ESTRUCTURA Y PROPIEDADES DE LOS ÁCIDOS NUCLÉICOS

1 ESTRUCTURA Y PROPIEDADES DE LOS CIDOS nucl icos Ver nica Burriel Coll Qu mica Aplicada a la Ingenier a Biom dica Master en Ingenier a Biom dica INTRODUCCI N Definici n Los cidos Nucleicos son las biomol culas portadoras de la informaci n gen tica. Son biopol meros, de elevado peso molecular, formados por otras subunidades estructurales o mon meros, denominados Nucle tidos. Desde el punto de vista qu mico, los cidos nucleicos son macromol culas formadas por pol meros lineales de nucle tidos, unidos por enlaces ster de fosfato, sin periodicidad aparente. De acuerdo a la composici n qu mica, los cidos nucleicos se clasifican en cidos Desoxirribonucleicos (ADN) que se encuentran residiendo en el n cleo celular y algunos organelos, y en cidos Ribonucleicos (ARN) que act an en el citoplasma. Los cidos nucleicos est n formados por largas cadenas de nucle tidos, enlazados entre s por el grupo fosfato.

2 El grado de polimerizaci n puede llegar a ser alt simo, siendo las mol culas m s grandes que se conocen, con mol culas constitu das por centenares de millones de nucle tidos en una sola ESTRUCTURA covalente. De la misma manera que las prote nas son pol meros lineales aperi dicos de amino cidos, los cidos nucleicos lo son de nucle tidos. La aperiodicidad de la secuencia de nucle tidos implica la existencia de informaci n. De hecho, sabemos que los cidos nucleicos constituyen el dep sito de informaci n de todas las secuencias de amino cidos de todas las prote nas de la c lula. Existe una correlaci n entre ambas secuencias, lo que se expresa diciendo que cidos nucleicos y prote nas son colineares; la descripci n de esta correlaci n es lo que llamamos C digo Gen tico, establecido de forma que a una secuencia de tres nucle tidos en un cido nucleico corresponde un amino cido en una prote na.

3 - 1 -Son las mol culas que tienen la informaci n gen tica de los organismos y son las responsables de su transmisi n hereditaria. El conocimiento de la ESTRUCTURA de los cidos nucleicos permiti la elucidaci n del c digo gen tico, la determinaci n del mecanismo y control de la s ntesis de las prote nas y el mecanismo de transmisi n de la informaci n gen tica de la c lula madre a las c lulas hijas. Existen dos tipos de cidos nucleicos, ADN y ARN, que se diferencian por el az car (Pentosa) que llevan: desoxirribosa y ribosa, respectivamente. Adem s se diferencian por las bases nitrogenadas que contienen, Adenina, Guanina, Citosina y Timina, en el ADN; y Adenina, Guanina, Citosina y Uracilo en el ARN. Una ltima diferencia est en la ESTRUCTURA de las cadenas, en el ADN ser una cadena doble y en el ARN es una cadena sencilla Un poco de El descubrimiento de los cidos nucleicos se debe a Meischer (1869), el cual trabajando con leucocitos y espermatozoides de salm n, obtuvo una sustancia rica en carbono, hidr geno, ox geno, nitr geno y un porcentaje elevado de f sforo.

4 A esta sustancia se le llam en un principio Nucle na, por encontrarse en el n cleo. A os m s tarde, se fragment esta nucle na, y se separ un componente proteico y un grupo prost tico, este ltimo, por ser cido, se le llam cido Nucleico. En los a os 30, Kossel comprob que ten an una ESTRUCTURA bastante compleja. En 1953, James Watson y Francis Crick, descubrieron la ESTRUCTURA tridimensional de uno de estos cidos, concretamente del cido Desoxirribonucleico (ADN). - 2 -BASES P RICAS Y PIRIMID NICAS Definici n Las Bases Nitrogenadas son las que contienen la informaci n gen tica. En el caso del ADN las bases son dos Purinas y dos Pirimidinas. Las purinas son A (Adenina) y G (Guanina). Las pirimidinas son T (Timina) y C (Citosina). En el caso del ARN tambi n son cuatro bases, dos purinas y dos pirimidinas. Las purinas son A y G y las pirimidinas son C y U (Uracilo).

5 Como son arom ticas, tanto las bases p ricas como las pirimid nicas son planas, lo cual es importante en la ESTRUCTURA de los cidos nucleicos. Tambi n son insolubles en agua y pueden establecer interacciones hidr fobas entre ellas; estas interacciones sirven para estabilizar la ESTRUCTURA tridimensional de los cidos nucleicos. Las bases nitrogenadas absorben luz en el rango ultravioleta (250-280 nm), propiedad que se usa para su estudio y cuantificaci n. - 3 -Bases p ricas Est n basadas en el Anillo Pur nico. Puede observarse que se trata de un sistema plano de nueve tomos, cinco carbonos y cuatro nitr genos. En esta imagen puede observarse como se forman Adenina y Guanina a partir de una Purina. El anillo pur nico puede considerarse como la fusi n de un anillo pirimid nico con uno imidaz lico. En el siguiente cuadro se muestran los nombres de las principales purinas: Purinas Nombre com n Nombre sistem tico Adenina 6-amino purina Guanina 2-amino 6-oxo purina Las purinas que com nmente encontramos en el ADN y ARN son Adenina y Guanina.

6 La forma degradativa final de las purinas en los primates es el cido rico, 2,6,8-trioxo purina. Bases pirimid nicas Est n basadas en el Anillo Pirimid nico. Es un sistema plano de seis tomos, cuatro carbonos y dos nitr genos. En esta imagen puede observarse como derivan Citosina, Timina y Uracilo de Pirimidina. Las distintas bases pirimid nicas se obtienen por sustituci n de este anillo con grupos oxo (=O), grupos amino (-NH2) o grupos metilo (-CH3). - 4 - En el siguiente cuadro se muestran los nombres de las principales pirimidinas: Pirimidinas Nombre com n Nombre sistem tico Citosina 2-oxo 4-amino pirimidina Uracilo 2,4 dioxo pirimidina Timina 2,4 dioxo5-metil pirimidina Las pirimidinas que encontramos en el ADN son Citosina y Timina. En el ARN encontramos Citosina y Uracilo. Las pirimidinas son degradadas completamente a agua, anh drido carb nico y urea.

7 Bases modificadas Adem s de las purinas y pirimidinas de las que hemos hablado anteriormente, es frecuente encontrar Bases Modificadas. Entre las m s abundantes encontramos: la 5-metilcitosina, la 5-hidroximetilcitosina y la 6-Metiladenina que se han relacionado con la regulaci n de la expresi n del DNA la 7-metilguanina y el dihidrouracilo que forman parte de la ESTRUCTURA de los RNA Hipoxantina y Xantina como intermediarios metab licos y productos de reacci n del DNA con sustancias mutag nicas. - 5 -NUCLE SIDOS Y NUCLE TIDOS Nucle sidos La uni n de una base nitrogenada a una pentosa da lugar a los compuestos llamados Nucle sidos. La uni n base-pentosa se efect a a trav s de un enlace glicos dico , con configuraci n beta ( ) entre el carbono uno de ribosa o desoxirribosa, y un nitr geno de las base, el 1 en las pirimidinas, y el 9 en las purinas, con la p rdida de una mol cula de agua.

8 Para evitar confusiones en la nomenclatura de nucle sidos y nucle tidos, los tomos de la pentosa se designan con n meros seguidos de un ap strofe (1', 2', 3', 4' y 5'), para distinguirlos de los de la base, por lo que los enlaces de los nucle sidos se designan como (1 -1) en las pirimidinas y (1 -9) en las purinas. La pentosa puede ser D-Ribosa (D-ribofuranosa), en cuyo caso hablamos de Ribonucle sidos, o bien 2-D-Desoxirribosa (D-desoxirribofuranosa), constituyendo los Desoxirribonucle sidos. - 6 -Los nucle sidos son m s solubles que las bases libres y los planos de la base y el az car son perpendiculares entre si. Como el enlace glicos dico es sencillo, las bases pueden presentar dos conformaciones diferentes: anti cuando el plano de la base est alejada del plano de la pentosa syn cuando las bases est n sobre el plano de la pentosa Los nucle sidos p ricos pueden presentar ambas conformaciones, aunque la anti es m s estable; los pirimid nicos s lo pueden existir en anti, porque el Ox geno en el carbono 2 no permite que se forme la syn.

9 Veremos en la siguiente tabla las estructuras de los distintos Ribonucle sidos. Obs rvese la nomenclatura: se utiliza el sufijo -osina sobre el nombre radical de la base en el caso de las Purinas, y el sufijo -idina en el de las Pirimidinas. El Ribonucle sido de Timina recibe el nombre de Ribotimidina. Por su parte, el Ribonucle sido de Hipoxantina recibe el nombre de Inosina. Por su parte, los Desoxinucle sidos se denominan con el prefijo desoxi- delante del nombre del nucle sido. Se except a el Desoxirribonucle sido de Timina, que recibe el nombre de Timidina. RIBONUCLE SIDOS Base Nucle sido Pirimidinas Citosina Citidina Uracilo Uridina Timina RibotimidinaPurinas Adenina Adenosina Guanina Guanosina Hipoxantina Inosina DESOXIRRIBONUCLE TIDOS Base Nucle sido Pirimidinas Citosina Desoxicitidina Uracilo Desoxiuridina Timina Timidina Purinas Adenina DesoxiadenosinaGuanina Desoxiguanosina - 7 -Nucle sidos modificados En los tRNA existen en forma caracter stica, nucle sidos modificados como la Seudouridina, formada por Uracilo y Ribosa unidos a trav s de un enlace (1 -5).

10 Tambi n se encuentra un nucle sido de Timina y Ribosa, la Ribotimidina. Otro nucle sido presente en el tRNA es la Dihidrouridina, formado por Ribosa y Dihidrouracilo unidos por enlace (1 -1). En el metabolismo de las bases p ricas se forma un nucle sido con Hipoxantina y Ribosa llamado Inosina. Nucle tidos Los nucle tidos son los steres fosf ricos de los nucle sidos. Est n formados por la uni n de un grupo fosfato al carbono 5 de una pentosa. A su vez la pentosa lleva unida al carbono 1 una base nitrogenada. - 8 -Se forman cuando se une cido fosf rico a un nucle sido en forma de i n fosfato (PO43-) mediante un enlace ster en alguno de los grupos -OH del monosac rido. El enlace ster se produce entre el grupo alcohol del carbono 5 de la pentosa y el cido fosf rico. Aunque la ribosa tiene tres posiciones en las que se puede unir el fosfato (2 , 3 y 5 ), y en la desoxirribosa dos (3 y 5 ), los nucle tidos naturales m s abundantes son los que tienen fosfato en la posici n 5.