Nucleótidos y Ácidos Nucleicos PDF

5 - NUCLEÓTIDOS Y ÁCIDOS NUCLEICOS 1. LOS NUCLEÓTIDOS -Se encuentran como componentes -monómeros- de los ácidos nucleicos (ADN y ARN) y libres (ATP, AMPc, NAD, NADP, FAD, FMN, Coenzima A)....

5 - NUCLEÓTIDOS Y ÁCIDOS NUCLEICOS 1. LOS NUCLEÓTIDOS -Se encuentran como componentes -monómeros- de los ácidos nucleicos (ADN y ARN) y libres (ATP, AMPc, NAD, NADP, FAD, FMN, Coenzima A). BN 1.1. COMPOSICIÓN P ÁCIDO FOSFÓRICO + PENTOSA + BASE NITROGENADA Pentosa -PENTOSA: ·Ribosa (β-D-ribofuranosa) en ARN (y en ATP). ·Desoxirribosa (β-D-desoxirribofuranosa) en ADN. -Los C se numeran con 1’, 2’, 3’, 4’ y 5’ para distinguirlos de los C de las bases. -BASES NITROGENADAS: Son compuestos heterocíclicos (con algún componente del ciclo diferente del C) que contienen nitrógeno. ·Pirimidínicas: Anillo sencillo, hexagonal. Se llaman así porque son derivados de la pirimidina. Citosina - Timina - Uracilo. C – T – U ·Púricas: Anillo doble. Derivan de la purina. Adenina - Guanina. A – G -ÁCIDO FOSFÓRICO: ·H3PO4 (en forma de ion fosfato, PO43-). A la pentosa se une una base nitrogenada por un enlace N-glucosídico y el ácido fosfórico (fosfato) por un enlace éster. 1.2. EL ENLACE N-GLUCOSÍDICO -La unión de la pentosa con una base nitrogenada forma un nucleósido. PENTOSA + BASE NITROGENADA NUCLEÓSIDO + 1H2O -Se establece un enlace N-glucosídico*, entre el OH del C1’ de la pentosa y un grupo NH de la base nitrogenada, con desprendimiento de 1H2O. Quedan directamente unidos el C1’ y el N. *El enlace N-glucosídico es una variante del O-glucosídico, en el que el -OH de un monosacárido reacciona con una amina, en vez de con el -OH de otro monosacárido. 1 1.3. EL ENLACE ÉSTER -La unión de un fosfato (o varios) a un nucleósido forma un nucleótido. NUCLEÓSIDO + nÁCIDO FOSFÓRICO NUCLEÓTIDO + nH2O -Se establece un enlace éster, entre el C5’ de la pentosa y un grupo -OH del ácido fosfórico. -Un nucleótido puede tener una, dos o tres moléculas de ácido fosfórico unidas al C5’ de la pentosa. AMP, ADP, ATP. Citosina → Citidina → Citidín-monofosfato B. N. Nucleósido Nucleótido -Los nucleótidos que forman los ácidos nucleicos son monofosfato y se unen entre ellos también mediante enlaces éster, para formar polinucleótidos (ADN y ARN). 2. EL ADN -Portador de la información genética. -Polímero lineal formado por nucleótidos cuya pentosa es la desoxirribosa (desoxirribonucleótidos) y cuyas bases nitrogenadas son A, G, C, T. -El ADN se empaqueta en tres niveles de complejidad, las estructuras primaria, secundaria y terciaria. 2.1. ESTRUCTURA PRIMARIA 5’ -Secuencia de desoxirribonucleótidos de una sola cadena unidos por enlaces éster. -Los nucleótidos se unen mediante enlace nucleotídico, un enlace éster (5’ → 3’): Entre un OH del fosfato (unido al C5’) de un nucleótido y el OH del C3’ (de la pentosa) del otro. Así se van alargando las cadenas de ADN. 3’ -Enlace/puente fosfodiéster: Se llama también así a la unión entre los nucleótidos (en realidad, entre las pentosas de los nucleósidos) de una cadena de polinucleótidos (ADN o ARN): Un fosfato queda unido por dos enlaces éster a dos pentosas sucesivas, forma un puente entre el C3’ de una pentosa y el C5’ de la siguiente. -La cadena alterna pentosas y fosfatos, quedando lateralmente las bases nitrogenadas unidas a las pentosas. -Presenta dos extremos libres: el 5’ con un grupo fosfato y el 3’ con un -OH (extremo este al que se van añadiendo nucleótidos). -Una cadena de ADN está caracterizada por la composición y secuencia de sus bases y por su tamaño. nucleótido 2 2.2. ESTRUCTURA SECUNDARIA -Es la estructura de doble hélice del ADN. Determinada por Watson y Crick en 1953. -Según estudios previos: A=T G=C Equivalencia de bases. Leyes de Chargaff: púricas = pirimidínicas. A+G = T+C Estructuras que se repiten cada 0,34 y 3,4 nm. Por difracción de rayos X. -EL MODELO DE WATSON Y CRICK 1. Formado por dos cadenas de polinucleótidos enrolladas helicoidalmente → doble hélice de 2 nm (20 Å) de diámetro, con enrollamiento dextrógiro y plectonémico (para separarlas es necesario desenrollarlas). Como una escalera retorcida o dos muelles entrelazados. 2. Bases nitrogenadas hacia el interior, con los planos de sus anillos paralelos entre sí y perpendiculares al eje imaginario. Pentosas y fosfatos, alternativamente, forman los bordes. 3. Diez pares de nucleótidos por cada vuelta de la doble hélice → 3,4 nm (34 Å) → 0,34 nm (3,4 Å) entre bases. Se define un surco mayor y un surco menor en cada vuelta. 4. Las dos cadenas son antiparalelas: una tiene dirección 3’ → 5’ y la otra 5’ → 3’ (el extremo 3’ de una se enfrenta al 5’ de la otra). 5. Son cadenas complementarias, porque las bases se unen por puentes de hidrógeno (2 o 3) de la forma A=T y C G → Hay restricción lateral pero no restricción en la secuencia lineal de bases. Es importante conocer las proporciones de bases a la hora de resolver problemas: A = T · C = G · (A=T) + (C=G) = 100% · A+G = T+C Ej. Si en un ADN el 23% son guaninas → 23% C | 100 - 46 = 54% A=T → → 54/2 = 27% A 27% T Ej. Si A+T = 46% ¿% del resto? Ej. Si en una cadena sencilla de ADN A = 24%, G = 35%, T = 25% y C = 16% ¿Cuál será la proporción (%) de cada base en la cadena complementaria de ARN? 2.3. ESTRUCTURA TERCIARIA. LA CONDENSACIÓN DEL ADN -Representa el empaquetamiento de la doble hélice en la cromatina o en los cromosomas de las células eucariotas (y el del cromosoma bacteriano en procariotas). -El ADN debe estar adecuadamente empaquetado para poder ser almacenado en un reducido volumen celular y para que la información que contiene sea accesible. -Adopta, en eucariotas, sucesivos niveles de condensación (asociados a las distintas fases del ciclo celular). -EN CÉLULAS PROCARIOTAS, MITOCONDRIAS Y CLOROPLASTOS: Doble hélice circular, asociada a un pequeño número de proteínas que mantienen el empaquetamiento. -EN CÉLULAS EUCARIOTAS: Mayor cantidad de ADN, por lo que aparecen estructuras de empaquetamiento en varios niveles sucesivos: 3  1. Se parte de la doble hélice de 2 nm de diámetro. 2. Fibra de 10 nm: El ADN4 se enrolla sobre histonas formando nucleosomas1 (octámero de histonas2 + 146 pares de bases4), separados por ADN espaciador. Una histona H13 situada entre el nucleosoma y el ADN espaciador mantiene el ADN arrollado en su lugar. Collar de perlas. 3. Fibra de 30 nm: La fibra de 10 nm se arrolla sobre sí misma formando un solenoide, estabilizado por la histona H1. 4. Bucles de 300 nm: El solenoide de 30 nm se pliega (al asociarse con proteínas) formando bucles. 700 nm 5. Fibra de 700 nm: La estructura de bucles se enrolla alrededor de un eje proteico formando rosetones. 6. La estructura de rosetones de 700 nm Rosetón → se enrolla formando espirales de Cromátida rosetones, dando lugar a las cromátidas de los cromosomas. 2.4. ESTADOS DE CONDENSACIÓN DEL ADN EN LA CÉLULA -El nivel de condensación del ADN varía dependiendo del momento del ciclo celular en el que se encuentre la célula. -Una célula que está realizando sus funciones DIVISIÓN CELULAR normales, que no se está dividiendo, se dice que está en interfase. En esta fase, el ADN está poco condensado, no pasa de la fibra de 10 nm (collar de perlas de nucleosomas) o 30 nm (solenoide), encontrándose así, en el núcleo, el ADN formando cromatina (ADN + proteínas), no cromosomas. -Cuando la célula entra en el proceso de división, la --INTERFASE-- cromatina se va condensando cada vez más hasta llegar a formar las cromátidas de los cromosomas, el máximo nivel de condensación. 2.5. DESNATURALIZACIÓN DEL ADN -Pérdida de la estructura de doble hélice. -Por cambios de temperatura y de pH. Puede ser reversible. -Una secuencia de ADN rica en pares A-T se desnaturaliza más fácilmente que otra rica en pares C-G por la existencia, en la segunda, de más triples enlaces de H. 4 3. EL ARN -Polinucleótido lineal formado por nucleótidos cuya pentosa es la ribosa (ribonucleótidos) y cuyas bases nitrogenadas son A, G, C, U. Como en el ADN, los nucleótidos están unidos mediante enlaces éster (que forman enlaces nucleotídicos o fosfodiéster) 5’→3’. Todos los polinucleótidos (ADN y ARN) se alargan en sentido 5’→3’, por incorporación de nuevos nucleótidos al extremo 3’ de la cadena. 3.1. ESTRUCTURA -Los ARN son monocatenarios (bicatenarios en doble hélice en algunos virus -reovirus-). En algunas zonas se pueden establecer uniones intracatenarias de bases complementarias, dando una estructura de doble hélice: estructura secundaria) que forma horquillas. Un tramo sin doble hélice en un extremo de una horquilla forma un bucle. -3.2. TIPOS -Existen distintos tipos de ARN, con la misma composición, pero diferente estructura y función. -ARN MENSAJERO - ARNm: Sintetizado en el núcleo como copia de una de las cadenas de un segmento de ADN (tomando como molde la cadena complementaria) en el proceso de transcripción. Copia la información del ADN y la lleva a los ribosomas para que la lean y lleven a cabo la traducción de la proteína correspondiente. -ARN TRANSFERENTE - ARNt: Moléculas relativamente pequeñas que actúan como portadoras de aminoácidos específicos hasta los ribosomas. Además de las bases normales, contienen sus equivalentes metilados. ADN monocatenario con estructura secundaria (doble hélice) en algunas zonas. -En el extremo 3’ → secuencia CCA a la que se une el aminoácido específico. -En el extremo 5’ → G-P. -Estructura con zonas de doble hélice y bucles, con 4 brazos: ·Brazo aceptor, con los extremos 5’ y 3’. Sitio de unión del aminoácido. ·Brazo anticodón o brazo A, con un anticodón o triplete de bases complementario de un codón del ARNm y que determina el aminoácido que se unirá. ·Brazo T. ·Brazo D. -ARN RIBOSÓMICO - ARNr: El más abundante. Bases normales y algunas de ellas metiladas. Zonas con doble hélice. Forma los ribosomas unido a proteínas básicas. -ARN NUCLEOLAR - ARNn: Unido a proteínas, forma el nucléolo. Da origen a los ARNr al fragmentarse. Se forma a partir de segmentos del ADN denominados región organizadora nucleolar. -Ribozimas: ARN con actividad catalítica. Suelen actuar sobre moléculas de ARN, interviniendo en su maduración. En la traducción, la peptidil-transferasa es una ribozima integrante del ribosoma. 5 4. OTROS NUCLEÓTIDOS DE INTERÉS BIOLÓGICO -Hay nucleótidos libres en la célula, que no forman parte de ácidos nucleicos. -Funciones diversas: Proporcionar energía, actuar como cofactores enzimáticos o como mediadores en la comunicación celular. -NUCLEÓTIDOS ENERGÉTICOS: Nucleótidos cuyos enlaces covalentes entre los ácidos fosfóricos liberan energía al romperse por hidrólisis, proporcionándola así cuando algún proceso celular la necesita. Destaca el ATP (adenosín-trifosfato), la molécula transportadora de energía más utilizada. Otros: GTP, CTP, TTP y UTP. -NUCLEÓTIDOS MEDIADORES: El AMPc (cíclico) es AMP que esterifica el ácido fosfórico también en el C3’ de la ribosa (enlace fosfodiéster cíclico), formando una estructura cíclica. Mediador en muchos procesos hormonales: Transmite, en el interior de la célula, las señales que llegan de las hormonas unidas a receptores de la membrana y controla la velocidad de muchas reacciones intracelulares. -NUCLEÓTIDOS COENZIMÁTICOS: Actúan como coenzimas de procesos metabólicos, sobre todo en reacciones de óxido-reducción. Coenzimas en reacciones de óxido-reducción del metabolismo: intervienen recibiendo y cediendo electrones sobre determinados sustratos. Al recibirlos pasan a su forma reducida y al cederlos pasan a su forma oxidada. Forma Forma reducida / oxidada NADH/NAD+: Nicotín-adenín-dinucleótido. NADPH/NADP+: Nicotín-adenín-dinucleótido-fosfato. FADH2/FAD: Flavín-adenín-dinucleótido. El NADH (forma reducida) transporta dos electrones (y un protón). CoA o CoA-SH: Coenzima A. Transportador de grupos acilo R-CO- p. ej. decarboxilación del ácido pirúvico previa al Ciclo de Krebs. 6  NUCLEÓTIDOS Monómeros de los ácidos nucleicos (ADN y ARN) y libres (ATP, NAD, NADP, Coenzima A…) ÁCIDO FOSFÓRICO + PENTOSA + BASE NITROGENADA ÁCIDO FOSFÓRICO PENTOSA BASES NITROGENADAS ·H3PO4 ·Ribosa: En ARN y ATP. ·Pirimidínicas: C-T-U. ·PO43- ion fosfato ·Desoxirribosa: En ADN. ·Púricas: A-G. -ENLACE N-GLUCOSÍDICO Entre el OH del C1’ de la pentosa y un grupo NH de la BN (+1H2O) Se forma un nucleósido PENTOSA + BASE NITROGENADA NUCLEÓSIDO +1H2O -ENLACE ÉSTER Entre el OH del C5’ de la pentosa y un OH del ácido fosfórico (+1H2O) Se forma un nucleótido NUCLEÓSIDO + nÁCIDO FOSFÓRICO NUCLEÓTIDO +1H2O Citosina → Citidina → Citidín-monofosfato B. N. Nucleósido Nucleótido Los nucleótidos se unen entre sí mediante enlaces éster, para formar polinucleótidos (ADN y ARN). ADN Polímero lineal, formado por nucleótidos cuya pentosa es la desoxirribosa (desoxirribonucleótidos) y cuyas bases nitrogenadas son A, G, C, T. -ESTRUCTURA PRIMARIA: Secuencia de desoxirribonucleótidos de una sola cadena unidos por enlaces éster. ·Enlace nucleotídico, unión entre nucleótidos; es un enlace éster (5’ → 3’): Entre el fosfato unido al C5’ de la pentosa de un nucleótido y el C3’ de la pentosa de otro. ·Enlace/puente fosfodiéster: También se llama así a la unión entre los nucleótidos de una cadena de polinucleótidos (ADN o ARN): Un fosfato queda unido por dos enlaces éster a dos pentosas sucesivas, forma un puente entre el C3’ de una pentosa y el C5’ de la siguiente. Nucleotídico y fosfodiéster suelen usarse como sinónimos. ·La cadena presenta dos extremos libres: 5’ con grupo fosfato y 3’ con OH del C3’. Los nucleótidos se van añadiendo siempre al extremo 3’, por lo que las cadenas de ADN (de todos los polinucleótidos) crecen en sentido 5’→3’. -ESTRUCTURA SECUNDARIA: Estructura de doble hélice del ADN. Modelo de Watson y Crick. A=T · G=C · A+G = T+C ·Dos cadenas de polinucleótidos formando una doble hélice, con enrollamiento dextrógiro y plectonémico. ·Bases nitrogenadas hacia el interior. Pentosas y fosfatos forman los bordes. ·10 pares de nucleótidos cada vuelta. ·Cadenas antiparalelas: Sentidos opuestos: extremo 3’ de una enfrentado al extremo 5’ de la otra. ·Cadenas complementarias: Las bases se unen por puentes de H A=T y C G. 7 -ESTRUCTURA TERCIARIA: Empaquetamiento de la doble hélice para formar cromatina o cromosomas (en células eucariotas). ·Doble hélice de 2 nm. ·Fibra de 10 nm: Collar de perlas formado por nucleosomas (ADN enrollado sobre octámero de histonas) y ADN espaciador. Histona H1 mantiene al ADN del nucleosoma en su lugar. ·Fibra de 30 nm: Solenoide formado al arrollarse el collar de perlas sobre sí mismo. ·Bucles de 300 nm: Bucles formados al plegarse el solenoide. ·Fibra de 700 nm: Rosetones formados al enrollarse la estructura de bucles alrededor de un eje. ·Espirales de rosetones que dan lugar a las cromátidas de los cromosomas. -En interfase, ADN poco condensado, no más del collar de perlas o del solenoide, cromatina. -En división, ADN al máximo nivel de condensación, en cromátidas de los cromosomas. ARN Polinucleótido lineal formado por nucleótidos cuya pentosa es la ribosa (ribonucleótidos) y cuyas bases nitrogenadas son A, G, C, U. Como en el ADN, los nucleótidos están unidos mediante enlaces éster 5’→3’ (que forman enlaces nucleotídicos o fosfodiéster). Todos los polinucleótidos (ADN y ARN) se alargan en sentido 5’→3’, por incorporación de nuevos nucleótidos al extremo 3’ de la cadena. Monocatenario. Puede haber uniones intracatenarias de bases complementarias. -ARN mensajero-ARNm: Copia de un segmento de una de las cadenas de ADN en la transcripción. Copia la información del ADN y la lleva a los ribosomas para que la lean en la traducción, para sintetizar una proteína. -ARN transferente-ARNt: Moléculas pequeñas de ARN, portadoras de aminoácidos específicos a los ribosomas. ·Apareamiento intracatenario de bases complementarias, formando zonas de doble hélice. ·Extremo 3’ → unión del aminoácido específico. ·Brazo anticodón: Bucle que contiene un triplete de bases, el anticodón, complementario de un codón del ARNm y que determina el aminoácido al que se une. -ARN ribosómico-ARNr: Junto con proteínas, forma los ribosomas. -ARN nucleolar-ARNn: Unido a proteínas, forma el nucleolo y da lugar al ARNr al fragmentarse. -Ribozimas: ARN con actividad catalítica. Intervienen en la maduración del ARN y en la traducción (peptidil-transferasa). NUCLEÓTIDOS QUE NO FORMAN POLINUCLEÓTIDOS -ENERGÉTICOS: Liberan energía al romperse los enlaces covalentes entre los grupos fosfato. ATP - GTP - CTP - TTP - UTP -COENZIMÁTICOS: Actúan como coenzimas, sobre todo transportadores de electrones. NADH/NAD+ - NADPH/NADP+ - FADH2/FAD - Coenzima A -MEDIADORES: El AMPc transmite, en el interior de la célula, señales que llegan de las hormonas unidas a receptores de la membrana. 8 EJERCICIOS 9 10 11 12 13