Ácidos nucleicos, nucleótidos y nucleósidos ADN, ARN, estructura

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.
Objetivos de la Clase
• Que son los nucleósidos y los nucleótidos
•Purinas
•Pirimidinas
•Aldopentosa
•Grupo fosfato
•Ácidos Nucleicos: ADN
•Conformación espacial: ABZ
•ARN. ARN vs ADN
Replicación
•Transcripción
•Traducción
•Metabolismo de Ácidos nucleicos
Nucleótidos
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
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).
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.
Vías de señalización
Los nucleótidos actúan como segundos mensajeros en múltiples vías de señalización
intracelular. Son ejemplos el AMPc y GMPc.
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
Nucleótidos
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.
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.
1871
A
B
1910
N
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).
1871
A
1909 1910
R
B N
1929
DR
Purinas y Pirimidinas
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)
6
5
7
4
1
8
2
9
4
3
3
5
6
2
1
Bases del ADN y ARN
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).
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").
5
1
4
3
2
2
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.
Nucleósidos
A la combinación de una base y un azúcar se le llama
nucleósido. El enlace es N-Glicosídico
N9
C 1´
N1
C 1´
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.
Grupo Fosfato
Los grupos fosfato se unen por medio de enlaces
fosfodiéster. Entre sí o a una molécula de azúcar
Cuando un fosfato es agregado a un nucleósido, la
molécula se llama nucleótido.
C 5´
El número de grupos fosfato se indica por los términos monofosfato, difosfato y
trifosfato.
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.
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
N
RA
CI
Ó
Citosina (C)
IN
TE
G
NH2
-O
O
dCitidina
(nucleósido)
P
O
-O
CH2
N
N
O
C 5´
C 4´
H
OH
C 3´
H C 1´
H
C 2´
dCitidina 5`-monofosfato
(dCMP, nucleótido)
O
N
RA
CI
Ó
IN
TE
G
Adenina
NH2
O
-O
P
dAdenosina
(nucleósido)
O
CH2
N
N
O
-O
H
OH
H
H
dAdenosina 5´-monofosfato
(dAMP, nucleótido)
N
N
Se sabía que las proteínas estaban constituidas por cadenas formadas a partir de 20
aminoácidos diferentes
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.
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).
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.
[A+G]=[T+C] ([purinas]=[pirimidinas]). Esta es la llamada ley de Chargaff.
1871
A
1909 1910
R
B N
1929
DR
1944 1949
G
Ch
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.
Factor transformante: ADN??
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
EL EXPERIMENTO DE AVERY, McLEOD Y McCARTY (1944 (Griffith 1929)
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
Tratamiento realizado sobre el lisado
Resultado
Conclusión
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
Se añadieron al lisado anterior (con el
polisacárido degradado) las enzimas proteolíticas
tripsina y quimiotripsina
El FT no era una proteína. Debía
ser un ácido nucleico
Se extrajeron los ácidos nucleicos del lisado
anterior y se añadió la enzima ARNasa (que
degrada el ARN)
El FT no era el ARN
Al extracto de ácidos nucleicos anterior se le
añadió la enzima ADNasa (que degrada el ADN)
FT = ADN
Experimento Alfred D. Hershey y Martha Chase (1952)
1962
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.
1954
James Watson
1962
Francis Crick
1962
Maurice Wilkins
Rosalind Franklin
1962
1871
A
1909 1910
R
B N
1929
DR
1944 1949
G
Ch
1953
DH
1958
M
1962
N
NP
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.
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 2024 A. 10 nucleótidos por vuelta
ADN: Según el modelo desarrollado por Watson y Crick en 1953
•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 AT y C-G.
•Las cadenas son antiparalelas 5´- 3´ 3´- 5´
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.
dCMP
C 5´
C 3´
Uníon
Fosfodiéster
dAMP
C3´
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.
dGMP
dCMP
C 3´
C 5´
C 5´
O
CH 2
O
N
HN
O
H
OH
H
C 3`
dAMP
H
dTMP
Las uniones intercatenarias se dan por puentes de Hidrógeno
El DNA se desnaturaliza por efecto de la temperatura
El DNA se desnaturaliza por efecto del pH (extremos)
•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.
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
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
TIPO DE
ADN
GIRO DE
HELICE
nm /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
ARN
El ARN se crea por la polimerización de ribonucleótidos y forma una cadena de
moléculas usadas en el proceso de transferencia de la información.
•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.
La molécula de ARN
El ARN es estructuralmente similar al ADN.
Tipos de ARN
Hay 4 tipos de ARN, cada uno codificado por su propio gen
ARNm - ARN Mensajero:
Transmite la información para la síntesis de
proteínas desde el núcleo al citoplasma.
ARNt - ARN de Transferencia:
Lleva los aminoácidos a los ribosomas durante
la traducción de la información para la síntesis
de proteínas.
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 DNA y el RNA se diferencian porque:
•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.
Nature. 1970 Aug 8;227(5258):561-3
Francis Crick
1871
A
1909 1910
R
B N
1929
DR
1944 1949
G
Ch
1953
DH
1962
N
NP
1970
Dg
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
Metabolismo de Ácidos Nucleicos
DNA / RNA
nucleasas
Oligonucleótidos
Biosíntesis
“de novo”
fosfodiesterasas
Nucleótidos
nucleotidasas
Nucleósidos + Pi
Nucleósido fosforilasa
Degradación
Ácido Úrico
Base + ribosa 1P
Vías de recuperación
Purinas: AMP
Vías Biosintéticas
“De novo”
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.
Recuperación
Las vías de recuperación requieren la utilización de purinas y pirimidinas preformadas.
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 betaureidopropionato.
Biosíntesis “de novo”