Ácidos nucleicos, nucleótidos y nucleósidos

ADN, ARN, estructura. Metabolismo

Bibliografía:

•Biochemistry (Chapter 4). Lubert Stryer

•Principles of Biochemistry. Lehninger

•A Structure for Deoxyribose Nucleic Acid Watson J. and Crick F. Nature 171,

737 (1953).

•Química Biológica. Antonio Blanco.

• http://www.dnaftb.org/#organization

• Que son los nucleósidos y los nucleótidos

•Purinas

•Pirimidinas

•Aldopentosa

•Grupo fosfato

•Ácidos Nucleicos: ADN

•Conformación espacial: ABZ

•ARN. ARN vs ADN

Objetivos de la Clase

Replicación

•Transcripción

•Traducción

•Metabolismo de Ácidos nucleicos

Energía

Los nucleótidos son fuentes de transferencia de energía celular. Regulan el ciclo

metabólico. Los nucleótidos se encuentran en un estado estable cuando poseen un solo

grupo de ácido fosfórico. Los más utilizados celularmente como dadores de energía son el

ATP (un nucleótido de adenina con tres grupos de fosfato) y GTP (nucleótido de guanina).

Componentes:

1-un molécula de anillo (base) que pertenece a las purinas o pirimidinas

2-Un azúcar de 5 carbonos o pentosa

3-Uno o más grupos fosfato

Nucleótidos

Electrones

Los nucleótidos son fuentes de transferencia de electrones. Actúan como reguladores de

la cadena respiratoria celular. Intervienen en el equilibrio redox intracelular. Son ejemplos

NADPH (NADP+), FADH y NADH y Coenzima A.

Información

Los nucleótidos en forma de polinucleótidos actúan como fuente (almacenamiento) y

transferencia de información celular. Existen dos tipos de polinucleótidos: el ácido

desoxiribonucleico o ADN y el ácido ribonucleico o ARN

Vías de señalización

Los nucleótidos actúan como segundos mensajeros en múltiples vías de señalización

intracelular. Son ejemplos el AMPc y GMPc.

Intermediaros Activados

S-adenosilmetionina (S-AdoMet o SAM) involucrada en reacciones de transferencia de

grupos metilo y en la síntesis azúcares conjugados con nucleótidos de glicógeno

Nucleótidos

Albrecht Kossel (1853-1927) . Bioquímico alemán . Descubrió los

ácidos nucleicos. Le fue otorgado el Premio Nobel de Fisiología

y Medicina en 1910 por el desciframiento de la química de

ácidos nucleicos. Estudió los constituyentes de las “nucleínas” y

las describió (base+azúcar+grupo fosfato).

Distinguió las bases: adenina, citosina, guanina, timina y uracilo.

Kossel estableció las bases que condujeron a esclarecer la

estructura del ADN.

N1910B

Johan Friedrich Miescher (1844 -1895): Biólogo suizo. Utilizó las

vendas con pus del hospital. Las lavó con soluciones salinas y

luego les agregó una solución levemente alcalina. Los núcleos y

las células lisadas precipitaron. Analizó el precipitado. Aisló varias

moléculas ricas en fosfatos, a las cuales llamó nucleínas

(actualmente ácidos nucleicos). Este descubrimiento se publicó

por primera vez en 1871 y los experimentos de Albrecht Kossel le

dieron su importancia biológica.

1871A

Phoebus Aaron Theodore Levene, M.D. (1869 —1940) Bioquímico, trabajó con

Kossel contribuyendo al descubrimiento de las bases (adenina, citosina, guanina,

timina y uracilo); la ribosa (1909); desoxiribosa (1929) y el grupo fosfato.

El llamó por primera vez a la molécula nucleótido y estableció de que manera

estaban unidos. Fué uno de los primeros en proponer una estructura del DNA

como tetranucleotidos (1910).

1909

R

1871

A

1910

NB

1929

DR

Purinas y Pirimidinas

1

2

3

4

5

6

65

43

2

7

8

9

1

Cada nucleótido contiene una base nitrogenada. Estas bases se clasifican en purinas

(con dos anillos, uno de cinco y otro de seis átomos) y las pirimidinas (con un solo

anillo de seis átomos)

En el ADN hay cuatro bases diferentes: la adenina (A) y la guanina (G) son las purinas.

La citosina (C) y timina (T) son las pirimidinas.

El ARN también tiene cuatro bases diferentes. Tres de ellas son las mismas que en el

ADN: adenina, guanina, y citosina. El ARN tiene al uracilo (U) en lugar de la timina (T).

Bases del ADN y ARN

Ribosa y Desoxiribosa

Los azúcares en los ácidos nucleicos son pentosas

La ribosa que encontramos en el ARN, es un azúcar "normal", con un átomo de oxígeno

unido a cada átomo de carbono.

La desoxirribosa que está en el ADN, es un azúcar modificada, puesto que carece de un

átomo de oxígeno (de ahí en nombre de "desoxi").

14

2

5

En la ribosa, el átomo de carbono #2 tiene un grupo hidroxilo (en rojo).

En la desoxirribosa, el átomo de carbono #2 tiene un hidrógeno en lugar de un grupo

hidroxilo.

2

Nucleósidos

A la combinación de una base y un azúcar se le llama

nucleósido. El enlace es N-Glicosídico

El nombre de la purina o pirimidina es modificado para indicar que está combinado con el

azúcar: la adenina se convierte en adenosina, la citosina en citidina, la guanina en

guanosina, el uracilo en uridina y la timina en timidina.

C 1´

N 9

C 1´

N 1

Grupo Fosfato

Los grupos fosfato se unen por medio de enlaces

fosfo/di/éster. Entre sí o a una molécula de azúcar

Cuando un fosfato es agregado a un nucleósido, la

molécula se llama nucleótido.

C 5´

Las moléculas con dos o tres grupos fosfato son consideradas buenos dadores de

energía, liberando energía junto con la transferencia de los grupos fosfato. Múltiples

grupos fosfato tienen una fuerte tendencia a repelerse uno con otro, siendo los

nucleótidos una molécula muy polar y cargada negativamente.

El número de grupos fosfato se indica por los términos monofosfato, difosfato y

trifosfato.

Si el azúcar es la desoxiribosa, el nombre del nucleótido empieza con "desoxi",

como el desoxiadenosín monofosfato (dAMP). Si el azúcar es la ribosa, se llamaría

adenosín monofosfato (AMP). Debería ponerse AMF, pero se usan las siglas en

inglés.

El azúcar presente en el RNA es la ribosa. Esto indica que en la posición 2' del

anillo del azúcar hay un grupo hidroxilo (OH) libre. Por este motivo, el RNA es

químicamente inestable, de forma que en una disolución acuosa se hidroliza

fácilmente

P

O

O-O

-O

-O CH2

H

O

OH H

H

ON

N

NH2

C 5´

C 4´

C 3´ C 2´

C 1´

Citosina (C)

dCitidina

(nucleósido)

dCitidina 5`-monofosfato

(dCMP, nucleótido)

P

O

O-O

-O

-O CH2

H

O

OH H

H

N N

N

NH2

N

Adenina

dAdenosina

(nucleósido)

dAdenosina 5´-monofosfato

(dAMP, nucleótido)

Los ácidos nucleicos, DNA y RNA, estaban formados por polímeros de cuatro

nucleótidos diferentes: tres comunes en el DNA y el RNA =adenina (A), guanina (G),

citosina (C), y timina (T) o uracilo (U) para el DNA o el RNA, respectivamente.

Se sabía que las proteínas estaban constituidas por cadenas formadas a partir de 20

aminoácidos diferentes

1871

A

1909

R

1910

NB

1929

DR

[A+G]=[T+C] ([purinas]=[pirimidinas]). Esta es la llamada ley de Chargaff.

Erwin Chargaff (1905 - 2002) fué un químico austriaco.

Se le conoce, principalmente, por demostrar que en el

ADN la cantidad de guanina es igual a la de citosina, y

el número de unidades de adenina es igual al de timina

(1949). Esto establece la unidad de medición del DNA

como pares de bases.

1949

Ch

Hasta 1944 genetistas como Avery, MacLeod y McCarty habían definido la

existencia de los genes como unidades abstractas de herencia y demostraron que

estaban constituidos por ácido desoxirribonucleico (DNA).

1944

G

EL EXPERIMENTO DE AVERY, McLEOD Y McCARTY (1944 (Griffith 1929)

Los neumococos de tipo R (rugoso)

forman colonias de aspecto rugoso sobre

un medio sólido, y son poco virulentos.

Los neumococos de tipo S (liso) forman colonias de

aspecto liso y brillante sobre un medio sólido, y

provocan infecciones letales.

Los neumococos de tipo S (liso)

provocan infecciones letales, pero

son sensibles al calor. Si se inyectan

al ratón neumococos de tipo S que

han sido calentados, el animal

sobrevive.

Si se inyectan a un ratón neumococos vivos de tipo R y

neumococos muertos de tipo S (ninguno de los dos es letal por

separado) se produce la muerte del ratón. En los ratones

muertos se encontraron neumococos vivos del tipo S que, a su

vez, eran capaces de infectar a otros ratones: el cambio que se

había producido era estable y era heredado por la descendencia

Factor transformante: ADN??

Tratamiento realizado sobre el lisado Resultado Conclusión

Trataron los pneumococos S muertos por calentamiento con detergente para obtener un lisado celular (un

extracto libre de células que contenía el FT). Este lisado contiene (entre otras cosas) el polisacárido de la

superficie celular, las proteínas, el ARN y el ADN de los neumococos S. Sometieron al lisado a diversos

tratamientos enzimáticos. Inyectaron en ratones los neumococos de tipo R vivos junto con una fracción

del lisado modificada enzimáticamente

Ninguno El FT está presente en el lisado

Se añadió la enzima SIII,que degrada la cápsula

de polisacárido

El FT no era el polisacárido que

estaba presente en el lisado

El FT no era una proteína. Debía

ser un ácido nucleico

Se añadieron al lisado anterior (con el

polisacárido degradado) las enzimas proteolíticas

tripsina y quimiotripsina

El FT no era el ARN

Se extrajeron los ácidos nucleicos del lisado

anterior y se añadió la enzima ARNasa (que

degrada el ARN)

FT = ADNAl extracto de ácidos nucleicos anterior se le

añadió la enzima ADNasa (que degrada el ADN)

EL EXPERIMENTO DE AVERY, McLEOD Y McCARTY (1944 (Griffith 1929)

Experimento Alfred D. Hershey y Martha Chase (1952)

James Watson

Francis Crick

Maurice Wilkins

En 1931, Linus Pauling su obra más importante

desarrolló el concepto de hibridación de los orbitales

atómicos. Descubrió la estructura de la alfa hélice

(proteínas), lo que lo llevó a acercarse al

descubrimiento de la doble hélice del ácido

desoxiribonucleico; proponiendo una triple hélice poco

antes de que Watson y Crick desarrollaran su modelo

en 1953.

1962

19621962

1871

A

1909

R

1910

NB

1929

DR

1949

Ch

1944

G

1953

DH

1962

NPN

1962

1954

1958

M

El ADN es como el oro de Midas;

todo el que lo toca enloquece.

Maurice Wilkins

https://www.youtube.com/watch?v=1vm3od_UmFg

https://www.youtube.com/watch?v=FMIsQlrtg_w&t=571s

Rosalind Franklin

La edición de Nature del 25 de abril de 1953

1: FRANKLIN R, GOSLING RG. Molecular configuration in sodium thymonucleate.

Nature. 1953 Apr 25;171(4356):740-1.

2: WILKINS MH, STOKES AR, WILSON HR. Molecular structure of deoxypentose

nucleic acids. Nature. 1953 Apr 25;171(4356):738-40.

3: WATSON JD, CRICK FH. Molecular structure of nucleic acids; a structure for

deoxyribose nucleic acid. Nature. 1953 Apr 25;171(4356):737-8.

http://www.dnaftb.org/19/index.html

Difracción de rayos x

Técnica analítica, no destructiva

Da información sobre la estructura molecular, cristalográfica y propiedades físicas de la

sustancia analizada

Se basa en analizar la marca radiográfica que se observa luego de interponer una

muestra entre una placa y la fuente de luz (se analiza ángulo dispersado, la polarización,

la longitud de onda o la energía).

A= reflexión meridional de 3.4 A corresponde a los

anillos de las bases

B= corresponde a la repetición de la doble hélice cada

34 A, formando la típica cruz helicoidal

CDEyF= determinaron que el diámetro oscila entre 20-

24 A. 10 nucleótidos por vuelta

•La molécula de DNA es una doble hélice

•Es dextrógira (enrollamiento de la cadena es

hacia la derecha)

•Las dos cadenas de polinucleótidos siguen un

eje imaginario de simetría

•Los grupos fosfatos se encuentran mirando

hacia fuera (hidrofílicas)

•Las bases (molécula plana) se localizan hacia el

interior (hidrofóbicas).

•Los pares de bases están formados siempre por

una Purina-Pirimidina de manera que siempre

están equidistantes y complementarias según A-

T y C-G.

•Las cadenas son antiparalelas 5´- 3´ 3´- 5´

ADN: Según el modelo desarrollado por Watson y Crick en 1953

dCMP

Los grupos fosfato están unidos a los

carbonos 5' y 3' de cada azúcar de la cadena

de ADN.

Un final de la cadena lleva un grupo fosfato

libre pegado al carbono 5'; a este se le llama

extremo 5' de la molécula. El otro final tiene

un grupo hidroxilo libre (-OH) en el carbono

3' y se le llama extremo 3' de la molécula.

C 3´

C 5´

Uníon

Fosfodiéster

dAMPC3´

dCMP

dAMP

dGMP

C 5´

C 3`

dTMP

Cuando dos cadenas de ADN se ensamblan en una doble hélice, las dos cadenas están una

enfrente de la otra, pero en direcciones opuestas; el extremo 5' de una cadena está

apareado con el extremo 3' de la otra cadena.

Las uniones intercatenarias se dan por puentes de Hidrógeno

•La desnaturalización consiste en la ruptura de los puentes de hidrógeno entre bases

apareadas

•Cuando la temperatura o las condiciones de pH retornan a valores fisiológicos, los

segmentos de DNA se aparean nuevamente y se obtiene la estructura de doble hélice.

•En el proceso de desnaturalización los enlaces covalentes del DNA se mantienen

inalterados.

•Los DNA de distintos orígenes tienen una temperatura de desnaturalización o

temperatura de fusión característica que depende de la composición de bases.

•La transición de DNA de doble hélice a monohebra puede detectarse por el efecto

hipercrómico, que se debe al incremento de absorción de luz UV por las bases del

DNA.

El DNA se desnaturaliza por efecto de la temperatura

El DNA se desnaturaliza por efecto del pH (extremos)

Curva de Fusión (Tm). La absorbancia a 260nm de una solución de DNA aumenta

cuando se desnaturaliza.

Curvas de Fusión de diferentes DNA con distinto contenido de G+C

Polimorfismo conformacional del DNA

TIPO DE

ADN

GIRO DE

HELICEnm /v

Plano entre

bases

nº de

ns/v

A Dextrógiro 2.8 inclinado 11

B Dextrógiro 3.4 perpendicular 10

Z Levógiro 4.5 zig-zag 12

Según las condiciones físicas (hidricas-salinas) del medio el DNA pueda adoptar

distintas conformaciones (A, B, Z).

B: es la normal en estado fisiológico, se

describe un surco mayor y otro menor, las

bases están perpendiculares al plano de giro

Z: (ZigZag) pociones ricas en G y C. Posee

una hélice levógira.

A: naturalemente existe cuando el medio

esta enriquecido con cationes (Mg++, Ca++)

o hay deshidratación (<65%). Se ven dos

surcos: estrecho y profundo y otro ancho y

superficial

ARN

•Es el ácido nucleico más abundante en la célula.

•Una célula típica contiene 10 veces más RNA que DNA.

•El azúcar presente en el RNA es la ribosa. Esto indica que

en la posición 2' del anillo del azúcar hay un grupo hidroxilo

(OH) libre (químicamente inestable).

•En el RNA la base que se aparea con la A es U, a diferencia

del DNA, en el cual la A se aparea con T.

•En la mayor parte de los casos es un polímero

monocatenario, pero en ciertos casos puede presentar

zonas en su secuencia con apareamientos intercatenarios

•Principalmente es citoplasmático.

El ARN se crea por la polimerización de ribonucleótidos y forma una cadena de

moléculas usadas en el proceso de transferencia de la información.

El ARN es estructuralmente similar al ADN.

La molécula de ARN

Hay 4 tipos de ARN, cada uno codificado por su propio gen

ARNt - ARN de Transferencia:

Lleva los aminoácidos a los ribosomas durante

la traducción de la información para la síntesis

de proteínas.

Tipos de ARN

ARNm - ARN Mensajero:

Transmite la información para la síntesis de

proteínas desde el núcleo al citoplasma.

ARNr - ARN Ribosomal:

Constituye el 80 % del RNA total. Se asocia a riboproteínas y se une al RE formando un

complejo capaz de sintetizar proteínas

ARN np- ARN nuclear pequeño:

Interviene en el procesamiento. En la reacción de corte y empalme para eliminar los

intrones del ARNm precursor

•El peso molecular del DNA es generalmente mayor que el del RNA

•El azúcar del RNA es ribosa, y el del DNA es desoxirribosa

•El RNA contiene la base nitrogenada uracilo, mientras que el DNA presenta

timina

•La configuración espacial del DNA es la de un doble helicoide, mientras que el

RNA es un polinucleótido lineal, que ocasionalmente puede presentar

apareamientos intercatenarios

•La estabilidad de DNA es mayor al RNA

•DNA es principalmente nuclear. RNA es principalmente citoplasmático

•EL RNA es 10 veces mas abundante que el DNA.

El DNA y el RNA se diferencian porque:

19531871

A

1909

R

1910

NB

1929

DR

1949

Ch

1944

G DH

1962

NPN

Nature. 1970 Aug 8;227(5258):561-3

1970

Dg

Francis Crick

DNA síntesis: Replicación

•Ubicación: Núcleo

•Semiconservativa

•Intervienen complejos sistemas de proteínas:Polimerasas, ligasas,

topoisomerasas, helicasas etc.

•El resultado son dos moléculas de DNA idénticas.

•El proceso es distinto entre procariotas y eucariotas (donde y

cuando)

•Dirección es 5´-------- 3´

Transcripción de DNA

Proceso por el cual la información genética de la molécula de DNA se transfiera a

una molécula de RNA llamada RNA mensajero (RNAm)

•Intervienen complejos proteicos: RNA polimerasa, factores de transcripción,

reguladores.

•En eucariotas: existe un precursor de RNAm y ocurren mecanismos de splicing

alternativo

• Tres procesos: iniciación (RNA polimerasa se une al promotor), elongación (RNA

polimerasa) y terminación (codon terminación o proteína Rho) .

Traducción

Proceso por el cual se decodifica una molécula de RNA mensajero (maduro) a un

polipéptido específico según las reglas del código genético.

•En eucariotas es citoplasmático

•Intervienen: RNAm, RNAt, RNAr

•4 etapas: activación, iniciación, elongación y terminación

Nucleótidos

DNA / RNA

Oligonucleótidos

fosfodiesterasas

Nucleósidos + Pi

Base + ribosa 1P Vías de recuperaciónDegradación

Biosíntesis

“de novo”

Metabolismo de Ácidos Nucleicos

nucleasas

nucleotidasas

Nucleósido fosforilasa

Purinas: AMPÁcido Úrico

Vías Biosintéticas

“De novo”

Recuperación

Las vías de recuperación requieren la utilización de purinas y pirimidinas preformadas.

La mayoría de los organismos pueden sintetizar suficientes nucleótidos de purina y

pirimidina según sus necesidades a partir de precursores de bajo peso molecular. Estas

vías de “novo” son iguales en todo el mundo biológico.

La recuperación, o reutilización de bases púricas y pirimidínicas se realiza a partir de

moléculas liberadas por la degradación de los ácidos nucleicos

La degradación puede darse intracelularmente después de la muerte celular o por

digestión de ácidos nucleicos de la dieta (animales).

En animales la hidrólisis extracelular a partir de la ingesta representa la ruta principal de

importación de bases y nucleósidos. En la catálisis participan endonucleasas, que

digieren los ácidos nucleicos en el intestino delgado. Se producen mononucleótidos.

Si las bases o nucleósidos no son utilizados para síntesis de ácidos nucleicos por la vía

de recuperación, las purinas y pirimidinas se degradan a ácido úrico o beta-

ureidopropionato.

Biosíntesis “de novo”