Temas 14. Estructura y función de los ácidos nucleicos

 Composición química: azúcares, fosfato y bases nitrogenadas  Estructura y propiedades de las bases púricas y pirimidínicas  Nucleósidos y nucleótidos  Estructura de los ácidos nucleicos. DNA y RNA

Ácidos Nucleicos  El DNA es el constituyente primario de los cromosomas de las células y es el portador del mensaje genético.  La función del RNA es transcribir el mensaje genético presente en el DNA y traducirlo a proteínas.  Las proteínas son las moléculas que finalmente ejecutarán las "instrucciones" codificadas en los ácidos nucleicos. Dogma central de la Biología Molecular

Componentes de los ácidos nucleicos

Fosfato(s)

Nucleótido

+ Nucleósido

ácido Azúcar + Base Nitrogenada

Componente ácido: Fosfatos

Ácido ortofosfórico

neutro básico

Componentes de los nucleótidos Componente neutro: Azúcares

Ribosa

Desoxirribosa

Componentes de los nucleótidos Componente básico: Bases Nitrogenadas

pirimidina

Pirimidina

imidazol

Purina

Componentes de los ácidos nucleicos Componente básico: Bases Nitrogenadas • Bases Purínicas (o Púricas) pirimidina

imidazol

NH2

O

NH2

• Bases Pirimidínicas O

O

NH2 CH3

O

O

O

Propiedades fisicoquímicas de las bases nitrogenadas  Existencia de dipolos  Hidrofobicidad  Disposición coplanar de los enlaces de cada anillo (C-N y C-C)

 Tautomería o isomería dinámica

H

N

H

O

4

 Carácter básico

3N 1 2

C

N

O

H

6

2

N

N 9

N

G

N

H

O 1’

 Absorción de la luz en el ultravioleta

HN1

O 1’

Propiedades fisicoquímicas de las bases nitrogenadas  Absorción de la luz en el ultravioleta  Debido a su carácter aromático  Máximo absorción cerca de 260 nm

Bases nitrogenadas Proteínas

DNA

A260 = 1,8 A280

Absorción máxima 260 nm Absorción máxima 280 nm

RNA

A260 = 2,0 A280

Otras bases de interés biológico y clínico Las bases nitrogenadas tienen poco interés bioquímico como sustancias libres, salvo en las vías biosintéticas y degradativas de los ácidos nucleicos.

El ácido úrico es un derivado púrico que constituye el producto final de la degradación de purinas.

Análogos sintéticos, terapia antiviral Cafeína

• Aciclovir (9-(2-hidroximetil)guanina • Ganciclovir (9-(1,3-dihidroxi-2-proposimetil)guanina

Antitumorales sintéticos Teofilina

• 5-fluorouracilo

Nucleósidos

Fosfato(s)

Nucleótido

+ Nucleósido

ácido Azúcar + Base Nitrogenada

neutro básico

ribosa

ribonucleósidos

desoxirribosa

desoxirribonucleósidos

purínica

nucleósidos purínicos

pirimidínica

nucleósidos pirimidínicos

Azúcar

Nucleósido

enlace N-glicosídico

Base Nitrogenada

Nucleósidos

Nucleósidos  Nucleósidos purínicos

adenosina

guanosina

Ribonucleósidos

desoxiadenosina

desoxiguanosina

Desoxirribonucleósidos

 Nucleósidos pirimidínicos

citidina

desoxicitidina

uridina

Timidina (desoxitimidina)

Ribonucleósidos

Desoxirribonucleósidos

Nucleósidos

citidina

desoxicitidina

Otros nucleósidos de interés biológico y clínico

puromicina (antibiótico) arabinosiladenina (antiviral y anticancerígeno) AZT - derivado de timina (antirretroviral)

uridina

Timidina (desoxitimidina)

Nucleótidos

Nucleótido = nucleósido + fosfato(s) = base nitrogenada + azúcar + fosfato(s) purínica

nucleótidos purínicos

pirimidínica

nucleótidos pirimidínicos

ribosa

ribonucleótidos

desoxirribosa

desoxirribonucleótidos

Base Nitrogenada

enlace N-glicosídico

Fosfato(s)

enlace(s) fosfato

Azúcar

nucleósido Fosfato

desoxiadenosina monofosfato (dAMP) ácido desoxiadenílico

Nucleótidos Nucleósidos-monofosfato componentes del ARN (ribonucleótidos) Purínicos

Pirimidínicos

Nucleósidos-monofosfato componentes del ADN (desoxirribonucleótidos) Purínicos

Pirimidínicos

Nucleótidos Nucleósidos-Monofosfato: NMP

Nucleósidos-Difosfato: NDP

dAMP AMP

dADP ADP

Nucleósidos-Trifosfato: NTP

dATP ATP

Funciones de los nucleótidos  Compuestos ricos en energía que participan en intercambios energéticos

ATP

 Actúan como señales químicas

ADP

 Componentes estructurales de cofactores e intermediarios metabólicos

AMPc

NAD+

 Constituyentes de los ácidos nucleicos

Niveles estructurales de los ácidos nucleicos  Estructura primaria Polímero lineal formado por la unión de numerosos nucleótidos mediante enlaces fosfodiéster.  Estructura secundaria Disposición espacial relativa de los nucleótidos que se encuentran próximos en la secuencia. DNA – Doble cadena polinucleotídicas RNA – Protuberancias, bucles y horquillas en determinadas regiones de la molécula  Estructuras de orden superior Todas aquellas de orden superior a los niveles primario y secundario. DNA – Resultantes del superenrollamiento y de la asociación con proteínas básicas (cromatina, cromosomas). RNA – Plegamiento tridimensional definido (tRNA).

Estructura primaria  Polímeros de nucleótidos unidos mediante 5´ enlaces covalentes 3´- 5´fosfodiéster.

– base

– base

– base

– base

 Secuencia en dirección 5´→ 3´

5’...-P-osa-P-osa-P-osa-P-osa-... 3’ 5´ ARN

ADN

Ribonucleótidos Fosfato Azúcar

Desoxirribonucleótidos

3´

enlazando los monómeros (enlace fosfodiéster) 2’-Desoxirribosa

Ribosa Adenina, A

Purinas

Guanina, G

Citosina, C Pirimidinas Uracilo, U

Timina, T

3´

OH

Estructura primaria RNA O

-

DNA A

O

Extremo 5’

O P O CH2 O O O

OH

G

A

O P O CH2 O O

G

O O P O CH2 O O

O P O CH2 O O O

-

OH

U

O P O CH2 O O

O P O CH2 O O O

T

O

OH

C

O P O CH2 O O

O P O CH2 O O OH

C

O

OH

Extremo 3’

OH

Estructura secundaria  Cristalografía de rayos X del DNA (1951-1953) Estudiada por: • L.Pauling (Caltech) • M.Wilkins y R.E.Franklin (Londres) • J.D.Watson y F.H.C.Crick (Cambridge) Periodicidad a 0,34 nm

Estructura helicoidal (forma en X)

Periodicidad a 3,4 nm

Watson y Crick elaboraron el modelo de doble hélice

DNA-B: Doble hélice

3´

 Cada una de las hebras es un polinucleótido entrelazado con el otro en sentido antiparalelo

5´

3,4 Å

36 Å

20 Å

5´

3´

 El eje ribosa-fosfato se sitúa hacia el exterior de la doble hélice, en contacto con el solvente

 Las bases nitrogenadas se sitúan, apiladas, en planos aproximadamente perpendiculares al eje de la doble hélice, hacia el interior de la estructura, en un entorno hidrofóbico.

ADN-B: Complementaridad de las bases nitrogenadas

H O (H3C)

4

T/U

N1

3N H

1

N

N 6

H N

O

N

O 1’

N

1’

3N 1 2

N

O HN1 O

H

6

2

N

1’

G

N 9

N

G

N

H

O

T/U

H

4

C

A

N

O

H

A

9

O 1’

C

DNA-B: Antiparalelismo de las hebras

5´ O

O - P O O CH2 O O O - P O O CH2 O O O - P O O CH2 O O O O P

GUANINA

CITOSINA

TIMINA

ADENINA

O CH2 O

GUANINA

O

TIMINA

CH2 O

CH2 O

CH2 O

3’ T

A

C

G

G

C

G

C

T

A

C

G

A

T

G

C

T

A

A

T

-

-

P O O O O

ADENINA

-

P O O O O

CITOSINA

CH2 O

5’

P O O O

O

-

3´

3´

O

-

P O O

5´

3’

5’

DNA-B: Polianión

Residuos de pentosa (hidrofílicos) en la superficie de la doble hélice perpendiculares a las bases

Fuerza de unión por enlace de H

Grupos fosfato (ionizados), en la superficie de la doble hélice: a pH fisiológico el DNA es un polianión

Interacciones con el agua

Fuerzas hidrofóbicas de apilamiento de bases

Distintos tipos DNA DNA-A

DNA-B

DNA-Z

los surcos son más parecidos en anchura

Más corta

19º

surco mayor estrecho y profundo

Más larga el surco mayor no existe, es muy poco profundo

surco menor ancho y superficial bases algo inclinadas: 9º

dextrógira

surco menor, profundo y estrecho

levógira

Estructuras superiores: cromatina y cromosomas

Estructura del RNA  Mensajero  Transferencia  Ribosómico

Estructura del RNA RNA de transferencia

RNA ribosómico

DNA bacteriano