CATALINA PINEDA MOLINAIngeniería Biomédica

EIA-CES2010

TEMA 2: ESTRUCTURA DE LOS ÁCIDOS NUCLEICOS

CONTENIDO

1. Componentes fundamentales de los ácidos nucleicos.

2. Nucleósidos y nucleótidos.

3. Estructura del DNA.

4. Estructura del RNA.

Ynsehttp://www.flickr.com/photos/ynse/542370154/

F. Miescher (1865)

Estudió la composición química del pus:

Intentaba digerir proteínas de las células del pus, observando que el núcleo de esas células no era digerido, por lo que lo que había allí no eran proteínas, sino otra sustancia a la que llamó "nucleína" por su localización en el núcleo celular.

Encontró nucleina en el esperma de salmón:

Lo fraccionó:

Componente proteico Componente de carácter ácido (protamina) contiene fósforo (ácido

nucleico).

Tipos de ácidos nucleicos

Los 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.

Otro, abundante en el timo, llamado ácido timonucleico.

Tipos de ácidos nucleicos

Posteriormente:

• Zimonucleico: contiene ribosa, y por eso pasa a llamarse ácido ribonucleico (RNA, ARN).

• Timonucleico: contiene desoxirribosa, por lo que pasa a llamarse ácido desoxirribonucleico (DNA, ADN).

Primeros experimentos para demostrar que el DNA era la sustancia génicaOswald T Avery, Colin MacLeod y Maclyn McCarty (1944)

Cepas de neumococo rodeadas por una cápsula de polisacárido Madprime

http://www.google.com.co/imgres?imgurl=http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/c/c8/Dead_mouse.svg/375px-Dead_mouse.svg.png&imgrefurl=http://es.wikipedia.org/wiki/Archivo:Dead_mouse.svg&usg=__cFl6aPfM64rEFt3FvLZGSb--6NA=&h=218&w=375&sz=35&hl=es&start=14&itbs=1&tbnid=XVYXOlhZ6aH6lM:&tbnh=71&tbnw=122&prev=/images%3Fq%3Ddead%2Bmouse%26hl%3Des%26gbv%3D2%26tbs%3Disch:1

Madprimehttp://commons.wikimedia.org/wiki/File:Mouse.svg

Cepas de neumococo, por falta de una enzima no producen la cápsula. No son patógenas

Madprimehttp://commons.wikimedia.org/wiki/File:Mouse.svg

Una cepa virulenta sometida a calor es

inactivada.

Bacterias inactivadas con calor

Bacterias vivas sin cápsula

Mezcla de bacterias vivas sin cápsula e inactivadas por calor

Madprimehttp://www.google.com.co/imgres?imgurl=http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/c/c8/Dead_mouse.svg/375px-Dead_mouse.svg.png&imgrefurl=http://es.wikipedia.org/wiki/Archivo:Dead_mouse.svg&usg=__cFl6aPfM64rEFt3FvLZGSb--6NA=&h=218&w=375&sz=35&hl=es&start=14&itbs=1&tbnid=XVYXOlhZ6aH6lM:&tbnh=71&tbnw=122&prev=/images%3Fq%3Ddead%2Bmouse%26hl%3Des%26gbv%3D2%26tbs%3Disch:1

Bacterias vivas no virulentas

Bacterias virulentas encapsuladas

Madprimehttp://www.google.com.co/imgres?imgurl=http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/c/c8/Dead_mouse.svg/375px-Dead_mouse.svg.png&imgrefurl=http://es.wikipedia.org/wiki/Archivo:Dead_mouse.svg&usg=__cFl6aPfM64rEFt3FvLZGSb--6NA=&h=218&w=375&sz=35&hl=es&start=14&itbs=1&tbnid=XVYXOlhZ6aH6lM:&tbnh=71&tbnw=122&prev=/images%3Fq%3Ddead%2Bmouse%26hl%3Des%26gbv%3D2%26tbs%3Disch:1

DNA de bacterias inactivadas con calor

Transformación

• En conclusión:

El DNA es el responsable de la síntesis de la enzima necesaria para la formación de la cápsula y, por lo tanto, es el portador de la información genética.

Hershey y Chase, 1952

Con medio 32S, el virus se marca sólo en la cápside, las proteínas son las únicas moléculas con azufre.

Con medio 32 P, el virus se marca sólo en el DNA, que es la única molécula con fósforo.

Magnus Manskehttp://commons.wikimedia.org/wiki/File:HersheyChaseEx.png

• En conclusión:

• El DNA introducido en la bacteria contiene la información necesaria para generar nuevos virus; es decir, El DNA es el portador de la información genética

1. Componentes de los ácidos nucleicosLa hidrólisis química completa de un ácido nucleico da lugar a una mezcla equimolar de:

A. Una base nitrogenada

B. Una pentosa

C. Fosfato

Purínico

Pirimidínico

Desoxirribosa

Ribosa

1. Componentes de los ácidos nucleicos

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.

1.1. Bases nitrogenadas:

1. Pirimidina

Anillo heterociclíco

N

N2

3

4

5

6

1Praggue,http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Pyrimidine.jpeg

Derivados pirimidínicos:

Timina (T) Uracilo (U)Citosina (C)

RNADNA

1.1. Bases nitrogenadas:

1. Pirimidina

5-metil uracilo

(2,4-diceto, 5-metil pirimidina)2-ceto, 4-amino pirimidina 2,4-diceto pirimidina

CH3

1.1. Bases nitrogenadas:

2. Purina

N

N

N

NH

1

23

4

56 7

8

9

6-amino purina 2-amino 6-ceto purina

1.1. Bases nitrogenadas:

2. PurinaDerivados purínicos:

N

HN N

NH

O

Formas metabólicas de las purinas:

1. Hipoxantina: 2. Xantina:

6-ceto purina

NH

HN N

NH

O

O2,6 diceto purina

N

N N

NH

H

HOOH

O

Forma degradativa final de las purinas en los primates:

Ácido úrico:

2,6,8-triceto purina

Propiedades de las bases

1. Carácter levemente básico.

2. Solubilidad escasa en agua.

3. Espectro de absorción con máximo a 260 nm.

4. Posibilidad de formas tautoméricas.

5. Todos los reactivos de las bases son potencialmente mutagénicos.

HN

NHO

O

N

N

HO

OHFormas tautoméricas del uracilo

Forma Ceto Forma Enol

Componentes de los ácidos nucleicosLa hidrólisis química completa de un ácido nucleico da lugar a una mezcla equimolar de:

A. Una base nitrogenada

B. Una pentosa

C. Fosfato

Purínico

Pirimidínico

Desoxirribosa

Ribosa

1.2. Pentosas

La diferencia entre ambas reside en que el grupo hidroxilo (-OH) del carbono 2´ de la ribosa es sustituido por un hidrógeno en la desoxirribosa.

Adenosina(pentosa es ribosa) Desoxiadenosina

(pentosa es desoxirribosa)

OHOCH2

OHOH

N

N N

N

H2N

Enlaceb-N-glicosídico

OHOCH2

OH

N

N N

N

H2N

H

Purinas: enlace entre carbono anomérico (1’) y N9 de la base

Nucleósidos, 1

Unión de una base a una pentosa a través de un enlace de tipo b-N-glicosídico:

9-(1’-betha-D-ribofuranosil) adenina

9-(2’-desoxi, 1’-betha-D-ribofuranosil) adenina

OH O C H 2

O HO H

N

N N

N

H 2N1

2

3

45

67

891 '2 '3 '4 '

5 '

Numeración de átomos en los nucleósidos púricos

Citidina Desoxicitidina

OHOCH2

OHOH

N

N

O

NH2

OHOCH2

OH H

N

N

O

NH2

Pirimidinas: enlace entre carbono anomérico (1’) y N1 de la base

Nucleósidos, 2

1-(1’-betha-D-ribofuranosil) citosina1-(2’desoxi,1’-betha-D-ribofuranosil) citosina

Uridina

OHOCH2

OHOH

N

HNO

O

1'

2'3'

4'

5'

Numeración de átomos en los nucleósidos pirimídicos

1

2

34

5

6

1-(1’-betha-D-ribofuranosil) uracilo

Nomenclatura de los ribonucleósidosBase Nucleósido

• Adenina Adenosina• Guanina Guanosina• Hipoxantina Inosina

• Citosina Citidina• Uracilo Uridina• Timina Timidina

Bases purínicas, sufijo osina

Bases pirimidínicas, sufijo idina

Propiedades químicas de los nucleósidos

1. Incremento marcado en solubilidad con respecto a la de la base.

2. Absorción a 260 nm como las bases aisladas.

Componentes de los ácidos nucleicosLa hidrólisis química completa de un ácido nucleico da lugar a una mezcla equimolar de:

A. Una base nitrogenada

B. Una pentosa

C. Fosfato

Purínico

Pirimidínico

Desoxirribosa

Ribosa

DNA vs. RNA

OCH2

OH

N

NO

NH2

OH

OPO

-OO-

5’-nucleótido (5’-CMP)

Nucleótidos (ribonucleótidos)

3’-nucleótido (3’-CMP)

Nucleótidos (ribonucleótidos)

O

OHO H2 NN

ONH2

OHPO O-

-

O

C

2’-nucleótido (2’-CMP)

Nucleótidos (ribonucleótidos)

O2

OH

N

NO

NH2

OPOO-

O-

HOCH

OCH2

OH

N

HNO

OPO

-OO-

H

O

CH3

5’-dTMP

Nucleótidos (desoxirribonucleótidos)

3’-dCMPO

O N

HNO

PO O --

O

H

HOCH2

O

Nucleótidos (desoxirribonucleótidos)

Nomenclatura de nucleótidos

Nucleósido Nucleótido*Adenosina Adenilato

**Acido adenílico **Adenosina (mono, di, tri) fosfato

Guanosina Guanilato**Acido guanílico **Guanosina (mono, di, tri) fosfato

Uridina Uridilato**Acido uridílico **Uridina (mono, di, tri) fosfato

Timidina Timidilato**Acido timidílico **Timidina (mono, di, tri) fosfato

Citidina Citidilato**Acido citidílico **Citidina (mono, di, tri) fosfato

*Para desoxirribonucleótidos se antepone el prefijo desoxi

**Se debe especificar además la posición de los fosfatos

O N

N

N

N

NH2

OHOH

CH2OPO

-OO-

5’-Adenosina monofosfato, AMP

Nucleósido fosfato

O N

N

N

N

NH2

OHOH

CH2OPO

OO-

PO

OO-

5’-Adenosina difosfato, ADP

Nucleósido polifosfatos

5’-Adenosina trifosfato, ATP

Nucleósido polifosfato

O N

N

NN

NH2

OHOH

CH2OPO

OPO

OPO

-OO - O - O -

1. Carácter ácido debido al fosfato2. Solubilidad incrementada

respecto al nucleósido3. Máximo de absorbancia UV a

260 nm

Propiedades de los nucleótidos

O N

N

N

N

NH2

OHO

P OO

-O3’,5’ Adenosin monofosfato cíclico, cAMP

Muchas moléculas señalizadoras específicas en la célula son nucleótidos

Nucleótidos cíclicos

O N

N

N

N

NH2

OHOH

CH2OPO

OO-

PO

OO-

O N

N

N

N

NH2

OHOH

CH2OP

O

OO-

P

O

OO-

P

O-O

O-

H2O

Pi

DG = -7.6 kcal/mol

ATP

ADP

Los nucleótidos además de participar en los ácidos nucleicos tienen otras funciones:

ATP como fuente de energía

Hidrólisis de alta energía

OCH2 N

N

NN

NH2

OHOH

OPOPO O

O -O -OCH2

O

N+OH OH

Nicotinamida adenina dinucleótido, NAD+

OC H 2 N

N

N

N

N H 2

O HO H

OPOPO O

O -O -OC H 2

H C O HH C O HH C O H

C H 2

N

NN H

N O

H 3C

H 3C

OFlavina adenina dinucleótido, FAD

O

HH

OH

H

OH

CH2

H

N

NN

N

NH2

OPO

O-OP

O

O-O

H3C CH3

HO H

CNCNHSO

H

O

H

ADPPanteteína

Coenzima A

Polinucleótidos

PolinucleótidoO

-O

H2C

OP

-O

O N

NH3CO

H

O

O N

N

O

N HH

ON

N

N

N

O

NH

H

ON

N

N

N

NHH

O

-O

H2C

OP

-O

O

-O

H2C

OP

-O

O

-O

H2C

OP

-O

ON

N

N

N

OH

NH

H

H

HOCH2

OH

Extremo 5’

Extremo 3’

Enlace fosfodiéster

Extremo 3 hidroxilo

Extremo 5 fosfato

5’- pCpApTpTpGpCpGpGpApApTpGpCpC -3’

5’-CATTGCGGAATGCC-3’3’-GTAACGCCTTACGG-5’

Formas de representación de polinucleótidos

O

-O

H2C

OP

-O

O

O-

CH2

OP

O-

O

O N

NH3CO

H

O

NN

NNNH

O

O N

N

O

N HHNN

NN

NH H

O

H

O

ON

N

N

N

OH

NH

H

N N

O

NH

H

O

O-

CH2

OP

O-

O

O-

CH2

OP

O-

O

O

N

N

N

N

NHH N N

O

O

H3C

H

O

-O

H2C

OP

-O

O

-O

H2C

OP

-O

O

O

-O

H2C

OP

-O O

ON

N

N

N

OH

NH

H

N N

O

NH

H O

O-

CH2

OP

O-

H

O

-O

H2C

OP

-O

O

O-

CH2

OP

O-

O

5’

3’ 5’

3’

Polinucleótidoen doble hélice

• Exonucleasas:

Cortan enlaces fosfodiéster situados en los extremos (3’ o 5’) de una cadena polinucleotídica, y suelen atacar indistintamente ambos tipos de ácidos nucleicos.

Ruptura enzimática de polinucleótidos

Ruptura enzimática de polinucleótidos

• Endonucleasas: Cortan enlaces fosfodiéster situados en el

interior de una cadena polinucleotídica, y suelen ser específicas de cada ácido nucleico:

– Ribonucleasas– Desoxirribonucleasas

Endonucleasas de restricción, 1:1. Reconocen secuencias específicas, por

lo general palindrómicas: ______ 5’- ATCGTTGCCTACAATTGAATTCCCAATAACCCTT -3’ 3’- TAGCAACGGATGTTAACTTAAGGGTTATTGGGAA -5’

La secuencia reconocida en este caso es GAATTC

Las endonucleasas de restricción fueron identificadas en bacterias

2. Suelen romper el polinucleótido dejando extremos cohesivos:

5’- ATCGTTGCCTACAATTGAATTCCCAATAACCCTT -3’3’- TAGCAACGGATGTTAACTTAAGGGTTATTGGGAA -5’

5’- ATCGTTGCCTACAATTG3’- TAGCAACGGATGTTAACTTAA

AATTCCCAATAACCCTT -3’ GGGTTATTGGGAA -5’

Lo que permite la soldadura de fragmentos de DNA rotos por lamisma endonucleasa de restricción

Endonucleasas de restricción, 2:

3. Al reconocer secuencias relativamente largas, cortan el DNA por un número muy limitado de sitios, lo que facilita la manipulación experimental del mismo.

EcoRI GAATTCClaI ATCGATHaeIII GGCCRsrII CGGATCCG

Algunas endonucleasas de restricción:

Endonucleasas de restricción, 3:

Bibliografía

• Nelson Dl, Cox MM. Leninger Principles of biochemistry. Worth Publishers, USA, 2004, 4E.

• Watson JD, Baker TA, Bell SP, Gann A, Levine M, Losick R. Molecular Biology of the Gene. Pearson, 2004, USA, 5E.

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• Jimenez LF, Merchant H. Biología Celular y Molecular. Prentice Hall, México, 2003, 5E.

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• Brown TA. Genomes. Wiley-Liss. New York, 1999

• Klug WS, Cummings MR. Conceptos de Genética. Prentice Hall, Madrid, 1999, 5E.