Ácidos Nucléicos Lic. Raúl Hernández M.

Ácidos nucleicos: Introducción Bases, nucleósidos y nucleótidos

Estudia la composición química del pus: encuentra una fracción precipitable por ácido diluído que denomina Nucleína. Encuentra un material parecido a la nucleína en la esperma de salmón, y lo fracciona en una componente proteico (protamina) y un componente que contiene P, de carácter ácido, que Altmann denomina ácido nucleico. F. Miescher (1865)

Estudios posteriores a Miescher demuestran la existencia de dos tipos de ácido nucleico: uno abundante en la levadura, que recibe el nombre de ácido zimonucleico y otro, abundante en el timo, llamado ácido timonucleico. Posteriormente se comprueba que en la composición del llamado zimonucleico entra la ribosa, y por eso pasa a llamarse ácido ribonucleico (RNA, ARN), mientras que el timonucleico contiene desoxirribosa, por lo que pasa a llamarse ácido desoxirribonucleico (DNA, ADN)

Experimento de Avery (1944) El neumococo tipo R (rough, rugoso) (colonias a la izda.) puede ser transformado en neumococo tipo S (smooth, liso) (colonias a la dcha.) por el DNA del neumococo S. Esta transformación se transmite a la descendencia.

La hidrólisis química completa de un ácido nucleico da lugar a una mezcla equimolar de: A. Una base nitrogenada heterocíclica, purina o pirimidina B. Una pentosa, ribosa o desoxirribosa C. Fosfato La hidrólisis enzimática completa de un ácido nucleico da lugar a una mezcla de nucleótidos Los ácidos nucleicos son polímeros (de altísimo peso molecular) cuyos monómeros son los nucleótidos.

Una sola molécula circular cuya circunferencia mide 1 mm Tiene un peso molecular de aproximadamente 10 9 DNA de Escherichia coli

Polinucleótido Enlace fosfodiéster Enlace -glicosídico

PurinasPirimidinas

Adenina: 6-amino purina Guanina: 2-amino 6-oxo purina

Citosina: 2-oxo 4-amino pirimidina Uracilo: 2,4-dioxo pirimidina Timina: 2,4-dioxo 5-metil pirimidina

Nucleósidos, 1 Unión de una base a una pentosa a través de un enlace de tipo -N-glicosídico: Adenosina (pentosa es ribosa) Desoxiadenosina (pentosa es desoxirribosa) Enlace -N-glicosídico Purinas: enlace entre carbono anomérico (1) y N9 de la base

CitidinaDesoxicitidina Nucleósidos, 2 Pirimidinas: enlace entre carbono anomérico (1) y N1 de la base

Numeración BaseNucleósido AdeninaAdenosina GuaninaGuanosina CitosinaCitidina UraciloUridina TiminaTimidina Nomenclatura

Uridina Numeración de átomos en los nucleósidos

Adenosina (anti-) Adenosina (syn-) Conformación de nucleósidos

Antibióticos nucleosídicos Cordicepina Medicamento contra el cáncer; es un tipo de antibiótico antitumoral. Puromicina Antibiótico inhibidor de la síntesis de proteínas

Citosin arabinósido (Vidarabin) Activo contra herpes y varicela Antivirales

Antirretrovirales, ej. VIH

Nucleótidos (ribonucleótidos) 5-nucleótido (5-CMP) 3-nucleótido (3-CMP) 2-nucleótido (2-CMP)

Nucleótidos (desoxirribonucleótidos) 5-dTMP 3-dCMP

Nucleótidos cíclicos 3,5 Adenosin monofosfato cíclico, cAMP

Nucleósido polifosfatos 5-Adenosina monofosfato, AMP 5-Adenosina difosfato, ADP 5-Adenosina trifosfato, ATP

Propiedades de los nucleótidos 1. Carácter ácido debido al fosfato 2. Solubilidad incrementada respecto al nucleósido 3. Misma reactividad que bases y nucleósidos

ATP como donador de energía

Polinucleótidos

Polinucleótido Extremo 5 Extremo 3 Enlace fosfodiéster

5- CpApTpTpGpCpGpGpApApTpGpCpCp -3 5-CATTGCGGAATGCC-3 3-GTAACGCCTTACGG-5 Formas de representación de polinucleótidos

Polinucleótido en doble hélice

DNA y RNA

A G C T Hombre, H.sapiens Bovino, Bos taurus Levadura, S.cerevisiae Mycobacterium sp Composición en bases del DNA en algunas especies

Cristalografía de rayos X del DNA Formas cristalinas: DNA-A: baja hidratación, peso molecular relativamente bajo, reflexiones claras DNA-B: alta hidratación, peso molecular alto, reflexiones difusas Estudiada por: L.Pauling (Caltech), M.Wilkins y R.E.Franklin (Londres) J.D.Watson y F.H.C.Crick (Cambridge)

1. Estructura helicoidal 2. Periodicidad a 3.4 nm 3. Periodicidad a 0.34 nm 4. R.E.Franklin sugiere que el eje ribosa-fosfato está hacia fuera y las bases hacia dentro. Igualmente sugiere que se trata de una doble hélice, y no triple Con estos datos, Watson y Crick elaboraron su modelo en doble hélice El DNA-B

3.4 nm 1. El DNA es una doble hélice plectonémica y dextrógira, con un paso de rosca de 3.4 nm Modelo de Watson - Crick, A

Modelo de Watson-Crick, B 2. Cada una de las dos hélices es un polinucleótido entrelazado con el otro de manera que su polaridad es opuesta (es decir, corren en sentido antiparalelo)

3. El eje ribosa-fosfato se sitúa hacia el exterior de la doble hélice, en contacto con el solvente 4. Mientras que las bases nitrogenadas (anillos planares) se sitúan, apiladas, hacia el interior de la estructura, en un entorno hidrofóbico Modelo de Watson-Crick, C

5. Las bases están situadas en planos aproximadamente perpendiculares al eje mayor de la doble hélice. La distancia entre planos es de 0.34 nm Modelo de Watson-Crick, D 0.34 nm

Modelo de Watson-Crick, E 6. Cada base interacciona con su opuesta a través de enlaces de hidrógeno, y de manera que: (a) Adenina (A) sólo puede interaccionar con timina (T) (y viceversa), a través de dos puentes de hidrógeno, y

(b) Guanina (G) sólo puede interaccionar con citosina (C) (y viceversa), a través de tres puentes de hidrógeno

La base está situada en posición anti- 8. La desoxirribosa en forma furanósica 9. El anillo furanósico está en conformación endo-2 Modelo de Watson-Crick, F

10. El eje de la doble hélice no pasa por el centro geométrico del par de bases. Esto determina que la hélice presente un surco ancho y un surco estrecho Surco ancho Surco estrecho Modelo de Watson-Crick, G

Paso de rosca3.4 nm Distancia entre 0.34 nm planos de bases Pares de bases/vuelta10 Anchura2.4 nm Geometría de la doble hélice (DNA-B)

DNA-A 1.Doble hélice plectonémica y dextró- gira 2. Planos de bases oblicuos respecto al eje de la doble hélica 3. Propio de RNAs en doble hélice, o de híbridos DNA-RNA 4. Más ancha y corta que DNA-B

DNA-Z 1. Doble hélice plectonémica y levógira 2. Zonas de secuencia alternante -GCGC- 3. Conformación de G es syn- en lugar de anti- 4. Más estrecha y larga que DNA-B

A B Z Grosor GiroDextroDextroLevo Bases/vuelta P.de rosca Inclinación19º1º9º plano bases Distintas formas del DNA

Tipos de ADN

bases algo inclinadas: 9º levógira surco menor, profundo y estrecho el surco mayor no existe, es muy poco profundo ADN-AADN-BADN-Z surco menor ancho y superficial los surcos son más parecidos en anchura: surco mayor estrecho y profundo 19º dextrógira Más corta Más larga Tipos de ADN

Superhélices de DNA El DNA se presenta habitualmente en forma de superhélices, cuando la doble hélice, a su vez, se enrolla sobre sí misma. Esto permite el empaquetamiento de la molécula en el interior de la célula o del núcleo celular.

DNA circular, relajado DNA circular, con superhélice negativa

Superhélices en plásmidos (ADN extracromosómico)

Niveles estructurales de los ácidos nucleicos Polímero lineal formado por la unión de numerosos nucleótidos mediante enlaces fosfodiéster. El orden de los nucleótidos define la secuencia del ácido nucleico. Estructura primaria Formada por la disposición relativa espacial de los nucleótidos que se encuentran próximos en la secuencia. DNA – estructura definida por la unión de las dos cadenas polinucleótidicas a través de las bases nitrogenadas. RNA – presente en determinadas regiones de la molécula Estructura secundaria Todas aquellas de orden superior a los niveles primario y secundario. DNA – resultantes del superenrollamiento y de la asociación con proteínas básicas para formar la cromatina. No determinada por niveles inferiores. RNA – (especialmente tRNA) plegamiento tridimensional definido, similar a la estructura terciaria de las proteínas. Estructuras de orden superior

Epaquetamiento de ADN en Eucariotas

El núcleo en interfase de las células eucariotas, el ADN se encuentra asociado a proteínas y fuertemente empaquetado.

Cromatina del núcleo de una célula eucariota. Si se rompe la célula y se aísla y purifica la cromatina del núcleo celular se observan unas estructuras filamentosas llamadas fibras nucleosómicas.

Cromatina del núcleo de una célula eucariota. Se observa una fibra nuclosómica, collar de perlas y una fibra de 30 nm.

El nucleosoma Histonas: 2H2a, 2H2b, 2H3, 2H4 DNA: aprox. 196 pares de bases El nucleosoma es una estructura que constituye la unidad fundamental y esencial de cromatina, que es la forma de organización del ADN en los eucariotes.

Esquema de una fibra de 30 nm

Uracilo en lugar de timina 2-OH en la pentosa 5 3 RNA

Reactividad química: El RNA, al tener el grupo 2-OH, es mucho más reactivo químicamente que el DNA. En concreto, puede ser completamente hidrolizado por álcali a una mezcla de 2- y 3-nucleótidos. Estructura tridimensional Las formas en doble hélice del RNA adoptan la configuración A (en lugar de la B, propia del DNA), así como los híbridos DNA-RNA. La pentosa aparece en forma endo-3 (y no endo-2)

DNARNA Anillo furanósico en endo-2 Anillo furanósico en endo-3

RNA como enzima Algunos RNA son capaces de catalizar reacciones químicas del mismo modo que las enzimas: son las ribozimas Ribozima hammerhead Participan en el procesado del RNA transcrito primario y en la formación de enlace peptídico en la síntesis de proteínas.

Funciones y tipos de RNA, 1 Los distintos tipos de RNA permiten la expresión fenotípica del DNA: - Como mensaje genético que determina la secuencia de amino- ácidos en la síntesis de proteína: RNA mensajero o mRNA - Como molécula que activa a los aminoácidos para poder ser incorporados en una nueva proteína: RNA de transferencia o tRNA - Como elemento estructural básico de las partículas encargadas de llevar a cabo la síntesis proteica, los ribosomas: RNA ribosómico o rRNA

Funciones y tipos de RNA, 2 - Participa en el procesado del transcrito primario (HnRNA) para dar lugar al RNA mensajero o mRNA, mediante los snRNA (RNAs nucleares pequeños) - Opera como enzima (ribozimas) en el procesado del HnRNA y en la formación de enlace peptídico en las proteínas. - Es el material genético de algunos virus.

3 5 Extremo aceptor Lazo DHU Lazo anticodon Lazo T- -C Lazo variable tRNA

Unión del aminoácido al extremo 3 del tRNA

3 Extremo aceptor 5 Lazo anticodon Lazo T C Lazo variable Estructura tridimensional del tRNA

Lazo anticodon I G A U C C mRNA

rRNA 23s