Ud 3: Ácidos Nucleicos y Enzimas Asociadas, Junta de Castilla y León

Ácidos Nucleicos y Enzimas Asociadas

Son macromoléculas polimericas encargadas de almacenar, transmitir y expresar la información genética de los seres vivos. Se encuentran en todos los seres vivos bajo dos formas, que son:

• ADN: ácido desoxirribonucleico. Depósito en el que se almacena la información hereditaria y se controla su transmisión a la descendencia.
• ARN: ácido ribonucleico. Se encarga de la expresión de esta información mediante la síntesis de proteínas.

Estructura y Composición Química de los Ácidos Nucleicos

EL ADN y el ARN tienen diferente estructura y composición química. Tienen en común que ambos están formados por largas cadenas de monómeros, los nucleótidos. Éstos son unidades estructurales que se repiten en los ácidos nucleicos. Están formados por tres elementos: una base nitrogenada, una pentosa y un grupo fosfato.

• Base nitrogenada: son compuestos heterocíclicos planos de carbono y nitrógeno más diferentes radicales. Hay dos tipos de bases:
  • Púricas: derivan de la purina y son la adenina y guanina.
  • Pirimidínicas: derivadas de la pirimidina y son la citosina, timina y uracilo.

Purina Bases púricas ŅH H C N 6 7 \ 1 8 CH 2 4 9 / 3 N N H Adenina Guanina Pirimidina Bases pirimidínicas NH, H C C A CH HN HN CH = CH CH HC CH ZI ZI H N Citosina Timina Uracilo

• Pentosa: es un glúcido de cinco átomos de carbono. Tenemos dos:
  • D-ribosa: en nucleótidos que forman el ARN.
  • 2-desoxi-D-ribosa: en los nucleótidos que forman el ADN.

O 5'CH,OH OH 5'CH,OH OH - C 4' 1ºC -I H Ħ H H in 2'1 3' 2.1/ C - HO OH HO H D-Ribosa 2-Desoxi-D-Ribosa 1º LABORATORIO CLÍNICO Y BIOMÉDICO 1 BIOLOGÍA MOLECULAR Y CITOGENÉTICA N HN CH HC N HẠN N N H H Z-0 ; C CH IIC - CH H I-0 H H C O -0 C4' 1ºC CH N

• Ácido fosfórico: H3PO4, aunque el que se une a la pentosa es el anión fosfato o grupo fosfato PO43 -. Tiene una estructura tetraédrica. Es el responsable de que los ácidos nucleicos tengan carga neta negativa.
• Nucleósidos: formados por la unión de una base nitrogenada a una pentosa. Hay dos tipos: ribonucleósidos y desoxirribonucleicos. Se unen mediante un enlace N-Glucosídico entre C1 de la pentosa y el Ng de una base púrica o N1 de una pirimidínica, además de la pérdida de una molécula de agua. Se nombran con el nombre de la base nitrogenada (prefijo desoxi-) y acabado es -osina si es púrica y en -idina si es pirimidínica.

O 1 0 0 0 NITROGENOUS BASE NITROCENOUS BASE VS PENTOSE PENTOSE PHOSPHATE GROUP

• Nucleótidos, oligonucleótidos y polinucleótidos: formado por un nucleósido y un ácido fosfórico mediante un enlace éster. Este enlace se realiza entre el C5 de la pentosa y el ácido fosfórico en forma de ión fosfato con la pérdida de una molécula de agua. Si la pentosa es la 2-desoxi-D-ribosa se conocen como desoxirribonucleicos y son los integrantes del ADN. Si la pentosa es la D-ribosa se conocen como ribonucleótidos y son los integrantes del ARN. Se nombran eliminando la "a" final del nombre del nucleosido del que proceden y añadiendo la terminación "-5'-fosfato". Los nucleótidos se unen entre sí por el grupo fosfato mediante un enlace fosfodiéster entre el C5 de un nucleotido y el C3 del siguiente. Con muchas uniones se forman cadenas lineales polinucleotídicas que constituyen los polinucleótidos o ácidos nucleicos. Toda cadena de ácidos nucleicos tiene dos extremos libres:
  • Extremo 5': grupo fosfato unido al C5 de la pentosa del primer nucleótido.
  • Extremo 3': radical hidroxilo (-OH) unido al C3 de la pentosa del último nucleótido.
  Cuando el número de nucleótidos que integran la cadena no es muy grande se habla de oligonucleótidos, esto es, cuando no pasa de 50 aproximadamente.

NH, 0-0-0 -1 N "O-P=0 2 N 0 Adenosin-5'-fosfato 5' CH. H H H H H FOH? OH 0 OH 0 + 0 OH FOH. -O-P=0 "o-P= 0 N 1 O O N 1 0 Uridin-5'-fosfato H H H H H H H H /OH OH + NH, >H,O HO "o-P=0 N O 1 O CH 1 N CH. Citidín-5'-fosfato H H 1837 H H H H H H OH OH OH OH Oligonucleótido ESQUEMA OH N "o-P=0 O A P 5 O P 0 1 N CH CH. Enlace fosfodiester 0 OH NH, C P "O-P=0 N 1 O 50 - N 0 OH 3' 1º LABORATORIO CLÍNICO Y BIOMÉDICO 2 BIOLOGÍA MOLECULAR Y CITOGENÉTICA H H >HO U O OH NH 0 CH

Propiedades Fisicoquímicas de los Ácidos Nucleicos

Entre ellos se incluyen:

• Son fuertes ácidos en disolución acuosa debido a los grupos fosfatos.
• Presentan una elevada viscosidad incluso a concentraciones bajas.
• Muestran un característico pico de absorción de luz ultravioleta a una longitud de onda de 260nm.
• Es útil para conocer la concentración en ácidos nucleicos.

Las dos cadenas de nucleótidos que forman la doble hélice de una molécula de ADN se pueden separar elevando la temperatura o aumentando el pH, fenómeno que se conoce como la desnaturalización, es decir, la ruptura de los puentes de hidrogeno entre las bases nitrogenadas complementarias que mantienen la estructura de la doble hélice. Es un proceso reversible, cuando se disminuye la temperatura o el pH se vuelven a formar los puentes de hidrogeno, renaturalización.

Dos cadenas de ácidos nucleicos con secuencias de bases nitrogenadas complementarias en condiciones adecuadas de temperatura, pH y fuerza iónica se unen mediante puentes de hidrogeno entre las bases complementarias, proceso que se conoce como hibridación.

El ADN

En los organismos eucariotas (aquellos que poseen células están formadas por membrana, citoplasma con orgánulos y núcleo) el ADN se encuentra principalmente en el núcleo como parte de los cromosomas y hay algunas pequeñas cantidades dentro de las mitocondrias y los cloroplastos.

En los procariotas (organismos formados por una o varias células sin núcleo diferenciado) el ADN se encuentra principalmente en un solo cromosoma y con pequeñas cantidades en forma de fragmentos pequeños llamados plásmidos. También algunos virus contienen ADN como material genético. Están formados por unos fragmentos de material genético (ADN o ARN) y una cubierta de proteínas.

Estructura del ADN

El ADN es un polímero formado por largas cadenas de desoxirribonucleicos (la pentosa es siempre la desoxirribosa) de adenina, guanina, citosina y timina. No hay uracilo.

Adenina Guanina Adenina Guanina Citosina Timina Citosina Timina H "HN PHN O .0 0 I 0 I I I H H I I -I .I H LI HA CH I H 0 P O O O O O Secuencia: (5) - A C GTA CGT-(3')

Caracterización de las Moléculas de ADN

Una molécula de ADN se caracteriza por:

• Tamaño:
  • Las moléculas de ADN que forman los cromosomas son de gran tamaño (varios millones de pares de bases).
  • Los plásmidos y moléculas de ADN mitocondrial tienen un tamaño de pocos miles de pares de bases.
• Composición: referida a la proporción de cada desoxirribonucleicos. Los ADN aislados de diferentes especies de organismos varían en la proporción de desoxirribonucleicos que contienen.
• Secuencia de bases nitrogenadas: además de la proporción de desoxirribonucleicos en los ADN aislados de distintas especies tambien varía el orden o secuencia en que se sitúan las bases nitrogenadas.

1º LABORATORIO CLÍNICO Y BIOMÉDICO 3 BIOLOGÍA MOLECULAR Y CITOGENÉTICA H

Una molécula de ADN se representa abreviadamente por su secuencia de bases nitrogenadas colocadas en dirección 5'-3', lo que constituye su estructura primaria.

A pesar de las variaciones que hay en el tamaño, la composición de bases y la secuencia de las moléculas de ADN de diferentes especies hay un característica común: A=T y C=G.

La explicación se basa en dos aspectos: el principio de complementariedad y la estructura 2ª del ADN.

Principio de Complementariedad del ADN

Cuando algunos nucleótidos se enfrentan se mantienen unidos mediante puentes de hidrogeno entre los grupos polares de sus bases nitrogenadas.

Esas bases nitrogenadas deben ser complementarias en función del tamaño que tienen y su estructura.

Entre la adenina y la timina se forman dos puentes de hidrogeno; entre la citosina y la guanina, tres.

Ninguna otra combinación de bases presenta complementariedad en el ADN. Para que la unión sea estable es necesario, además, que los dos nucleótidos que portan las bases nitrogenadas complementarias sitúen sus grupos fosfato en posiciones opuestas.

Dos puentes de hidrógeno P H NHO CH2 &CH, N TH-N HH OH H O CH H Adenina Timina 0 3.CH2 Tres puentes de hidrógeno P H O H-N H N NH -H H OH H H H A = I OH H CH. Guanina Citosina P

La Doble Hélice del ADN

En 1953 Watson y Crick propusieron un modelo para describir la estructura del ADN que permite explicar el principio de complementariedad y que dice que el ADN es una doble hélice y constituye su estructura 2ª.

Las moléculas de ADN son bicatenarias constituidas por dos cadenas polinucleotidas que cumplen las siguientes condiciones:

• Las dos cadenas son antiparalelas y complementarias
• Ambas cadenas se mantienen unidas por puentes de hidrógeno entre las bases nitrogenadas complementarias.
• Las dos cadenas se enrollan alrededor de un eje imaginario formando la doble hélice.
• El enrollamiento es dextrógiro (hacia la derecha) y plectonémico (para separar las cadenas hay que desenrollarlas previamente). El diámetro de la doble hélice es de 2nm.
• Un giro de la doble hélice equivale a diez nucleótidos. La separación entre dos pares de bases consecutivos es de 0'34nm. Una vuelta completa de la hélice tiene una longitud de 3'4nm.

5' 3 Par de bases nitrogenadas P T A P Cadena de Azúcar-fosfato P T A P P C G Línea del eje central Bares de ases P T A P C G P 3' Puentes de hidógeno 5' 5 m 2mm 1º LABORATORIO CLÍNICO Y BIOMÉDICO 4 BIOLOGÍA MOLECULAR Y CITOGENÉTICA T N-HO H H OH H P Armazón de unidades azúcar-fósforo 0.34mm 3.4mm -1mm -2mm-