Ácidos nucleicos, nucleótidos y nucleósidos

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1 Ácidos nucleicos, nucleótidos y nucleósidos
ADN, ARN, estructura. Metabolismo Bibliografía: 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.

2 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 ADN Replicación Transcripción Traducción Metabolismo de Ácidos nucleicos

3 Nucleótidos Componentes:
1-un molécula de anillo (base) que pertenece a las purinas o pirimidinas 2-Un azúcar de 5 carbonos o pentosa 3-Uno o más grupos fosfato Energía Los nucleótidos son fuentes de transferencia de energía celular. Regulan el ciclo metabólico. Los nucleótidos se encuentran en un estado estable cuando poseen un solo grupo de ácido fosfórico. Los más utilizados celularmente como dadores de energía son el ATP (un nucleótido de adenina con tres grupos de fosfato) y GTP (nucleótido de guanina). Electrones Los nucleótidos son fuentes de transferencia de electrones. Actúan como reguladores de la cadena respiratoria celular. Intervienen en el equilibrio redox intracelular. Son ejemplos NADPH (NADP+), FADH y NADH y Coenzima A. Vías de señalización Los nucleótidos actúan como segundos mensajeros en múltiples vías de señalización intracelular. Son ejemplos el AMPc y GMPc. Intermediaros Activados S-adenosilmetionina (S-AdoMet o SAM) involucrada en reacciones de transferencia de grupos metilo y en la síntesis azúcares conjugados con nucleótidos de glicógeno Información Los nucleótidos en forma de polinucleótidos actúan como fuente (almacenamiento) y transferencia de información celular. Existen dos tipos de polinucleótidos: el ácido desoxiribonucleico o ADN y el ácido ribonucleico o ARN

4 Nucleótidos Johan Friedrich Miescher ( ): Biólogo suizo. Utilizó las vendas con pus del hospital. Las lavó con soluciones salinas y luego les agregó una solución levemente alcalina. Los núcleos y las células lisadas precipitaron. Analizó el precipitado. Aisló varias moléculas ricas en fosfatos, a las cuales llamó nucleínas (actualmente ácidos nucleicos). Este descubrimiento se publicó por primera vez en 1871 y los experimentos de Albrecht Kossel le dieron su importancia biológica. 1871 A Albrecht Kossel ( ) . Bioquímico alemán . Descubrió los ácidos nucleicos. Le fue otorgado el Premio Nobel de Fisiología y Medicina en 1910 por el desciframiento de la química de ácidos nucleicos. Estudió los constituyentes de las “nucleínas” y las describió (base+azúcar+grupo fosfato). Distinguió las bases: adenina, citosina, guanina, timina y uracilo. Kossel estableció las bases que condujeron a esclarecer la estructura del ADN. N 1910 B

5 Phoebus Aaron Theodore Levene, M. D
Phoebus Aaron Theodore Levene, M.D. (1869 —1940) Bioquímico, trabajó con Kossel 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 manera estaban unidos. Fué uno de los primeros en proponer una estructura del DNA como tetranucleotidos (1910). 1871 A 1910 N B 1909 R 1929 DR

6 Purinas y Pirimidinas Cada 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 solo anillo de seis átomos) 6 4 5 7 1 5 3 8 2 4 6 2 9 3 1

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

8 Ribosa y Desoxiribosa Los azúcares en los ácidos nucleicos son pentosas La ribosa que encontramos en el ARN, es un azúcar "normal", con un átomo de oxígeno unido a cada átomo de carbono. La desoxirribosa que está en el ADN, es un azúcar modificada, puesto que carece de un átomo de oxígeno (de ahí en nombre de "desoxi"). 5 4 1 En 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 grupo hidroxilo. 2 3 2

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

10 Grupo Fosfato Los grupos fosfato se unen por medio de enlaces fosfo/di/éster. Entre sí o a una molécula de azúcar Cuando un fosfato es agregado a un nucleósido, la molécula se llama nucleótido. C 5´

11 El número de grupos fosfato se indica por los términos monofosfato, difosfato y trifosfato.
Las moléculas con dos o tres grupos fosfato son consideradas buenos dadores de energía, liberando energía junto con la transferencia de los grupos fosfato. Múltiples grupos fosfato tienen una fuerte tendencia a repelerse uno con otro, siendo los nucleótidos una molécula muy polar y cargada negativamente.

12 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 llamaría adenosín monofosfato (AMP). Debería ponerse AMF, pero se usan las siglas en inglés. El azúcar presente en el RNA es la ribosa. Esto indica que en la posición 2' del anillo del azúcar hay un grupo hidroxilo (OH) libre. Por este motivo, el RNA es químicamente inestable, de forma que en una disolución acuosa se hidroliza fácilmente

13 dCitidina 5`-monofosfato
INTEGRACIÓN Citosina (C) O N NH2 dCitidina (nucleósido) P O -O C 5´ CH2 H O OH C 4´ C 1´ C 3´ C 2´ dCitidina 5`-monofosfato (dCMP, nucleótido)

14 dAdenosina 5´-monofosfato
INTEGRACIÓN Adenina N NH2 dAdenosina (nucleósido) P O -O CH2 H O OH dAdenosina 5´-monofosfato (dAMP, nucleótido)

15 Erwin Chargaff (1905 - 2002) fué un químico austriaco.
Se sabía que las proteínas estaban constituidas por cadenas formadas a partir de 20 aminoácidos diferentes Los ácidos nucleicos, DNA y RNA, estaban formados por polímeros de cuatro nucleótidos 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 la existencia de los genes como unidades abstractas de herencia y demostraron que estaban constituidos por ácido desoxirribonucleico (DNA). 1944 G [A+G]=[T+C] ([purinas]=[pirimidinas]). Esta es la llamada ley de Chargaff. Erwin Chargaff ( ) fué un químico austriaco. Se le conoce, principalmente, por demostrar que en el ADN la cantidad de guanina es igual a la de citosina, y el número de unidades de adenina es igual al de timina (1949). Esto establece la unidad de medición del DNA como pares de bases. 1949 Ch 1871 A 1909 R 1910 N B 1929 DR

16 EL EXPERIMENTO DE AVERY, McLEOD Y McCARTY (1944 (Griffith 1929)
Los neumococos de tipo R (rugoso) forman colonias de aspecto rugoso sobre un medio sólido, y son poco virulentos. Los neumococos de tipo S (liso) forman colonias de aspecto liso y brillante sobre un medio sólido, y provocan infecciones letales. Si se inyectan a un ratón neumococos vivos de tipo R y neumococos muertos de tipo S (ninguno de los dos es letal por separado) se produce la muerte del ratón. En los ratones muertos se encontraron neumococos vivos del tipo S que, a su vez, eran capaces de infectar a otros ratones: el cambio que se había producido era estable y era heredado por la descendencia Los neumococos de tipo S (liso) provocan infecciones letales, pero son sensibles al calor. Si se inyectan al ratón neumococos de tipo S que han sido calentados, el animal sobrevive. Factor transformante: ADN??

17 EL EXPERIMENTO DE AVERY, McLEOD Y McCARTY (1944 (Griffith 1929)
Trataron los pneumococos S muertos por calentamiento con detergente para obtener un lisado celular (un extracto libre de células que contenía el FT). Este lisado contiene (entre otras cosas) el polisacárido de la superficie celular, las proteínas, el ARN y el ADN de los neumococos S. Sometieron al lisado a diversos tratamientos enzimáticos. Inyectaron en ratones los neumococos de tipo R vivos junto con una fracción del lisado modificada enzimáticamente Tratamiento realizado sobre el lisado Resultado Conclusión Ninguno El FT está presente en el lisado Se añadió la enzima SIII,que degrada la cápsula de polisacárido El FT no era el polisacárido que estaba presente en el lisado El FT no era una proteína. Debía ser un ácido nucleico Se añadieron al lisado anterior (con el polisacárido degradado) las enzimas proteolíticas tripsina y quimiotripsina El FT no era el ARN Se extrajeron los ácidos nucleicos del lisado anterior y se añadió la enzima ARNasa (que degrada el ARN) FT = ADN Al extracto de ácidos nucleicos anterior se le añadió la enzima ADNasa (que degrada el ADN)

18 Experimento Alfred D. Hershey y Martha Chase (1952)

19 El ADN es como el oro de Midas; todo el que lo toca enloquece.
En 1931, Linus Pauling su obra más importante desarrolló el concepto de hibridación de los orbitales atómicos. Descubrió la estructura de la alfa hélice (proteínas), lo que lo llevó a acercarse al descubrimiento de la doble hélice del ácido desoxiribonucleico; proponiendo una triple hélice poco antes de que Watson y Crick desarrollaran su modelo en 1953. 1962 1954 Francis Crick James Watson 1962 1962 El ADN es como el oro de Midas; todo el que lo toca enloquece. Maurice Wilkins 1962 Maurice Wilkins Rosalind Franklin 1871 A 1909 R 1910 N B 1929 DR 1949 Ch 1944 G 1953 DH 1958 M 1962 NP N

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21 La edición de Nature del 25 de abril de 1953
1: FRANKLIN R, GOSLING RG. Molecular configuration in sodium thymonucleate. Nature Apr 25;171(4356):740-1. 2: WILKINS MH, STOKES AR, WILSON HR. Molecular structure of deoxypentose nucleic acids. Nature Apr 25;171(4356): 3: WATSON JD, CRICK FH. Molecular structure of nucleic acids; a structure for deoxyribose nucleic acid. Nature Apr 25;171(4356):737-8.

22 Difracción de rayos x Técnica analítica, no destructiva
Da información sobre la estructura molecular, cristalográfica y propiedades físicas de la sustancia analizada Se basa en analizar la marca radiográfica que se observa luego de interponer una muestra 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 los anillos de las bases B= corresponde a la repetición de la doble hélice cada 34 A, formando la típica cruz helicoidal CDEyF= determinaron que el diámetro oscila entre A. 10 nucleótidos por vuelta

23 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 es hacia la derecha) Las dos cadenas de polinucleótidos siguen un eje imaginario de simetría Los grupos fosfatos se encuentran mirando hacia fuera (hidrofílicas) Las bases (molécula plana) se localizan hacia el interior (hidrofóbicas). Los pares de bases están formados siempre por una Purina-Pirimidina de manera que siempre están equidistantes y complementarias según A-T y C-G. Las cadenas son antiparalelas 5´- 3´ 3´- 5´

24 dCMP Uníon Fosfodiéster dAMP
Los grupos fosfato están unidos a los carbonos 5' y 3' de cada azúcar de la cadena de ADN. Un final de la cadena lleva un grupo fosfato libre pegado al carbono 5'; a este se le llama extremo 5' de la molécula. El otro final tiene un grupo hidroxilo libre (-OH) en el carbono 3' y se le llama extremo 3' de la molécula. dCMP C 5´ Uníon Fosfodiéster dAMP C 3´ C3´

25 Cuando dos cadenas de ADN se ensamblan en una doble hélice, las dos cadenas están una enfrente de la otra, pero en direcciones opuestas; el extremo 5' de una cadena está apareado con el extremo 3' de la otra cadena. dGMP dCMP H C 5´ C 3` dAMP C 3´ O C 5´ O HN N CH2 O OH H H dTMP

26 Las uniones intercatenarias se dan por puentes de Hidrógeno

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

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

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30 Polimorfismo conformacional del DNA
Según las condiciones físicas (hidricas-salinas) del medio el DNA pueda adoptar distintas conformaciones (A, B, Z). B: es la normal en estado fisiológico, se describe un surco mayor y otro menor, las bases están perpendiculares al plano de giro Z: (ZigZag) pociones ricas en G y C. Posee una hélice levógira. A: naturalemente existe cuando el medio esta enriquecido con cationes (Mg++, Ca++) o hay deshidratación (<65%). Se ven dos surcos: estrecho y profundo y otro ancho y superficial TIPO DE ADN GIRO DE HELICE nm /v Plano entre bases nº de ns/v A Dextrógiro 2.8 inclinado 11 B 3.4 perpendicular 10 Z Levógiro 4.5 zig-zag 12

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32 ARN El ARN se crea por la polimerización de ribonucleótidos y forma una cadena de moléculas 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 que en 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 diferencia del DNA, en el cual la A se aparea con T. En la mayor parte de los casos es un polímero monocatenario, pero en ciertos casos puede presentar zonas en su secuencia con apareamientos intercatenarios Principalmente es citoplasmático.

33 La molécula de ARN El ARN es estructuralmente similar al ADN.

34 Hay 4 tipos de ARN, cada uno codificado por su propio gen
ARNm - ARN Mensajero: Transmite la información para la síntesis de proteínas desde el núcleo al citoplasma. ARNt - ARN de Transferencia: Lleva los aminoácidos a los ribosomas durante la traducción de la información para la síntesis de proteínas. ARNr - ARN Ribosomal: Constituye el 80 % del RNA total. Se asocia a riboproteínas y se une al RE formando un complejo capaz de sintetizar proteínas ARN np- ARN nuclear pequeño: Interviene en el procesamiento. En la reacción de corte y empalme para eliminar los intrones del ARNm precursor

35 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 presenta timina La configuración espacial del DNA es la de un doble helicoide, mientras que el RNA es un polinucleótido lineal, que ocasionalmente puede presentar apareamientos 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.

36 Nature Aug 8;227(5258):561-3 1970 Dg Francis Crick 1953 1871 A 1909 R 1910 N B 1929 DR 1949 Ch 1944 G DH 1962 NP

37 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 y cuando) Dirección es 5´ ´

38 Transcripción de DNA Proceso por el cual la información genética de la molécula de DNA se transfiera a una 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 splicing alternativo Tres procesos: iniciación (RNA polimerasa se une al promotor), elongación (RNA polimerasa) y terminación (codon terminación o proteína Rho) .

39 Traducción Proceso por el cual se decodifica una molécula de RNA mensajero (maduro) a un polipéptido específico según las reglas del código genético. En eucariotas es citoplasmático Intervienen: RNAm, RNAt, RNAr 4 etapas: activación, iniciación, elongación y terminación

40 Metabolismo de Ácidos Nucleicos
DNA / RNA nucleasas Biosíntesis “de novo” Oligonucleótidos fosfodiesterasas Nucleótidos nucleotidasas Nucleósidos + Pi Nucleósido fosforilasa Vías de recuperación Degradación Base + ribosa 1P Ácido Úrico Purinas: AMP

41 Vías Biosintéticas “De novo” Recuperación
La mayoría de los organismos pueden sintetizar suficientes nucleótidos de purina y pirimidina según sus necesidades a partir de precursores de bajo peso molecular. Estas vías de “novo” son iguales en todo el mundo biológico. Recuperación Las vías de recuperación requieren la utilización de purinas y pirimidinas preformadas. La recuperación, o reutilización de bases púricas y pirimidínicas se realiza a partir de moléculas liberadas por la degradación de los ácidos nucleicos La degradación puede darse intracelularmente después de la muerte celular o por digestión de ácidos nucleicos de la dieta (animales). En animales la hidrólisis extracelular a partir de la ingesta representa la ruta principal de importación de bases y nucleósidos. En la catálisis participan endonucleasas, que digieren 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 vía de recuperación, las purinas y pirimidinas se degradan a ácido úrico o beta-ureidopropionato.

42 Biosíntesis “de novo”

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