Ácidos nucleicos, nucleótidos y nucleósidos ADN, ARN, estructura ...

Ácidos nucleicos, nucleótidos y nucleósidosADN, ARN, estructura. MetabolismoBibliografía:•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 ADNReplicación•Transcripción•Traducción•Metabolismo de Ácidos nucleicos

NucleótidosComponentes:1-un molécula de anillo (base) que pertenece a las purinas o pirimidinas2-Un azúcar de 5 carbonos o pentosa3-Uno o más grupos fosfatoEnergíaLos nucleótidos son fuentes de transferencia de energía celular. Regulan el ciclometabólico. Los nucleótidos se encuentran en un estado estable cuando poseen un sologrupo de ácido fosfórico. Los más utilizados celularmente como dadores de energía son elATP (un nucleótido de adenina con tres grupos de fosfato) y GTP (nucleótido de guanina).ElectronesLos nucleótidos son fuentes de transferencia de electrones. Actúan como reguladores dela cadena respiratoria celular. Intervienen en el equilibrio redox intracelular. Son ejemplosNADPH (NADP+), FADH y NADH y Coenzima A.Vías de señalizaciónLos nucleótidos actúan como segundos mensajeros en múltiples vías de señalizaciónintracelular. Son ejemplos el AMPc y GMPc.InformaciónLos nucleótidos en forma de polinucleótidos actúan como fuente (almacenamiento) ytransferencia de información celular. Existen dos tipos de polinucleótidos: el ácidodesoxiribonucleico o ADN y el ácido ribonucleico o ARN

NucleótidosJohan Friedrich Miescher (1844 -1895): Biólogo suizo. Utilizó lasvendas con pus del hospital. Las lavó con soluciones salinas yluego les agregó una solución levemente alcalina. Los núcleos ylas células lisadas precipitaron. Analizó el precipitado. Aisló variasmoléculas ricas en fosfatos, a las cuales llamó nucleínas(actualmente ácidos nucleicos). Este descubrimiento se publicópor primera vez en 1871 y los experimentos de Albrecht Kossel ledieron su importancia biológica.Albrecht Kossel (1853-1927) . Bioquímico alemán . Descubrió losácidos nucleicos. Le fue otorgado el Premio Nobel de Fisiologíay Medicina en 1910 por el desciframiento de la química deácidos nucleicos. Estudió los constituyentes de las “nucleínas” ylas describió (base+azúcar+grupo fosfato).Distinguió las bases: adenina, citosina, guanina, timina y uracilo.Kossel estableció las bases que condujeron a esclarecer laestructura del ADN.1871A1910BN

Phoebus Aaron Theodore Levene, M.D. (1869 —1940) Bioquímico, trabajó conKossel 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 maneraestaban unidos. Fué uno de los primeros en proponer una estructura del DNAcomo tetranucleotidos (1910).1871A1909R1910BN1929DR

Purinas y PirimidinasCada 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 soloanillo de seis átomos)879543612561432

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

Ribosa y DesoxiribosaLos azúcares en los ácidos nucleicos son pentosasLa ribosa que encontramos en el ARN, es un azúcar "normal", con un átomo de oxígenounido a cada átomo de carbono.La desoxirribosa que está en el ADN, es un azúcar modificada, puesto que carece de unátomo de oxígeno (de ahí en nombre de "desoxi").435212En 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 grupohidroxilo.

NucleósidosA la combinación de una base y un azúcar se le llamanucleósido. El enlace es N-GlicosídicoN 9C 1´N 1C 1´El nombre de la purina o pirimidina es modificado para indicar que está combinado con elazúcar: la adenina se convierte en adenosina, la citosina en citidina, la guanina enguanosina, el uracilo en uridina y la timina en timidina.

Grupo FosfatoLos grupos fosfato se unen por medio de enlacesfosfodiéster. Entre sí o a una molécula de azúcarCuando un fosfato es agregado a un nucleósido, lamolécula se llama nucleótido.C 5´

El número de grupos fosfato se indica por los términos monofosfato, difosfato ytrifosfato.Las moléculas con dos o tres grupos fosfato son consideradas buenos dadores deenergía, liberando energía junto con la transferencia de los grupos fosfato. Múltiplesgrupos fosfato tienen una fuerte tendencia a repelerse uno con otro, siendo losnucleótidos 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 llamaríaadenosín monofosfato (AMP). Debería ponerse AMF, pero se usan las siglas eninglés.El azúcar presente en el RNA es la ribosa. Esto indica que en la posición 2' delanillo del azúcar hay un grupo hidroxilo (OH) libre. Por este motivo, el RNA esquímicamente inestable, de forma que en una disolución acuosa se hidrolizafácilmente

INTEGRACIÓNOdCitidina(nucleósido)Citosina (C)NH 2N- O P O CH N2OC 5´- OC 4´H C 1´HC 3´ C 2´OH HOdCitidina 5`-monofosfato(dCMP, nucleótido)

INTEGRACIÓNAdeninaNH 2OdAdenosina(nucleósido)NN- O P O CH 2- OONNHOHHHdAdenosina 5´-monofosfato(dAMP, nucleótido)

Se sabía que las proteínas estaban constituidas por cadenas formadas a partir de 20aminoácidos diferentesLos ácidos nucleicos, DNA y RNA, estaban formados por polímeros de cuatronucleótidos 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 laexistencia de los genes como unidades abstractas de herencia y demostraron queestaban constituidos por ácido desoxirribonucleico (DNA).Erwin Chargaff (1905 - 2002) fué un químico austriaco.Se le conoce, principalmente, por demostrar que en elADN la cantidad de guanina es igual a la de citosina, yel número de unidades de adenina es igual al de timina(1949). Esto establece la unidad de medición del DNAcomo pares de bases.[A+G]=[T+C] ([purinas]=[pirimidinas]). Esta es la llamada ley de Chargaff.1871A1909R1910BN1929DR1944 1949G Ch

EL EXPERIMENTO DE AVERY, McLEOD Y McCARTY (1944 (Griffith 1929)Los neumococos de tipo R (rugoso)forman colonias de aspecto rugoso sobreun medio sólido, y son poco virulentos.Los neumococos de tipo S (liso) forman colonias deaspecto liso y brillante sobre un medio sólido, yprovocan infecciones letales.Factor transformante: ADN??Los neumococos de tipo S (liso)provocan infecciones letales, peroson sensibles al calor. Si se inyectanal ratón neumococos de tipo S quehan sido calentados, el animalsobrevive.Si se inyectan a un ratón neumococos vivos de tipo R yneumococos muertos de tipo S (ninguno de los dos es letal porseparado) se produce la muerte del ratón. En los ratonesmuertos se encontraron neumococos vivos del tipo S que, a suvez, eran capaces de infectar a otros ratones: el cambio que sehabía 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 (unextracto libre de células que contenía el FT). Este lisado contiene (entre otras cosas) el polisacárido de lasuperficie celular, las proteínas, el ARN y el ADN de los neumococos S. Sometieron al lisado a diversostratamientos enzimáticos. Inyectaron en ratones los neumococos de tipo R vivos junto con una fraccióndel lisado modificada enzimáticamenteTratamiento realizado sobre el lisado Resultado ConclusiónNingunoEl FT está presente en el lisadoSe añadió la enzima SIII,que degrada la cápsulade polisacáridoEl FT no era el polisacárido queestaba presente en el lisadoSe añadieron al lisado anterior (con elpolisacárido degradado) las enzimas proteolíticastripsina y quimiotripsinaSe extrajeron los ácidos nucleicos del lisadoanterior y se añadió la enzima ARNasa (quedegrada el ARN)El FT no era una proteína. Debíaser un ácido nucleicoEl FT no era el ARNAl extracto de ácidos nucleicos anterior se leañadió la enzima ADNasa (que degrada el ADN)FT = ADN

Experimento Alfred D. Hershey y Martha Chase (1952)

19541962En 1931, Linus Pauling su obra más importantedesarrolló el concepto de hibridación de los orbitalesatómicos. Descubrió la estructura de la alfa hélice(proteínas), lo que lo llevó a acercarse aldescubrimiento de la doble hélice del ácidodesoxiribonucleico; proponiendo una triple hélice pocoantes de que Watson y Crick desarrollaran su modeloen 1953.James WatsonFrancis Crick1962 1962Maurice WilkinsRosalind Franklin19621871A1909R1910BN1929DR1944 1949G Ch1953DH1958MN1962NP

La edición de Nature del 25 de abril de 19531: 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 deoxypentosenucleic acids. Nature. 1953 Apr 25;171(4356):738-40.3: WATSON JD, CRICK FH. Molecular structure of nucleic acids; a structure fordeoxyribose nucleic acid. Nature. 1953 Apr 25;171(4356):737-8.

Difracción de rayos xTécnica analítica, no destructivaDa información sobre la estructura molecular, cristalográfica y propiedades físicas de lasustancia analizadaSe basa en analizar la marca radiográfica que se observa luego de interponer unamuestra 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 losanillos de las basesB= corresponde a la repetición de la doble hélice cada34 A, formando la típica cruz helicoidalCDEyF= determinaron que el diámetro oscila entre 20-24 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 eshacia la derecha)•Las dos cadenas de polinucleótidos siguen uneje imaginario de simetría•Los grupos fosfatos se encuentran mirandohacia fuera (hidrofílicas)•Las bases (molécula plana) se localizan hacia elinterior (hidrofóbicas).•Los pares de bases están formados siempre poruna Purina-Pirimidina de manera que siempreestán equidistantes y complementarias según A-T y C-G.•Las cadenas son antiparalelas 5´- 3´ 3´- 5´

dCMPLos grupos fosfato están unidos a loscarbonos 5' y 3' de cada azúcar de la cadenade ADN.Un final de la cadena lleva un grupo fosfatolibre pegado al carbono 5'; a este se le llamaextremo 5' de la molécula. El otro final tieneun grupo hidroxilo libre (-OH) en el carbono3' y se le llama extremo 3' de la molécula.C 5´C 3´UníonFosfodiésterC3´dAMP

Cuando dos cadenas de ADN se ensamblan en una doble hélice, las dos cadenas están unaenfrente de la otra, pero en direcciones opuestas; el extremo 5' de una cadena estáapareado con el extremo 3' de la otra cadena.dGMPdCMPC 3´C 5´C 5´OCH 2HNONHC 3`dAMPOdTMPHH OH

Las uniones intercatenarias se dan por puentes de Hidrógeno

El DNA se desnaturaliza por efecto de la temperaturaEl DNA se desnaturaliza por efecto del pH (extremos)•La desnaturalización consiste en la ruptura de los puentes de hidrógeno entre basesapareadas•Cuando la temperatura o las condiciones de pH retornan a valores fisiológicos, lossegmentos de DNA se aparean nuevamente y se obtiene la estructura de doble hélice.•En el proceso de desnaturalización los enlaces covalentes del DNA se mantieneninalterados.•Los DNA de distintos orígenes tienen una temperatura de desnaturalización otemperatura de fusión característica que depende de la composición de bases.•La transición de DNA de doble hélice a monohebra puede detectarse por el efectohipercrómico, que se debe al incremento de absorción de luz UV por las bases delDNA.

Curva de Fusión (Tm). La absorbancia a 260nm de una solución de DNA aumentacuando se desnaturaliza.Curvas de Fusión de diferentes DNA con distinto contenido de G+C

Polimorfismo conformacional del DNASegún las condiciones físicas (hidricas-salinas) del medio el DNA pueda adoptardistintas conformaciones (A, B, Z).B: es la normal en estado fisiológico, sedescribe un surco mayor y otro menor, lasbases están perpendiculares al plano de giroZ: (ZigZag) pociones ricas en G y C. Poseeuna hélice levógira.A: naturalemente existe cuando el medioesta enriquecido con cationes (Mg++, Ca++)o hay deshidratación (

ARNEl ARN se crea por la polimerización de ribonucleótidos y forma una cadena demoléculas 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 queen 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 diferenciadel DNA, en el cual la A se aparea con T.•En la mayor parte de los casos es un polímeromonocatenario, pero en ciertos casos puede presentarzonas en su secuencia con apareamientos intercatenarios•Principalmente es citoplasmático.

La molécula de ARNEl ARN es estructuralmente similar al ADN.

Tipos de ARNHay 4 tipos de ARN, cada uno codificado por su propio genARNm - ARN Mensajero:Transmite la información para la síntesis deproteínas desde el núcleo al citoplasma.ARNt - ARN de Transferencia:Lleva los aminoácidos a los ribosomas durantela traducción de la información para la síntesisde proteínas.ARNr - ARN Ribosomal:Constituye el 80 % del RNA total. Se asocia a riboproteínas y se une al RE formando uncomplejo capaz de sintetizar proteínasARN np- ARN nuclear pequeño:Interviene en el procesamiento. En la reacción de corte y empalme para eliminar losintrones 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 presentatimina•La configuración espacial del DNA es la de un doble helicoide, mientras que elRNA es un polinucleótido lineal, que ocasionalmente puede presentarapareamientos 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):561-3Francis Crick1871A1909R1910BN1929DR1944 1949G Ch1953DHN1962NP1970Dg

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 ycuando)•Dirección es 5´-------- 3´

Transcripción de DNAProceso por el cual la información genética de la molécula de DNA se transfiera auna 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 splicingalternativo• Tres procesos: iniciación (RNA polimerasa se une al promotor), elongación (RNApolimerasa) y terminación (codon terminación o proteína Rho) .

TraducciónProceso por el cual se decodifica una molécula de RNA mensajero (maduro) a unpolipéptido 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 NucleicosDNA / RNAnucleasasOligonucleótidosBiosíntesis“de novo”fosfodiesterasasNucleótidosnucleotidasasDegradaciónÁcido ÚricoNucleósidos + PiBase + ribosa 1PNucleósido fosforilasaVías de recuperaciónPurinas: AMP

Vías Biosintéticas“De novo”La mayoría de los organismos pueden sintetizar suficientes nucleótidos de purina ypirimidina según sus necesidades a partir de precursores de bajo peso molecular. Estasvías de “novo” son iguales en todo el mundo biológico.RecuperaciónLas vías de recuperación requieren la utilización de purinas y pirimidinas preformadas.La recuperación, o reutilización de bases púricas y pirimidínicas se realiza a partir demoléculas liberadas por la degradación de los ácidos nucleicosLa degradación puede darse intracelularmente después de la muerte celular o pordigestión de ácidos nucleicos de la dieta (animales).En animales la hidrólisis extracelular a partir de la ingesta representa la ruta principal deimportación de bases y nucleósidos. En la catálisis participan endonucleasas, quedigieren 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 víade recuperación, las purinas y pirimidinas se degradan a ácido úrico o betaureidopropionato.

Biosíntesis “de novo”