (C-2´ o C-3´) o bien está en el mismo plano (endo) o en el lado opuesto (exo) del plano relativo al átomo del C-5´.
Conformaciones de la ribosa. ( a ) En solución están en equilibrio las formas abierta ( aldehído ) y cerrada ( β - furanosa ) de la ribosa libre. Es similar para desoxirribosa , aunque en el DNA parece sólo como β - 2 ´ - desoxi-D - ribofuranosa.
- La unión covalente (enlace N - glucosídico ) se establece entre la base púrica (N9) o pirimidínica (N1) y el C1 ( anomérico ) del azúcar ( ribosa o desoxirribosa ).
- Además de los nucleósidos componentes de los ácidos nucleicos hay otros de interés biológico (dip. 11): en RNA inosina , pseudouridina , dihidrouridina , componentes de coenzimas ( S - Adenosil - metionina [SAM], vitamina B 12 ), formas activadas de precursores biosintéticos ( UDP - glucosa ..); y también de importancia clínica: antibióticos ( puromicina ) o análogos de nucleósidos naturales con aplicación antiviral o anticancerosa.
NUCLEÓTIDO = NUCLEÓSIDO + GRUPO FOSFATO
- La unión covalente entre el nucleósido ( base nitrogenada + azúcar ) y el fosfato se establece a través de un enlace éster generando un nucleótido.
Propiedades químicas de los nucleósidos y nucleótidos
- Propiedades iónicas .- Consecuencia de la disociación (en disolución acuosa ) de los grupos fosfato (son fuertemente ácidos ) y cargados negativamente ( aniones ) a pH fisiológico (7.0).
- Absorción de luz UV .- Debido a las bases nitrogenadas y en valores próximos a 260 nm.
- Formación de complejos .- Los nucleósidos di (NDP) y trifosfato (NTP) muestran afinidad por cationes divalentes (Mg 2+, Mn 2+^ y Ca 2+) debido a sus grupos fosfato y no existen como aniones libres , sino en forma de complejos quelato 1:1 ( principalmente Mg 2+).
- Nucleótidos como reservas energéticas. Muchos nucleótidos (sobre todo NDP y NTP) actúan como compuestos ricos en energía : ej. los NTP intervienen como precursores en la síntesis de DNA y RNA con liberación de pirofosfato).
- Hidrólisis .- Los nucleósidos y nucleótidos pueden hidrolizarse en sus componentes usando medio ácido o alcalino.
- Nucleótidos cíclicos y complejos .- No forman parte de los ácidos nucleicos pero desempeñan funciones (muchas veces) esenciales en los seres vivos.
- Son polímeros de nucleótidos ( polinucleótidos ) formando lar- gas cadenas polinucleotídicas (normalmente largas) en las que el grupo fosfato (P) en 5´de un nucleótido está unido al grupo hidroxilo (OH) en 3´del nucleó- tido siguiente mediante un enlace fosfodiéster.
- Los esqueletos covalentes de los ácidos nucléicos son residuos alternados de fosfato y pentosa.
- Las bases nitrogenadas pueden considerarse como grupos laterales situadas a intervalos regulares.
- Las cadenas tienen polaridad específica y extremos 5 ´y 3 ´ dife- renciado: el extremo 5´ carece de nucleótido en posición 5´y el extremo 3´ carece de nucleótido en posición 3´.
Niveles estructurales:
Estructura primaria de los
ácidos nucleicos
Experimentos y reglas de Chargaff
Edwin Chargaff (1949)
El DNA es el material genético
- La composición de bases del DNA varia según la especie
- La composición es la misma en tejidos de la misma especie
- La composición de bases no varía con la edad ni con el estado nutricional
ni con variaciones ambientales
- En todos los DNAs celulares, A=T y G=C → siempre la suma de purinas es
igual a la de pirimidinas A+G = T+C
Reglas de Chargaff
A ≈ T → Razón A/T ≈ T/A ≈ 1
G ≈ C → Razón G/C ≈ C/G ≈ 1
A+G ≈ T+C ≈ 50 % → Razón (A+G)/(T+C)≈ 1
purinas ≈ pirimidinas ≈ 50 % → Razón purinas/pirimidinas ≈ 1
- Relación entre las bases .- En prácticamente todas las especies , el contenido de A ≈ T y el de G ≈ C.
Explicación: naturaleza bicatenaria del DNA (complementariedad de bases A-T y G-C). No se cumple en especies con material genético que sea RNA o DNA monocatenario ).
- Relación entre purinas y pirimidinas .- Consecuencia del anterior: siempre hay un 50% de
bases púricas y un 50% de pirimidínicas.
