Ácidos Nucleicos
Es
un polímero compuesto por residuos de nucleótido unidos en una secuencia lineal
por medio de enlaces 3´–5´ fosfodiéster. El
ADN y ARN son ácidos nucleicos compuestos por residuos de desoxirribonucleótido
y residuos de ribonucleótido, respectivamente.
Los
nucleótidos son los bloques de construcción de los ácidos nucleicos
Los
nucleótidos tienen tres componentes: un azúcar con cinco carbonos, uno o más
grupos fosfato y un compuesto nitrogenado débilmente básico llamado base.
Las
bases que se encuentran en los nucleótidos son pirimidinas y purinas
sustituidas.Los nucleótidos que contienen ribosa se llaman ribonucleótidos, y
los que contienen desoxirribosa se llaman desoxirribonucleótidos.
1.
Ribosa
y desoxirribosa
Los dos azúcares aparecen como proyecciones de Haworth de
la configuración Beta de las formas de
anillo de furanosa.
2.
Purinas
y pirimidinas
Las bases que se encuentran en los nucleótidos son
derivados de pirimidina o de purina.
La
pirimidina tiene un solo anillo de cuatro átomos de carbono y dos de nitrógeno.
La purina tiene un sistema de anillos fundidos de pirimidina y de imidazol. Los
dos tipos de bases son no saturados, con dobles enlaces conjugados. Esta
propiedad hace que los anillos sean planos, y también explica su capacidad de
absorber la luz ultravioleta.
Las
principales pirimidinas que hay en los nucleótidos son:
- · uracilo (U),
- · timina(T)
- · citosina (C).
Las principales purinas son:
·
adenina (A)
·
guanina (G)
3.
Nucleósidos
Los
nucleósidos están formados por ribosa y desoxirribosa y una base heterocíclica.
Los
nucleósidos son derivados N-ribosilo o N-desoxirribosilo de las pirimidinas o
las purinas. La designación de los átomos en las partes de purina y pirimidina
tiene preferencia.Por consiguiente, los átomos de las bases se numeran 1, 2, 3,
etc., en tanto que los del anillo de furanosa se diferencian por tener primas.
El
ribonucleósido que contiene adenina se llama adenosina su contraparte desoxi se llama
desoxiadenosina. De igual modo, los ribonucleósidos de guanina, citosina y
uracilo son guanosina, citidina y uridina, respectivamente. Los
desoxirribonucleósidos de guanina, citosina y timina son desoxiguanosina,
desoxicitidina y desoxitimidina, respectivamente.
4.
Nucleótidos
Los nucleótidos son derivados fosforilados de los
nucleósidos.
En los nucleótidos naturales, los grupos fosforilo suelen
estar unidos al átomo de oxígeno del grupo 5´-hidroxilo.
Por convención, siempre se supone que un nucleótido es un
éster de 5´-fosfato, a menos que se indique otra cosa.
Los nombres sistemáticos de los nucleótidos indican la
cantidad de grupos fosfato presentes. Por ejemplo, el éster 5´-monofosfato de
la adenosina se llama adenosina monofosfato (AMP).
El
ADN tiene doble hebra
Erwin
Chargaff había deducido ciertas regularidades en las composiciones de
nucleótidos de muestras de ADN obtenidas de gran variedad de procariotas y
eucariotas. Entre otras cosas, Chargaff observó que en el ADN de determinada
célula están presentes A y T en cantidades equimolares, así como G y C.
El
modelo de ADN propuesto por Watson y Crick en 1953 se basó en las estructuras conocidas
de los nucleósidos, sobre figuras de difracción de rayos X que obtuvieron Rosalind
Franklin y Maurice Wilkins de fibras de ADN, y en las equivalencias químicas
notadas por Chargaff. El modelo de Watson-Crick explicó las cantidades iguales
de purinas y pirimidinas al sugerir que el ADN tiene doble hebra (doble cadena)
y que las bases en una hebra se apareaban en forma específica con las bases de
la otra:
A
con T y G con C. La estructura propuesta por Watson y Crick se llama hoy
conformación B del ADN, o simplemente B-ADN.
1.
Unión
de nucleótidos por enlaces de 3´,5´fosfodiéster
La
estructura primaria de una proteína se refiere a la secuencia de sus residuos
de aminoácido unidos por enlaces peptídicos; en forma parecida, la estructura primaria
de un ácido nucleico es la secuencia de sus residuos de nucleótido unidos por
enlaces 3´,5´-fosfodiéster.
Todos
los residuos de nucleótido dentro de una cadena de polinucleótido pueden tener
la misma orientación. Entonces, las cadenas de polinucleótido tienen
direccionalidad, igual que las de polipéptido. Se dice que un extremo de una
cadena lineal de polinucleótido es 5´ (porque no hay residuo unido a su carbono
5´) y que el otro es 3´ (porque no hay residuo unido a su átomo de carbono 3´).
Por convención, la dirección de una hebra de ADN se define leyendo los átomos
que forman el residuo de azúcar.
2. Formación de una doble hélice con dos
hebras antiparalelas
La mayor parte de las
moléculas de ADN consisten de dos hebras, de polinucleótidos. Cada una de las
bases en una hebra forma puentes de hidrógeno con una base de la hebra opuesta.
La
molécula de ADN se puede visualizar como una “escalera” que se ha torcido para
formar una hélice. Las bases apareadas representan los peldaños de la escalera,
y los esqueletos de azúcar-fosfato representan los soportes. Cada hebra
complementaria sirve como una plantilla perfecta a la otra. Esta
complementariedad es responsable de la regularidad general de la estructura del
ADN de doble hebra.
3. Estabilización de la doble hélice por
fuerzas débiles
Las
fuerzas que mantienen las conformaciones nativas de las estructuras celulares
complejas tienen la fuerza suficiente para mantener las estructuras, pero la
debilidad suficiente para permitir que haya flexibilidad de conformación.
Hay
cuatro clases de interacciones que afectan la conformación del ADN de doble
hebra:
·
Interacciones de apilamiento:
Los pares de bases apilados forman contactos de van der Waals. Aunque las
fuerzas entre los pares de bases individuales apilados son débiles, son
aditivas, por lo que en las moléculas grandes de ADN los contactos de van der
Waals son una fuente importante de estabilidad.
·
Puentes
de hidrógeno: Los puentes de hidrógeno entre pares de bases forman una importante
fuerza estabilizadora.
·
Efectos
hidrofóbicos: Al sepultar los anillos hidrofóbicos de purina y pirimidina en
el interior de la doble hélice aumenta la estabilidad de la hélice.
·
Interacciones entre cargas: La
repulsión electrostática de los grupos fosfato con carga negativa en el
esqueleto es una fuente potencial de inestabilidad de la hélice de ADN.
4. Conformaciones de ADN de doble hebra
El
ADN de doble hebra puede asumir distintas conformaciones bajo condiciones
diferentes .Los estudios cristalográficos con rayos X de diversos
oligodesoxirribonucleótidos sintéticos, de secuencia conocida, indican que las
moléculas dentro de la célula no existen en una conformación B “pura”. En vez
de ello, el ADN es una molécula dinámica cuya conformación exacta depende hasta
cierto grado de las secuencia de nucleótidos.
Además
de varias formas de B-ADN, hay dos conformaciones muy diferentes del ADN. Se
forma A-ADN cuando se deshidrata el ADN, y se puede formar Z-ADN cuando están
presentes ciertas secuencias (figura 19.18). (Las formas A y B de ADN fueron descubiertas
por Rosalind Franklin en 1952).
Superenrollamiento del ADN
Esta
doble hélice relajada se puede seguir envolviendo o desenvolviendo.Si se rompen
las hebras del ADN y se tuercen los dos extremos de la molécula lineal en direcciones
opuestas. Cuando se vuelven a unir las hebras para crear un círculo, ya no hay
10.4 pares de bases por vuelta, las necesarias para mantener la conformación B
estable. La molécula circular se compensa por el envolvimiento o
desenvolvimiento formando superenrollamientos que restauran 10.4 pares de bases
por vuelta de la doble hélice. Una molécula superenrollada de ADN no quedaría
plana en una superficie. Cada superenrollamiento se compensa por una vuelta de
la doble hélice.
Diversos tipos de ARN en las células
Hay
cuatro clases principales de ARN en todas las células vivas:
·
ARN ribosómico (ARNr):
moléculas que son parte integral de los ribosomas El ARN ribosómico es la clase
más abundante de ácido ribonucleico, que forma 80% del ARN celular total.
·
ARN de transferencia (ARNt): son
moléculas que llevan a los aminoácidos activados a los ribosomas para su
incorporación a las cadenas de péptidos en crecimiento durante la síntesis de
proteínas. Forman un 15% del ARN celular
total.
·
ARN mensajero: (ARNm);
moléculas que codifican las secuencias de aminoácidos en las proteínas. Son los
“mensajeros” que llevan la información del ADN al complejo de traducción, donde
se sintetizan las proteínas. En general, el ARNm sólo forma el 3% del ARN
celular total.
·
ARN pequeño:
moléculas presentes en todas las células. Algunas moléculas pequeñas de ARN
tienen actividad catalítica o contribuyen a la actividad catalítica, asociadas
a proteínas. Muchas de esas moléculas de ARN se relacionan con eventos de
procesamiento que modifican al ARN después de que se ha sintetizado.
Empaquetamiento del ADN en cromatina, en
células eucariotas
En
1879, 10 años después del descubrimiento de la nucleína por Miescher, Walter Flemming
observó objetos en banda, en núcleos teñidos de células eucarióticas. Llamó cromatina,
al material, de chroma, que significa “color” en griego. Hoy se sabe que la cromatina
consiste en ADN con varias proteínas que empacan al ADN en una forma más
compacta.
A.
Nucleosomas
Las
proteínas principales de la cromatina se llaman histonas. La mayoría de las
especies eucarióticas tienen cinco histonas distintas, llamadas H1, H2A, H2B,
H3 y H4. Las cinco histonas son proteínas pequeñas y básicas, que contienen
numerosos residuos de lisina y arginina, cuyas cargas positivas permiten que
las proteínas se unan al esqueleto de azúcar-fosfato, con carga negativa, del
ADN.
B.
Niveles
superiores de estructura de la cromatina
El
empaquetamiento de ADN en nucleosomas reduce aproximadamente a la décima parte
la longitud de la molécula de ADN. Hay más reducción debida a mayores niveles de
empacamiento del ADN.
C.
Empacamiento
del ADN bacteriano
Las histonas sólo se encuentran en los eucariotas, pero
también el ADN procariótico está empacado con proteínas en forma condensada.
Algunas de esas proteínas se llaman proteínas similares a histonas, porque se
parecen a las histonas eucarióticas. En la mayor parte de los casos no hay
partículas definidas semejantes a nucleosomas en los procariotas, y gran parte
del ADN no se relaciona con proteínas. El ADN bacteriano está fijo en un
andamio, formando grandes bucles de unos 100 kb. Con este arreglo se convierte
el cromosoma bacteriano en una estructura llamada nucleoide.
Nucleasas e
hidrólisis de ácidos nucleicos
Las
enzimas que catalizan la hidrólisis de los fosfodiésteres en los ácidos
nucleicos tienen el nombre colectivo de nucleasas. Hay diversas nucleasas en
todas las células. Algunas se requieren para la síntesis o reparación del ADN.
Las
enzimas que catalizan la hidrólisis de los fosfodiésteres en los ácidos
nucleicos tienen el nombre colectivo de nucleasas. Algunas se requieren para la
síntesis o reparación del ADN, en tanto
que otras se necesitan en la producción o degradación del ARN celular
Las
nucleasas específicas se llaman ribonucleasas (ARNasas) y desoxirribonucleasas
(ADNasas). Las nucleasas se pueden clasificar como exonucleasas o
endonucleasas. Las exonucleasas catalizan la hidrólisis de enlaces fosfodiéster
para liberar residuos de nucleótido sólo de un extremo de una cadena de
polinucleótidos. Las endonucleasas catalizan la hidrólisis
de enlaces fosfodiéster en distintos sitios en el interior
de una cadena de polinucleótidos.
A.
Hidrólisis
alcalina del ARN
La
hidrólisis alcalina del ARN requiere un grupo 2´-hidroxilo. En el primero y
segundo pasos, los iones hidróxido sólo actúan como catalizadores, ya que al
eliminar un protón del agua se regenera un
ion hidróxido por cada ion hidróxido consumido. Al romperse cada enlace fosfodiéster, la
cadena de polirribonucleótidos se despolimeriza rápidamente.
B. Hidrólisis de ARN catalizada por
ribonucleasa
La
ribonucleasa pancreática bovina A (RNasa A) consiste en una sola cadena de
polipéptido, de 124 residuos de aminoácidos con enlaces cruzados por cuatro
puentes de disulfuro.
La
enzima tiene un pH óptimo aproximado de 6. La RNasa A cataliza la ruptura de
enlaces de fosfodiéster en moléculas de ARN en los enlaces 5´-éster.
En cadenas representadas en la dirección 5´→ 3,
la escisión sucede a la derecha de los residuos de
nucleótido de pirimidina. Entonces, la hidrólisis de una hebra con la secuencia
pApGpUpApCpGpU, catalizada por RNasa A, produce pApGpUp + ApCp + GpU.
La
RNasa A contiene tres residuos iónicos de aminoácido en el sitio.
C.
Endonucleasas
de restricción
Las
endonucleasas de restricción son una subclase importante de endonucleasas que
actúan sobre el ADN. El término endonucleasa de restricción se deriva de la
observación que ciertas bacterias pueden bloquear infecciones de bacteriófagos
(virus) destruyendo en forma específica al ADN del bacteriófago. Esas bacterias
restringen la expresión de ADN extraño.
Muchas
especies de bacterias sintetizan las endonucleasas de restricción que se unen a
ADN extraño y lo rompen.
Esas
endonucleasas reconocen secuencias específicas en el ADN, y cortan ambas hebras
del ADN en el sitio de unión, produciendo fragmentos grandes que degradan
rápidamente las exonucleasas. El ADN del bacteriófago se rompe y se degrada
antes de que se puedan expresar los genes.
La
mayor parte de las endonucleasas de restricción (también se llaman enzimas de restricción)
se pueden clasificar en tipo I o tipo II. Las endonucleasas de restricción tipo
I catalizan tanto la metilación del ADN huésped como la ruptura de ADN no metilado
en una secuencia específica de reconocimiento. Las endonucleasas de restricción
del tipo II son más simples, porque sólo pueden romper ADN de doble hebra con
una secuencia de reconocimiento no metilada o cerca de ésta; no poseen una
actividad de metilasa.
D. Unión firme de EcoRI a ADN
Las
endonucleasas de restricción se deben enlazar fuertemente al ADN para reconocer
determinada secuencia y romper en determinado sitio. La estructura de EcoRI unida
al ADN se ha determinado por cristalografía con rayos X.
Usos de las endonucleasas de restricción
Las
endonucleasas de restricción se descubrieron hace más de 35 años. Las primeras enzimas
purificadas se convirtieron pronto en medios importantes para manipular ADN en
el laboratorio. Uno de los primeros usos fue para desarrollar mapas de
restricción de ADN; esto es, diagramas de moléculas de ADN que muestran sitios
específicos de escisión.
Esos
mapas son útiles para identificar fragmentos de ADN que contienen genes específicos.
El descubrimiento de las endonucleasas de restricción pronto permitió la
creación de moléculas de ADN recombinante, uniendo o recombinando, fragmentos diferentes
de ADN producidos por las enzimas.
La
tecnología necesaria para construir mapas de restricción de sitios de ruptura
de endonucleasa fue desarrollada en la década de 1970. Pronto se vio que se
podía usar el procedimiento para identificar los sitios de mutaciones o
variaciones, en el genoma de una población.
Aplicación
de ácidos nucleicos en Farmacia
Los
derivados de los nucleótidos son una parte importante e integral dentro del
funcionamiento de los organismos, desarrollando múltiples funciones, energética,
vitamínica, enzimática.
Son
parte de muchos medicamentos farmacéuticos que en la actualidad son muy
utilizados para el trato de diferentes enfermedades.
Las
partes funcionales de muchas vitaminas son nucleótidos con estructuras análogas
a nucleótidos de purinas y pirimidinas.
S-adenosil metionina derivado de la
adenosina
Es
necesaria para el crecimiento y la reparación celular. Participa en la
biosíntesis de diversos neurotransmisores
y hormonas que afectan al estado de ánimo, como la dopamina y la
serotonina.
La
S-adenosil se vende como un suplemento alimenticio bajo el nombre comercial de
SAM-e. Diversas investigaciones indican que la ingesta de SAM de forma regular
puede ayudar a combatir la depresión, las enfermedades del hígado y dolor de la
artrosis.
Análogos de ácidos nucleicos
Los
análogos de ácidos nucleicos son compuestos con una estructura similar
(análoga) a la de los ácidos nucleicos que aparecen en la naturaleza, ARN y
ADN, son utilizados en investigaciones médicas y biomoleculares.
Varios
análogos de nucleósidos son utilizados como agentes antivirales o
anticancerígenos. Actúan interfiriendo con la síntesis de ácidos nucleicos
causando amplias mutaciones que hacen inviable al virus o a las células
cancerígenas que los utilizan. Estos compuestos se convierten en activos dentro
de las células al ser convertidos en nucleótidos, siendo administrados en forma
de nucleósidos ya que la carga otorgada por el grupo fosfato de los nucleótidos
dificulta que estos puedan cruzar con facilidad las membranas celulares.
Plásmidos
Son
estructuras de ADN de cadena doble que existen en procariotas y eucariotas.
Son
relativamente fáciles de purificar y manipular. Inicialmente se utilizó para
tratar enfermedades monogenicas pero hoy en dia
incluye patologías de etiología más compleja como Parkinson, Alzheimer y
cáncer. También se emplean actualmente
como vacunas de ADN que confieren inmunización genética.
Aptameros
Son ácidos
nucleicos que no existen naturalmente. Para su creación se sintetizan diferentes
cadenas de oligonucleótidos en forma aleatoria, las cuales se incuban con las
moléculas blancas de interés.
United
States Food and Drug Administration, FDA aprobó el primer aptamero de uso
terapéutico. Se trata de un fármaco antiangiogenico para el tratamiento de la
degeneración macular neovascular asociada a la edad.
Se
llama Pegaptanib y actúa por unión al factor de crecimiento del endotelio
vascular, cuya actividad inhibe.
También
se utilizan para:
Sintetizar
insulina humana
Así
como el descubrimiento de la estructura del ADN ejerció una gran influencia
sobre el conocimiento de la base molecular de la herencia y de la genética, la
determinación de la secuencia de la insulina constituyó la clave para
comprender la estructura y la función de las proteínas.
Era
lógico pensar que si la insulina tenía una secuencia definida y genéticamente
determinada, también la tuvieran las demás proteínas. El mecanismo por el cual
se fabrican o sintetizan las proteínas es tan fascinante como complejo y su
conocimiento proporciona una parte importe de las herramientas básicas de la
biología molecular.
Interferón
La
presentación de Interferón alfa-2b es como polvo en un frasco para mezclarlo
con líquido y como solución para inyectar ya sea por vía subcutánea (debajo de
la piel), intramuscular (en el músculo), intravenosa (en la vena) o
intralesional (en una lesión)
El
Interferón alfa-2a se encuentra en una clase de medicamentos llamados
interferones. Interferón alfa-2b funciona para tratar el virus de la hepatitis
C (HCV) y el virus de la hepatitis B (HBV) al disminuir la cantidad del virus
en el cuerpo.
Interferón
alfa-2b también se usa algunas veces para tratar el virus de hepatitis D (HDV;
inflamación del hígado causada por un virus), carcinoma de células basales (un
tipo de cáncer de piel), linfomas de células T cutáneas (CTCL, un tipo de
cáncer de piel) y cáncer de los riñones.
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