Apuntes sobre ácidos nucleicos y genética molecular del IES La Estrella

TEMA 4: ÁCIDOS NUCLEICOS Y GENÉTICA MOLECULAR

No es más inteligente el que más sabe,
sino el que sabe dónde buscar lo que no sabe.
Saber más para temer menos
y elegir mejor
Jesús Sánchez - IES LA ESTRELLA

Ácidos Nucleicos y Genética Molecular

1. ÁCIDOS NUCLEICOS.

a) Nucleótidos.

• Composición química.
• Estructura.
• Nucleótidos de interés biológico.

b) Polinucleótidos: Ácidos nucleicos.

• Estructura del ARN.
• Estructura del ADN.
1. Estructura primaria.
2. Estructura secundaria: DNA-B.
3. Estructura terciaria: empaquetamiento.

2. GENÉTICA MOLECULAR.

a) Dogma central de la biología molecular.

b) Concepto de gen.

c) Replicación del ADN. Eucariotas y procariotas.

d) Procesos de expresión génica:

• Transcripción. Eucariotas y procariotas.
• Traducción. Eucariotas y procariotas.

e) Mecanismos básicos de regulación de la expresión
génica.

DOCUMENTACIÓN COMPLEMENTARIA.

1. Experimentos que demuestran la naturaleza nucleica del
   material genético.
2. Artículo revista Science, abril de 1953: estructura secundaria
   del ADN.

1

ÁCIDOS NUCLEICOS Y GENÉTICA MOLECULAR

I. ÁCIDOS NUCLEICOS

Los ácidos nucleicos son biomoléculas formadas por C, H, O, N y P. Químicamente son polímeros de
NUCLEÓTIDOS unidos por enlaces FOSFODIESTER.
Existen dos tipos básicos de ácidos nucleicos:

• ARN o ácido ribonucleico.
• ADN o ácido desoxirribonucleico.

Los ácidos nucleicos son de crucial importancia en todos los organismos ya que son los depositarios
moleculares de la información genetica generación tras generación y dirigen y controlan el
funcionamiento celular (ver complemento: Experimentos que demuestran la naturaleza nucleica
del material hereditario).
Se encuentran en el núcleo de las células eucariotas, mitocondrias, cloroplastos, ribosomas, células
procariotas y virus.

1. NUCLEÓTIDOS

Nucleotidos: composición química.

Los nucleótidos son las piezas elementales que al ensamblarse forman los ácidos nucleicos, pero no son
moléculas sencillas, sino que, a su vez están formadas por tres componentes.
En su composición intervienen:

• Ácido Fosfórico (H3PO4).
• Una pentosa: - D-ribofuranosa o 2-desoxi-ß-D-ribofuranosa.
• Una base nitrogenada, de cinco posibles.

BASES PIRIMIDÍNICAS

NH2
O
O
C
CH3
N
CH
C
HN
CH
C
CH
C
CH
O
N
O
N
O
N
H
H
Citosina
Timina
Uracilo

BASES PÚRICAS

NH2
O
C
N
N
C
HN
C
CH
CH
HC
C
C
NH
N
NH
N
NH2
Guanina
Adenina
C
=0
C
HN
-N
C
2

Nucleótidos: estructura.

1. Nucleósidos

Son el resultado de la unión de una base nitrogenada con la ribosa o con la desoxirribosa mediante un
enlace N-GLUCOSÍDICO. Este enlace se establece entre el N-9 de las puricas o el N-1 de las pirimidínicas y el
C-1' de la pentosa en posición ß (indicamos 1', 2', etc. a los C de la pentosa en lugar de 1, 2, etc. para evitar
confusión con la numeración de los átomos de la base). Al ser un enlace de condensación se libera un
molécula de H2O.
Los nucleosidos de bases puricas se nombran con la raíz de la base nitrogenada presente con la terminación
-osina: (desoxi-) adenosina y (desoxi-) guanosina; los derivados de bases pirimidínicas con la raíz de la base
nitrogenada presenta con la terminación -idina: (desoxi-) timidina, (desoxi-) citidina y uridina.
NH2
N
6
N
7
-
5
8
2
4
9
3
N
N
N
5'
B
5'
HOCH2
.0
B
4
1
4'
1
H
H
H
3'
2'
OH
OH
OH
OH
Citidina

2. Nucleótidos

Son ésteres fosforilados de los nucleósidos, por lo que a veces se les denomina nucleósidos-fosfato. Podría
producirse el éster con los hidroxilos 2', 3' y 5' de los ribonucleótidos o con los 3' y 5' de los
desoxirribonucleicos. Sin embargo, los 2' fosfato y los 3' fosfato son escasos. Así pues, los nucleótidos
que forman los ácidos nucleicos siempre son 5' fosfato. La presencia de fosfato confiere carácter ácido a la
molécula de los nucleótidos.
NH2
N
N
5
N
O- P-O-CH2
O
N
=0
0
H
H
H
H
3
2
OH
OH
Adenosina 5'-monofosfato (AMP)

Nomenclatura de bases, nucleósidos y nucleótidos

Base
Ribonucleósido
Ribonucleótido (5'-monofostato)
Adenina (A)
Guanina (G)
Citosina (C)
Uracilo (U)
Adenosina
Guanosina
Citidina
Uridina
Adenosina 5'-monofosfato (AMP); adenilato*
Guanosina 5'-monofosfato (GMP); guanilato*
Citidina 5'-monofosfato (CMP); citidilato*
Uridina 5'-monofosfato (UMP); uridilato*

Base
Desoxirribo- nucleósido
Desoxirribonucleico (5'-monofosfato)
Adenina (A)
Guanina (G)
Citosina (C)
Timina (T)
Desoxiadenosina
Desoxiguanosina
Desoxicitidina
Desoxitimidina
Desoxiadenosina 5'-monofosfato (dAMP); desoxiadenilato*
Desoxiguanosina 5'-monofosfato (dGMP); desoxiguanilato*
Desoxicitidina 5'-monofosfato (dCMP); desoxicitidilato*
Desoxitimidina 5'-monofosfato (dTMP); desoxitimidilato*

• Formas aniónicas predominantes a pH 7.0.

3

4
N
3
5
2
6
1
O
HOCH2
O
H
H
H
H
H
3'
2.
Adenosina
NH2

Abreviaturas de los ribonucleósidos 5'- fosfato

Base
Mono-
Di-
Tri-
Adenina
AMP
ADP
ATP
Guanina
GMP
GDP
GTP
Citosina
CMP
CDP
CTP
Uracilo
UMP
UDP
UTP

2. NUCLEÓTIDOS NO NUCLEICOS DE INTERÉS BIOLÓGICO

Nucleótidos: su función

Además de formar parte de los ácidos nucleicos, hay nucleótidos con funciones activas en las reacciones
metabólicas:

• Intermediarios (acumuladores) de energía en el metabolismo: fosfatos de adenosina (AMP, ADP,
  ATP) y, en menor medida, de guanina (GDP y GTP).
• Segundo mensajero de receptores hormonales: AMP cíclico (AMPc).
• Coenzimas de deshidrogenasas y oxidorreductasas: flavin adenín nucleótidos, nicotinamín adenín
  nucleótidos, coenzima A.
• Transportadores de moléculas: UDP.

Intermediarios (acumuladores energéticos): Fosfatos de adenosina (adenosin fosfatos).

Intervienen en las reacciones metabólicas en que se libera o consume energía, ya que los enlaces entre
fosfatos de los nucleótidos acumulan energía química (la energía acumulada en los enlaces de alta energía
P-P equivale a 7.3 Kcal/mol o 30 KJ/mol) que puede transferirse a otras sustancias cuando dichos enlaces
se hidrolizan:
ATP + H2O
ADP + Pi + Energía
ADP + H2O
AMP + Pi + Energía
De igual manera, la energía desprendida en muchas reacciones químicas y procesos fisiológicos puede
aprovecharse para sintetizar las formas energéticas de los adenosin-fosfatos:
AMP + Pi + Energía
+ ADP + H2O
ADP + Pi + Energía
· ATP + H2O
H2N
=N
N
O
- N
o-P-O-P-O-
N
1
O
O
OH OH
4

Segundos mensajeros de receptores hormonales: AMP cíclico.

Denominado "segundo mensajero" en la recepción de señales por parte de la célula.
AMP cíclico (cAMP)
NH2
N
N
Actúa como segundo
mensajero dentro de la célula
para hormonas que no pueden
atravesar la membrana celular
por ser hidrófilas.
Glándula
endocrina
Hormona
N
O
N
CH2
O
H
H
H
Receptor de membrana (célula)
7
Formación de AMPc
Interior
de la
célula
Activación de ciertas reacciones

Coenzimas de deshidrogenasas y oxidorreductasas:

Las coenzimas son sustancias orgánicas que acompañan a las enzimas en su acción catalítica.

Coenzimas derivadas de nucleótidos

Flavin nucleótidos (FMN, FAD)
Piridín nucleótidos (NAD, NADP)
Coenzima A

• ¿ Qué son?
  Sustancias orgánicas no proteicas
  que intervienen en reacciones
  químicas catalizadas por enzimas.
• ¿ Cómo actúan?
  Reacción enzimática
  - No son específicas de una sola
  reacción (una coenzima puede actuar
  con varias enzimas y reacciones
  diferentes, de una misma clase)
  · La molécula de ENZIMA
  - Se unen
  temporalmente a
  o bien a
  La molécula de SUSTRATO
  5
  H
  O- P
  O
  OH
  L=0

Coenzimas derivadas de nucleótidos

Flavin nucleótidos (FMN, FAD)
Piridin nucleótidos (NAD, NADP)
Coenzima A

Flavin nucleótidos (FMN, FAD)

Contienen una base nitrogenada
denominada flavina
Vitamina B2 = riboflavina,
precursor de los flavin-nucleótidos

Piridín nucleótidos (NAD, NADP)

Contienen adenina y nicotinamida -(+ = vitamina P-P)
Actuan como coenzimas en las reacciones de
oxidación-reducción del metabolismo celular:
FADH 2
FADH 2
2 e
2 H+
2 e"
2 H+
FAD
FAD
FAD + 2 H+ + 2 e"
FADH 2
FAD reducido
FAD oxidado
FAD +2 H
FADH 2
FAD reducido
NAD+ + H + e"
oxidado
NADH
reducido
(NAD = nicotin adenin dinucleótido)

Coenzimas derivadas de nucleótidos

Derivado del ADP con
ácido pantoténico (vit. B5)
y b-aminoetanotiol
Interviene en la activación
de los acidos organicos
(ác. grasos ... ) para su
metabolismo
La CoA se enlaza con
ácidos orgánicos
mediante la formación
de enlaces tio-éster:
R-CO-SCOA
Flavin nucleótidos (FMN, FAD)
Piridin nucleótidos (NAD, NADP)
Coenzima A
Tiol
H-C-H
Etilamina
H-C-H
H-N
C=0
H-C-H
H-C-H
H-N
I
Ácido
pantoténico
C=0
OH-C-H
CH3-C-CH3
H-C-H
o
"0-P=0
0-P-O
N-
NECH
Adenina
CH2
0
H
H
H
H
0
OH
O-P-O
O
NADH
NADH
reducido
2 e
2 e-
H+
+
H+
NAD
NAD
oxidada
NAD + H+ + 2 e"
=
NADH
reducido
oxidado
FAD oxidado
(FAD = flavin adenin dinucleótido)
Coenzima A (CoA)
6
0-4-0-
HC

3. POLINUCLEÓTIDOS: ÁCIDOS NUCLEICOS

POLINUCLEÓTIDOS.

• Formados por la unión de muchos nucleótidos enlazados por ENLACES NUCLEOTÍDICOS o enlaces
  fosfodiester 3' OH - 5' P. Así pues, todos los polinucleótidos tendrán un extremo 5' P libre en un
  lado de la cadena y un extremo 3' OH libre en el otro lado, lo que define su polaridad 5'+ 3'.
• Contienen un solo tipo de pentosa: polirribonucleótidos y polidesoxirribonucleicos.
• Constituyen los ácidos nucleicos: ARN y ADN.
• El ADN carece de uracilo y el ARN carece de timina.
• Generalmente el ADN es más largo, más estable y de doble cadena de polinucleótidos.
• Generalmente el ARN es más corto, más inestable y de cadena sencilla de polinucleótidos.

NH2
ADENINA
N
N
N
N
5CH2 0
H
H
H
2/H
P
O
OH
GUANINA
O
O-P=0
NH
O
L
N
N
NH2
A
AH
HI
R
0
OH
O
1
O-P=0
NH
D
O
A
PCH2 O
N
O
H
I
D
H
2 /H
0
OH
NH2
CITOSINA
OP=O
N
0
FCH2 O
N
O
5'-+3'
41
H
H
I
2
H
OH

Funciones de los ácidos nucleicos.

Los ácidos nucleicos almacenan, transmiten y participan en la expresión de la información genética y
controlan y dirigen todas las funciones celulares.
El ADN almacena y transmite la información genética.
Para realizar las funciones de los ácidos nucleicos hacen falta tres clases de ARN:

• ARN mensajero (ARNm), portador del mensaje genético.
• ARN transferente (ARNt), que acerca aminoácidos al ARNm y al ribosoma.
• ARN ribosómico (ARNr), que ensambla los aminoácidos frente al ARNm para formar el polipéptido
  correspondiente.

transcripción
traducción
DNA
mRNA
PROTEÍNAS
7
H
H \3
2
URACILO
Enlace
fosfodiéster
Enlace
fosfodiéster
3
0
N
Enlace
fosfodiéster
replicación
5CH2 0