Nucleótidos y Ácidos Nucleicos PDF

Tema 7a. NUCLEÓTIDOS Y ÁCIDOS NUCLEICOS 1. Estructura de los nucleótidos. 1.1.- La pentosa. 1.2.- La base nitrogenada. 1.3.- Propiedades químicas de las bases nitrogenadas. 1.4.- Los nucleótidos. 2.- Estructura de los ácidos nucleicos. 2.1.- Polinucleótido...

Tema 7a. NUCLEÓTIDOS Y ÁCIDOS NUCLEICOS 1. Estructura de los nucleótidos. 1.1.- La pentosa. 1.2.- La base nitrogenada. 1.3.- Propiedades químicas de las bases nitrogenadas. 1.4.- Los nucleótidos. 2.- Estructura de los ácidos nucleicos. 2.1.- Polinucleótidos. 2.2.- Estructura del ADN. 2.2.1.- Doble hélice de ADN 2.2.2.- Variaciones estructurales del ADN 2.2.2.1.- Variaciones debidas al medio. 2.2.2.2.- Variaciones debidas a la secuencia. 2.2.2.3.- Variaciones debidas a la asociación de más de dos cadenas. 3.- Desnaturalización de los ácidos nucleicos 3.1.- Efecto hipocrómico y efecto hipercrómico. 3.2.- Punto de fusión 4.- Modificaciones no enzimáticas de los nucleótidos 4.1.- Desaminaciones espontáneas. 4.2.- Pérdida de la base nitrogenada 4.3.- Radiaciones. 4.4.- Agentes desaminantes. 4.5.- Agentes alquilantes 4.6.- Agentes oxidantes. 5.- Otras funciones de los nucleótidos 5.1.- Nucleótidos como transportadores de energía 5.2.- Nucleótidos como cofactores enzimáticos 5.3.- Nucleótidos como moléculas reguladoras ⑳ TEMA 7a. ACTIVIDAD es m 1. OBJETIVOS DE APRENDIZAJE 2. PLANTEAMIENTO Y DESARROLLO 3. EVALUACIÓN Bioquímica I – Dpto. de Medicina - UEM Página 1  TEMA 7a. NUCLEÓTIDOS Y ÁCIDOS NUCLEICOS Los nucleótidos desempeñan una amplia variedad de funciones en el metabolismo celular: Garantizan los intercambios de energía. Actúan como señales químicas en los sistemas celulares, en respuesta a hormonas y otros estímulos extracelulares. Son componentes estructurales de una serie de cofactores enzimáticos e intermediarios metabólicos. Son los constituyentes de los ácidos nucleicos: ácido desoxirribonucleico (ADN) y ácido ribonucleico (ARN), que son los depositarios moleculares de la información genética. La estructura de cada una de las proteínas y, en último término, de todas las biomoléculas y de cada uno de los componentes celulares es producto de la información programada en la secuencia de nucleótidos de la célula. La capacidad de almacenar y transmitir información genética de una generación a la siguiente es un requisito básico de la vida. 2. ESTRUCTURA DE LOS NUCLEÓTIDOS Los nucleótidos están formados por tres componentes: 1. Una base nitrogenada 2. Una pentosa 3. Un fosfato La molécula sin el grupo fosfato se denomina nucleósido. 1.1.- La pentosa. Los ácidos nucleicos contienen dos tipos de pentosas. Los desoxinucleótidos del ADN contienen 2’-desoxi-D-ribosa y los ribonucleótidos del ARN, D- ribosa. Bioquímica I- Dpto. de Medicina -UEM Página 2 1.2.- La base nitrogenada. Las bases nitrogenadas derivan estructuralmente de dos compuestos, pirimidina y purina. La base está unida covalentemente (por el N-1 en las pirimidinas y el N-9 en las purinas) a través de un enlace N-β-glucosídico con el carbono 1’ de la pentosa y el fosfato está esterificado con el carbono 5’. El enlace N-β-glucosídico se forma por eliminación de agua (un grupo hidroxilo de la pentosa y un hidrógeno de la base), como ocurre en la formación de los enlaces O- glucosídicos. Tanto el ARN como el ADN contienen dos bases purínicas principales, la adenina (A) y la guanina (G). El ADN y el ARN contienen también dos bases pirimidínicas principales. La citosina (C) se encuentra en ambos tipos de ácidos nucleicos. Pero la segunda base pirimidínica es timina (T) en el ADN y uracilo (U) en el ARN. A pesar de que la mayoría de los nucleótidos contienen solamente estas cuatro bases, el ADN y el ARN contienen también otras bases secundarias o menores. En el ADN, las más comunes son las formas metiladas de las bases principales; en algunos ADN víricos, ciertas bases pueden estar hidroximetiladas o glucosiladas. Las bases alteradas o poco comunes del ADN sirven a menudo como señales específicas para la regulación o la protección de la información genética. En el ARN, y en especial en el ARNt, también se encuentran bases secundarias de muchos tipos. Bioquímica I – Dpto. de Medicina - UEM Página 3 Ejemplos de bases nitrogenadas secundarias o menores: Contiene la base hipoxantina Se distingue de la uridina en el punto de unión a la ribosa 1.3.- Propiedades químicas de las bases nitrogenadas. Las pirimidinas y purinas libres son compuestos débilmente básicos y por ello se denominan bases. Tienen una serie de propiedades químicas que afectan a la estructura y, en último término, a la función de los ácidos nucleicos. Las purinas y pirimidinas presentes en el ADN y ARN son moléculas altamente conjugadas; esta propiedad tiene efectos importantes sobre la estructura, la distribución electrónica y la capacidad de absorción de la luz de los ácidos nucleicos. La resonancia entre los átomos del anillo hace que la mayoría de los enlaces tengan un carácter de doble enlace parcial. Como consecuencia, las pirimidinas son moléculas planas y las purinas, casi planas. Las bases purínicas y pirimidínicas libres pueden existir en dos o más formas tautoméricas según el pH. Las estructuras de las purinas y pirimidinas mostradas anteriormente son los tautómeros predominantes a pH 7. Por efecto de la resonancia, todas las bases de los nucleótidos absorben la luz UV y los ácidos nucleicos se caracterizan por una fuerte absorción a longitudes de onda cercanas a 260 nm. Las bases purínicas y pirimidínicas son hidrofóbicas y relativamente insolubles en agua a pH celular cercano a la neutralidad. A pH ácido o alcalino las bases adquieren carga y aumenta su solubilidad en agua. Las interacciones hidrofóbicas de apilamiento, que colocan los planos de los anillos de dos o más bases paralelos entre sí (como una pila de monedas), son uno de los dos tipos principales de interacción entre las bases. El apilamiento también permite el establecimiento de interacciones de van der Waals y dipolo-dipolo entre las bases y ayuda a minimizar el contacto con el agua. Los grupos funcionales más importantes de las purinas y pirimidinas son los grupos carbonilo y los átomos de nitrógeno del anillo y los grupos amino exocíclicos. La formación de puentes de hidrógeno, en los que participan los grupos amino y carbonilo, constituyen el segundo tipo importante de interacciones entre las bases en las moléculas de ácidos nucleicos. Los puentes de Bioquímica I- Dpto. de Medicina -UEM Página 4 hidrógeno entre las bases permiten la asociación complementaria de dos cadenas de ácido nucleico. A se une específicamente con T (o U) y G se une con C. 1.4.- Los nucleótidos. En la siguiente figura se muestran las estructuras y los nombres de los cuatro desoxirribonucleótidos principales (desoxirribonucleósidos 5’-monofosfato), las unidades estructurales del ADN y los cuatro ribonucleótidos principales (ribonucleósidos 5’-monofosfato), las unidades estructurales de los ARN. En el ADN, largas secuencias específicas de A, T, G y C almacenan la información genética. Las células también contienen nucleótidos con grupos fosfato en posiciones diferentes del carbono 5’. Los ribonucleósidos 2’,3’-monofosfato cíclicos son intermediarios y los ribonucleósidos 3’- monofosfato son productos finales de la hidrólisis del ARN por ciertas ribonucleasas. Bioquímica I – Dpto. de Medicina - UEM Página 5 2.- Estructura de los ácidos nucleicos 2.1.- Polinucleótidos. Los nucleótidos sucesivos del ADN y del ARN están unidos covalentemente mediante puentes de grupos fosfato, en los que el grupo hidroxilo en 5’ de un nucleótido está unido al grupo hidroxilo en 3’ del nucleótido siguiente mediante un enlace fosfodiéster. Los esqueletos covalentes de los ácidos nucleicos consisten en residuos alternados de fosfato y pentosa, mientras que las bases nitrogenadas pueden considerarse como grupos laterales unidos al esqueleto a intervalos regulares. Los esqueletos covalentes del ADN y del ARN son hidrofílicos. Los grupos hidroxilo de los residuos de azúcar forman enlaces de hidrógeno con el agua. Los grupos fosfato tienen un pKa cercano a 0 y se encuentran completamente ionizados y cargados negativamente a pH 7. Las cargas negativas están generalmente neutralizadas por interacciones iónicas con cargas positivas de proteínas, iones metálicos o poliaminas. Todos los enlaces fosfodiéster tienen la misma orientación a lo largo de la cadena, con lo cual cada cadena lineal de ácido nucleico tiene una polaridad específica y extremos 5’ y 3’ diferenciados. Por definición, el extremo 5’ carece de nucleótido en posición 5’, mientras que el extremo 3’ carece de nucleótido en posición 3’. Las secuencias de nucleótidos pueden representarse esquemáticamente: los grupos fosfato se representan con el símbolo P y cada una de las pentosas mediante una línea vertical que va del C-1’ en la parte superior al C-5’ en la inferior. Las líneas que conectan nucleótidos se dibujan uniendo en diagonal el punto medio (C-3’) de la pentosa de un nucleótido con el extremo inferior (C-5’) del siguiente. Por convención, la estructura de una cadena de ácido nucleico se escribe siempre con el extremo 5’ a la izquierda y el 3’ a la derecha; es decir, en la dirección 5’→3’. Otras representaciones más sencillas de este pentanucleótido son: pA-C-G-T-AOH, pApCpGpTpA y pACGTA. Bioquímica I- Dpto. de Medicina -UEM Página 6 Un ácido nucleico de cadena corta se denomina oligonucleótido. El calificativo “corta” es en cierto modo arbitrario, ya que el término oligonucleótido se utiliza a menudo para polímeros de hasta 50 nucleótidos. Los ácidos nucleicos de mayor longitud se denominan polinucleótidos. El descubrimiento de la estructura del ADN por parte de James Watson y Francis Crick en el año 1953 fue un momento culminante en la historia de la ciencia, del que surgieron disciplinas completamente nuevas y que repercutió en el curso de muchas que ya estaban establecidas. La estructura primaria de un ácido nucleico está definida por su estructura covalente y su secuencia de nucleótidos. Cualquier estructura regular y estable adoptada por algunos o todos los nucleótidos puede ser considerada como estructura secundaria, todas las estructuras descritas en este tema pertenecen a este grupo. La estructura terciaria se corresponde con el plegamiento complejo de la cromatina eucariota o del cromosoma bacteriano. 2.2.- Estructura del ADN. Un elemento de gran importancia en el descubrimiento de la estructura del ADN fue el trabajo de Erwin Chargaff y colaboradores a finales de la década de 1940. Encontraron que las cantidades de las cuatro bases de los nucleótidos del ADN variaban según el organismo y que las cantidades relativas de ciertas bases estaban muy relacionadas. Estos datos, acumulados a partir de los ADN de un gran número de especies diferentes, permitieron a Chargaff concluir: 1. La composición de bases del ADN normalmente varía de una especie a otra. 2. Las muestras de ADN aisladas a partir de tejidos diferentes de la misma especie tienen la misma composición de bases. 3. La composición de bases del ADN de una determinada especie no varía con la edad del organismo, ni con su estado nutricional, ni con las variaciones ambientales. 4. En todos los ADN celulares, independientemente de la especie, el número de residuos de adenina es igual al de residuos de timina (A=T) y el número de residuos de guanina es igual al número de residuos de citosina (G=C). A partir de estas relaciones se deduce que la suma de los residuos de purina es igual a la suma de los residuos de pirimidina; A+G = T+C. Estas relaciones cuantitativas fueron esenciales para la deducción de la estructura tridimensional del ADN, de cómo está codificada la información genética en el ADN y de cómo se transmite de una generación a la siguiente. 2.2.1.- Doble hélice de ADN Rosalind Franklin y Maurice Wilkins utilizaron la difracción de rayos X para analizar las fibras de ADN. A principios de la década de 1950 demostraron que el ADN produce un diagrama de difracción de rayos X característico. El análisis de los diagramas permitió deducir que las moléculas de ADN son helicoidales, con dos periodicidades a lo largo del eje longitudinal, una primaria de 3,4 Å y otra secundaria de 34 Å. Bioquímica I – Dpto. de Medicina - UEM Página 7 El problema consistía en la construcción de un modelo tridimensional de la molécula de ADN que pudiera explicar no solo los datos de difracción de rayos X sino también las equivalencias específicas entre bases descubiertas por Chargaff. En 1953, Watson y Crick postularon un modelo tridimensional para la estructura del ADN que tenía en cuenta todos los datos disponibles. Consiste en dos cadenas helicoidales enrolladas alrededor del mismo eje, formando una doble hélice dextrógira. Los esqueletos hidrofílicos formados por la desoxirribosa y los grupos fosfato alternados están en el exterior de la doble hélice, en contacto con el agua circundante. Las bases púricas y pirimidínicas de ambas cadenas están apiladas en el interior de la doble hélice, con sus estructuras en anillo, hidrofóbicas y planas, situadas a muy corta distancia unas de otras y en posición perpendicular al eje longitudinal de la hélice. La relación espacial de las dos cadenas da lugar a la formación de un surco mayor y un surco menor en la superficie de la doble hélice. Cada base de una cadena está apareada en el mismo plano con una base de la otra cadena. Watson y Crick hallaron que los pares de bases unidos por puentes de hidrógeno G con C y A con T eran los que mejor encajaban en la estructura, a la vez que explicaban las reglas de Chargaff. El que se formen tres puentes de hidrógeno entre G y C, mientras que solamente se pueden formar dos entre A y T, explica la mayor dificultad para separar las hebras del ADN cuanto mayor es la relación de pares G-C con respecto a los A-T. Otros apareamientos tienden, en mayor o menor medida, a desestabilizar la estructura de la doble hélice. A-T: Dos puentes de hidrógeno G-C: Tres puentes de hidrógeno Bioquímica I- Dpto. de Medicina -UEM Página 8 Cuando Watson y Crick construyeron su modelo tuvieron que decidir si las hebras de ADN debían ser paralelas o antiparalelas, es decir, si sus enlaces fosfodiéster debían tener la misma dirección o bien direcciones opuestas. La disposición antiparalela proporcionó el modelo más satisfactorio y trabajos posteriores lo confirmaron. Para explicar las periodicidades observadas en el diagrama de difracción de rayos X, Watson y Crick construyeron diversos modelos moleculares hasta llegar a una estructura con las bases apiladas verticalmente dentro de la doble hélice y separadas por una distancia de 3,4 Å; la repetición secundaria de 34 Å se explicaba con la incorporación de 10 pares de bases en cada vuelta completa de la doble hélice. Las dos cadenas polinucleotídicas antiparalelas del ADN de doble hélice no son idénticas ni en secuencia ni en composición. En cambio, son complementarias entre sí. Siempre que hay adenina en una cadena, se encuentra timina en la otra; de igual forma, la presencia de guanina en una cadena implica la presencia de citosina en la otra. La doble hélice del ADN se mantiene unida por dos tipos de fuerzas: 1. Las interacciones de apilamiento de las bases complementarias (fuerzas de van der Waals/ interacciones hidrofóbicas), que aportan la principal fuerza estabilizadora de la doble hélice. 2. Los puentes de hidrógeno entre los pares de bases complementarias. El propio modelo de la doble hélice de ADN sugirió de inmediato un mecanismo para la transmisión de la información genética. La principal característica del modelo es la complementariedad de las dos hebras de ADN. Watson y Crick comprendieron, mucho antes de disponer de pruebas experimentales en su favor, que la replicación de la estructura podía tener lugar naturalmente a través de la separación de las dos hebras y la síntesis de hebras complementarias de cada una de ellas. Cada hebra preexistente hace de molde para dirigir la síntesis de la hebra complementaria. 2.2.2.- Variaciones estructurales del ADN En el ADN celular se observan muchas desviaciones significativas de la estructura de Watson y Crick y muchas de ellas pueden jugar un papel importante en el metabolismo del ADN. Estas variaciones estructurales no tienen en general ningún efecto sobre las propiedades fundamentales del ADN definidas por Watson y Crick: la complementariedad de las hebras, las hebras antiparalelas y el requerimiento de pares de bases A-T y G-C. La estructura de Watson y Crick se conoce también como forma B del ADN. La forma B es la estructura más estable que puede adoptar un ADN de secuencia al azar en condiciones fisiológicas y es el punto de referencia estándar en los estudios sobre las propiedades del ADN. Bioquímica I – Dpto. de Medicina - UEM Página 9 2.2.2.1.- Variaciones debidas al medio. - Las formas A y Z del ADN son dos variantes estructurales. La forma A predomina en disoluciones relativamente pobres en agua. El ADN está 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 ADN B. Estos cambios estructurales hacen que el surco ancho sea más profundo y el surco estrecho más superficial. El ADN Z supone una desviación mucho más radical de la forma B; la diferencia más clara es una rotación a izquierdas de la hélice. Contiene 12 pares de bases por vuelta y la estructura es más delgada y alargada. El surco mayor es apenas perceptible, mientras que el surco menor es estrecho y profundo. No está clara la presencia de ADN A en las células. Pero sí hay datos a favor de la presencia de fragmentos cortos de ADN Z en procariotas y eucariotas, a concentraciones iónicas elevadas. Teniendo en cuenta que las proteínas que interaccionan con el ADN tienen gran cantidad de residuos básicos, sería posible que algunas convirtieran segmentos de ADN-B en ADN-Z. Estas regiones pueden tener un papel en la regulación de la expresión de algunos genes o en la recombinación genética. 2.2.2.2.- Variaciones debidas a la secuencia. Se han encontrado, dentro de cromosomas grandes, otras variaciones estructurales dependientes de la secuencia que pueden afectar a la función y al metabolismo de los fragmentos de ADN situados en su inmediata vecindad. Por ejemplo:  Siempre que se encuentren cuatro o más adeninas consecutivas en una de las hebras se produce la curvatura de la hélice. Seis adeninas seguidas causan una curvatura de aproximadamente 18º. La curvatura producida por ésta y otras secuencias puede tener importancia en la unión de algunas proteínas al ADN.  Un tipo de secuencia bastante común en el ADN es el palíndromo (palabra que suena igual leyéndola del derecho que del revés). Estas secuencias son autocomplementarias en cada una de las hebras y tienen el potencial de formar estructuras en horquilla o estructuras cruciformes. Bioquímica I- Dpto. de Medicina -UEM Página 10   Cuando la secuencia repetida invertida se encuentra en ambas hebras del ADN, recibe el nombre de repetición especular. Las repeticiones especulares no tienen secuencias complementarias en la misma hebra y no pueden formar estructuras en horquilla o cruciformes. Secuencias de este tipo existen en casi todas las moléculas de ADN grandes y pueden ocupar entre unos pocos y miles de pares de bases. Las secuencias autocomplementarias hacen que las hebras sencillas de ADN (o ARN) aisladas se plieguen en disolución en forma de estructuras complejas con múltiples horquillas. 2.2.2.3.- Variaciones debidas a la asociación de más de dos cadenas. Varias estructuras inusuales del ADN constan de tres o cuatro hebras de ADN, estas variantes estructurales suelen ser los lugares donde comienzan o son regulados importantes procesos del metabolismo del ADN (replicación, recombinación, transcripción). Los nucleótidos que participan en los pares de bases de Watson y Crick pueden formar puentes de hidrógeno adicionales. Este tipo de apareamiento, que no sigue el patrón de Watson y Crick, se denomina apareamiento de Hoogsteen.  Estos apareamientos permiten la formación de ADN triple. Por ejemplo, un residuo de citidina (si está protonado) puede aparearse con la guanosina de un par de bases G-C y la timidina puede aparearse con la adenosina de un par de bases A-T.  También es posible el apareamiento de cuatro hebras para formar un tetráplex (o cuádruplex), pero sólo se forman con facilidad en secuencias de ADN con una alta proporción de residuos de guanosina. 3.- Desnaturalización de los ácidos nucleicos El calor y los valores extremos de pH provocan la desnaturalización o la fusión del ADN de doble hélice, del mismo modo que desnaturalizan las proteínas globulares. La rotura de los enlaces de hidrógeno de los pares de bases y del apilamiento de las bases provoca el desenrollamiento de la doble hélice, ya sea totalmente, dando lugar a dos hebras sencillas completamente separadas una de otra en toda su extensión, o bien parcialmente (desnaturalización parcial). La desnaturalización no rompe ningún enlace covalente del ADN. Bioquímica I – Dpto. de Medicina - UEM Página 11 La renaturalización del ADN es un proceso rápido de un solo paso, siempre que todavía exista un segmento en doble hélice de una docena o más residuos que mantengan unidas las dos hebras. Cuando la temperatura y el pH retornan a valores situados dentro de los márgenes biológicos, los segmentos desenrollados de las dos hebras vuelven a enrollarse espontáneamente o a hibridar para restablecer el dúplex intacto. Sin embargo, si las dos hebras están completamente separadas, la renaturalización se produce en dos pasos. En el primero, relativamente lento, las dos hebras se encuentran mediante colisiones al azar hasta formar un fragmento corto de doble hélice complementaria. El segundo paso es mucho más rápido: las bases no apareadas restantes entran en registro y se aparean sucesivamente como una cremallera para formar la doble hélice. 3.1.- Efecto hipocrómico y efecto hipercrómico. Las interacciones de apilamiento de las bases de los ácidos nucleicos provocan una disminución de la absorción de la luz UV, en relación con la absorción de una disolución de nucleótidos libres de la misma concentración; la absorción disminuye más cuando se forma la doble cadena. Este fenómeno se denomina efecto hipocrómico. La desnaturalización de un ácido nucleico de doble cadena produce el efecto contrario, es decir, un incremento de la absorción, denominado efecto hipercrómico. La transición del ADN de cadena doble a la forma de cadena sencilla desnaturalizada puede seguirse midiendo la absorción de luz UV. 3.2.- Punto de fusión Cada especie de ADN tiene una temperatura de desnaturalización característica. La temperatura en el punto medio de la transición es el punto de fusión (tm), que depende del pH, de la fuerza iónica y del tamaño y composición de bases del ADN. Cuanto mayor es el contenido de G-C, más alto es el punto de fusión del ADN. Ello es debido a que los pares de bases G-C, con tres puentes de hidrógeno, requieren más energía calórica para disociarse que los pares A-T. La determinación cuidadosa de la temperatura de fusión de una muestra de ADN, en condiciones de pH y fuerzas iónicas definidas, puede proporcionar una estimación de su composición en bases. Bioquímica I- Dpto. de Medicina -UEM Página 12 Si se controlan las condiciones de desnaturalización, las regiones ricas en pares A-T se desnaturalizarán específicamente, mientras que la mayor parte del ADN seguirá en forma de doble hebra. Este ADN fue desnaturalizado parcialmente y a continuación fijado para impedir su renaturalización. Las flechas señalan algunas burbujas de cadena sencilla, donde se ha producido la desnaturalización, regiones ricas en pares A-T. Los ácidos nucleicos de doble hebra formados por dos hebras de ARN o por una de ARN y otra de ADN (híbridos ARN-ADN) también pueden desnaturalizarse. Los dúplex de ARN son más estables que los dúplex de ADN (se desnaturalizan a una temperatura 20ºC superior a la temperatura de desnaturalización de una molécula de ADN de secuencia comparable). La estabilidad de un híbrido ARN-ADN es normalmente intermedia entre las del ARN y del ADN. Se desconoce la base física de estas diferencias de estabilidad térmica. 4.- Modificaciones no enzimáticas de los nucleótidos Las purinas y pirimidinas, junto con los nucleótidos de los que forman parte, experimentan una serie de alteraciones espontáneas de su estructura covalente. Estas reacciones son normalmente muy lentas, pero resultan fisiológicamente significativas a causa de la muy baja tolerancia de la célula a alteraciones de su información genética. Las alteraciones en la estructura del ADN que dan lugar a cambios permanentes en la información genética se denominan mutaciones. Hay muchas pruebas a favor de una estrecha relación entre la acumulación de mutaciones en un organismo y los procesos de envejecimiento y cáncer. 4.1.- Desaminaciones espontaneas. Varias bases sufren la pérdida espontánea de sus grupos amino exocíclicos. Por ejemplo, en condiciones intracelulares típicas, la desaminación de una citosina del ADN para dar lugar a uracilo se produce en aproximadamente una de cada 107 citosinas cada 24 h. Esto equivale a 100 mutaciones espontáneas por día en una célula de mamífero. La lenta reacción de desaminación de la citosina parece inocua a primera vista, pero es casi con toda seguridad la razón de que el ADN contenga timina en vez de uracilo. El uracilo se reconoce enseguida como extraño y es eliminado por un sistema de reparación. Si el ADN contuviera normalmente uracilo, el reconocimiento de los uracilos procedentes de la desaminación de la citosina sería más difícil y los uracilos no reparados causarían cambios permanentes en la secuencia al aparearse con adeninas en la replicación Bioquímica I – Dpto. de Medicina - UEM Página 13 4.2.- Pérdida de la base nitrogenada. Otra reacción importante de los desoxinucleótidos es la hidrólisis del enlace N-β-glucosídico entre la base y la pentosa. Esta reacción se da con mucha más facilidad en las purinas que en las pirimidinas. En el ADN se pierde una de cada 105 purinas cada 24 h en condiciones celulares típicas. La despurinación de los ribonucleótidos y del ARN es mucho más lenta y normalmente no se considera fisiológicamente significativa. 4.3.- Radiaciones. Otras reacciones están favorecidas por ciertos tipos de radiación. La luz UV puede inducir la condensación de dos grupos etileno para formar un anillo de ciclobutano. Éstos se observan con mayor frecuencia entre residuos adyacentes de timina en la misma hebra de ADN. La formación de un dímero de pirimidina de ciclobutano introduce un codo en el ADN Las radiaciones ionizantes (rayos X y rayos gamma) pueden provocar la apertura de los anillos y la fragmentación de las bases, así como roturas en el esqueleto covalente de los ácidos nucleicos. Se estima que los UV y las radiaciones ionizantes son responsables de aproximadamente un 10% del total de lesiones en la estructura del ADN causadas por agentes medioambientales. 4.4.- Agentes desaminantes. El ADN también puede ser dañado por reactivos químicos introducidos en el medio ambiente por la industria. Pueden no ser peligrosos en sí mismos, pero su metabolización por las células puede convertirlos en productos que sí lo sean. El ácido nitroso es un reactivo que acelera poderosamente la desaminación de las bases. El bisulfito tiene efectos similares. Ambos compuestos se usan como conservantes en alimentos preparados para evitar el crecimiento de bacterias tóxicas. Parece que su utilización no aumenta significativamente el riesgo de cáncer, porque las cantidades empleadas son pequeñas y su efecto sobre el ADN resulta despreciable. Bioquímica I- Dpto. de Medicina -UEM Página 14 4.5.- Agentes alquilantes. Por ejemplo, el compuesto dimetilsulfato puede metilar un residuo de guanina y dar lugar a O6- metilguanina, que no puede aparearse con la citosina. Muchas reacciones similares son producidas por agentes alquilantes normalmente presentes en las células, como por ejemplo la S-adenosilmetionina. 4.6.- Agentes oxidantes. Es posible que la principal fuente de alteraciones mutagénicas en el ADN sean los procesos oxidativos. Las especies que contienen oxígeno reactivo, como el peróxido de hidrógeno, los radicales hidroxilo y los radicales superóxido aparecen durante la irradiación o como productos secundarios del metabolismo aeróbico. De estas especies, los radicales hidroxilo son responsables de la mayor parte de las lesiones oxidativas del ADN. Las células poseen un elaborado sistema de defensa para destruir las especies de oxígeno reactivas, del que forman parte enzimas como la catalasa y la superóxido dismutasa. Sin embargo, una fracción de estos agentes oxidantes escapa inevitablemente a las defensas celulares y producen lesiones en el ADN, que resultan de un conjunto amplio y complejo de reacciones que van desde la oxidación de la desoxirribosa y de las bases hasta la rotura de las hebras. 5.- Otras funciones de los nucleótidos Además de las funciones que les corresponden como subunidades de los ácidos nucleicos, los nucleótidos también desempeñan otras funciones en la célula: actúan como transportadores de energía, como componentes de cofactores enzimáticas y como mensajeros químicos. 5.1.- Nucleótidos como transportadores de energía Los ribonucleótidos pueden presentar uno, dos o tres grupos fosfato unidos covalentemente al grupo hidroxilo en 5’ de la ribosa. Se les conoce como nucleósidos mono-, di- y trifosfato. Partiendo de la ribosa, los tres grupos fosfato se suelen denominar α, β y γ. La hidrólisis de los nucleósidos trifosfato proporciona la energía para impulsar una amplia variedad de reacciones celulares. La adenosina 5’-trifosfato, ATP, es con diferencia, el más ampliamente utilizado, aunque el UTP, el GTP y el CTP también se emplean en reacciones específicas. Bioquímica I – Dpto. de Medicina - UEM Página 15 Los nucleósidos trifosfato también actúan como precursores activados en la síntesis de ADN y ARN. La hidrólisis del ATP y otros nucleótidos trifosfato es una reacción que libera energía como consecuencia de la estructura química del grupo trifosfato. El enlace entre la ribosa y el fosfato α es éster. Los enlaces α - β y β - γ son anhídridos de ácido fosfórico. La hidrólisis del enlace éster libera aproximadamente 14 KJ/mol en condiciones estándar, mientras que la de cada uno de los enlaces anhídrido libera aproximadamente 30 KJ/mol. La hidrólisis de ATP a menudo juega un importante papel termodinámico en la biosíntesis. Cuando se acopla con una reacción que presenta una variación de energía libre positiva, la hidrólisis del ATP desplaza el equilibrio del proceso global a favor de la formación del producto. 5.2.- Nucleótidos como cofactores enzimáticos Algunas enzimas requieren una molécula no proteica, denominada cofactor, para su función catalítica. Un buen número de cofactores enzimáticos incluyen la adenosina como parte de su estructura. No tienen ninguna relación estructural entre ellos, aparte de la presencia de adenosina. En ninguno de ellos la porción de adenosina de la molécula participa directamente en su función primaria, pero si se elimina la adenosina de sus estructuras el resultado es una drástica reducción de su actividad. Aunque el papel de la adenosina en estos cofactores no se ha estudiado con detalle, parece que está relacionada con la energía de unión entre la enzima y el cofactor, que está implicada tanto en la catálisis como en la estabilización del complejo enzima-sustrato. Bioquímica I- Dpto. de Medicina -UEM Página 16 5.3.- Nucleótidos como moléculas reguladoras Los segundos mensajeros, producidos en respuesta a hormonas u otras señales químicas, son a menudo nucleótidos. Uno de los más comunes es la adenosina 3’,5’-monofosfato cíclico (AMP cíclico o AMPc), que se forma a partir del ATP en una reacción catalizada por la adenilil ciclasa, asociada a la cara interna de la membrana plasmática. El AMP cíclico tiene funciones reguladoras en prácticamente todas las células que no pertenezcan al reino vegetal. El nucleótido guanosina 3’-5’-monofosfato cíclico (GMPc) se encuentra en muchas células y tiene también funciones reguladoras. El ppGpp se produce en las bacterias como respuesta a la disminución de la síntesis proteica provocada por la eliminación de los aminoácidos del medio de cultivo. Inhibe la síntesis de ARNr y ARNt, evitando así la producción innecesaria de ácidos nucleicos. Bioquímica I – Dpto. de Medicina - UEM Página 17  TEMA 7a: NUCLEÓTIDOS Y ÁCIDOS NUCLEICOS. ACTIVIDAD: RESOLUCIÓN DE PROBLEMAS 1.- OBJETIVOS DE APRENDIZAJE - Adquirir los conocimientos básicos sobre la estructura y función de los nucleótidos y ácidos nucleicos - Aprender la resolución de problemas de manera autónoma. - Trabajar en equipo. 2.- PLANTEAMIENTO Y DESARROLLO DE LA ACTIVIDAD A. Los alumnos prepararán de forma individual el tema 7a utilizando el material facilitado y cualquier material bibliográfico que estimen conveniente. B. Posteriormente, los alumnos realizarán las actividades propuestas a continuación en este documento. C. Los profesores facilitaran un solucionario de la actividad. 3.- EVALUACIÓN El contenido del tema 7a (documento y actividades propuestas) serán evaluados en el segundo parcial de la asignatura. Bioquímica I- Dpto. de Medicina -UEM Página 18  TEMA 7a.- ACTIVIDAD. 1. El genoma del adenovirus AD-2 consiste en una molécula de ADN de doble cadena formada por 2.221x107 pares de bases ¿Qué longitud tendrá esa molécula si se coloca extendida? 2. Ordena las siguientes estructuras según su solubilidad relativa en agua (de más soluble a menos soluble): desoxirribosa, guanina y fosfato. ¿Por qué están estas solubilidades en consonancia con la estructura tridimensional del ADN de doble cadena? 3. Una hebra de ADN en doble hélice tiene la secuencia (5’) GCGCAATATTTCTCAAAATATTGCGC(3’). Escribe la secuencia de bases de la hebra complementaria. ¿Qué tipo especial de secuencia contiene este fragmento de ADN? ¿Puede la doble cadena de ADN formar estructuras alternativas? 4. Observa la siguiente ilustración que muestra la estructura de un ácido nucleico: a. ¿A qué tipo de ácido nucleico corresponde? b. Indica qué tipos de estructura secundaria puedes identificar. c. Analiza el apareamiento de bases y coméntalo 5. Explica por qué aumenta la absorción de luz UV (efecto hipercrómico) al desnaturalizar el ADN. 6. En las células de muchos organismos eucariotas existen sistemas altamente especializados para reparar específicamente los errores de apareamiento G-T en el ADN. El error de apareamiento se repara creando un nuevo par de bases G-C (no A-T). La reparación del apareamiento erróneo G-T actúa al mismo tiempo que un sistema más general que repara prácticamente todos los errores de apareamiento. Proponga una razón para explicar que las células necesiten un sistema especializado para reparar los errores de apareamiento G-T. Bioquímica I – Dpto. de Medicina - UEM Página 19 7. Mientras estudiaba la estructura de un pequeño gen que estaba secuenciando, un investigador detecta que una hebra de la molécula de ADN contiene 20 A, 25 G, 30 C y 22 T. ¿Cuántas A, G, C y T existen en la molécula bicatenaria completa de ADN? A.- A = 40, G = 50, C = 60, T = 44 B.- A = 44, G = 60, C = 50, T = 40 C. A = 42, G = 55, C = 55, T = 42 D. A = 45, G = 45, C = 52, T = 52 8. ¿Cuál de las siguientes correlaciones es FALSA? A.- Adenosina --- Forma parte de la estructura de diversos cofactores enzimáticos facilitando la catálisis y estabilizando el complejo ES. B.- Guanina --- La acción de agentes alquilantes da lugar a acetilguanina que tiene importantes funciones reguladoras en células animales y vegetales. C. Citosina --- Sufre desaminación espontánea dando lugar a uracilo y provocando cambios permanentes en la secuencia del ADN si no son reparados. D. Timina --- Residuos adyacentes en la misma hebra pueden formar anillos o dímeros de pirimidina que deforman la doble hélice de ADN. 9. ¿Cuál de las siguientes afirmaciones sobre la estructura del ADN es FALSA? A.- Consta de dos cadenas helicoidales enrolladas alrededor del mismo eje en donde los grupos fosfato y las desoxirribosas están en contacto con el agua. B.- Cada base nitrogenada de una cadena se aparea en el mismo plano con una base de la otra cadena, de forma que la suma de residuos de purina es igual a la suma de residuos de pirimidina. C. La forma A es la más estable en condiciones fisiológicas, la forma B es levógira y la forma Z predomina en disoluciones pobres en agua. D. Determinadas secuencias provocan variaciones estructurales de la doble hélice que afectan a la función y metabolismo de determinadas regiones. 10. Una secuencia palindrómica: A.- Generará una estructura en espejo si el DNA es bicatenario. B.- Generará una estructura cruciforme si el DNA es monocatenario. C. Generará una estructura cruciforme si el DNA es bicatenario. D. Generará una estructura en horquilla solo si la secuencia no es autocomplementaria. 11. En cuanto a la estructura y propiedades de los nucleótidos es cierto que: A.- La base nitrogenada está unida a través de un enlace O-glucosídico al carbono 3' de la pentosa, y el fosfato a través de un enlace fosfodiéster al carbono 5'. B.- Tanto los ribonucleótidos como los desoxirribonucleótidos contienen dos bases púricas (adenina y guanina) y tres bases pirimidínicas (citosina, timina y uracilo). C. Las bases nitrogenadas pueden formar puentes de hidrógeno a través de sus grupos carbonilo, los átomos de nitrógeno del anillo y los grupos amino exocíclicos. D. A pH fisiológico son compuestos con marcado carácter polar gracias a las cargas negativas de sus grupos fosfato y las cargas positivas de las bases nitrogenadas. Bioquímica I- Dpto. de Medicina -UEM Página 20 12. Cuando incidimos con un haz de luz ultravioleta sobre una muestra de ADN, observamos que la cantidad de luz absorbida por la muestra cada vez es menor, tras repetir la medición varias veces. Ello indica: A.- Que la muestra se está desnaturalizando. B.- Que la muestra no es DNA. C. Que la muestra se está renaturalizando. D. Todas son falsas. Bioquímica I – Dpto. de Medicina - UEM Página 21