Ud.6. ac. nucleicos

Biología. 2º bachilleratoUnidad 6. Los ácidos nucleicos

C.E.M HIPATIA-FUHEMProfesor: Miguel Ángel Madrid

6 Los ácidos nucleicos



Lectura inicialUna mañana de marzo, dos jóvenes científicos, el físico Francis Crick y el biólogo James Watson anunciaron que habían conseguido revelar la estructura del ADN. Este descubrimiento, que revolucionó el mundo de la biología, fue anunciado en 1953, pero había empezado unos años antes.En 1951 Watson, se instaló en Cambridge para compartir con Crick, la aventura de determinar la estructura del ADN. En este momento, la única tecnología disponible para visualizar la estructura de grandes moléculas era la difracción de rayos X, que consistía en algo parecido a radiografiar una molécula.Paralelamente, la fisicoquímica Rosalind Franklin y el biofísico Maurice Wilkins realizaban estudios cristalográficos de difracción de rayos X sobre moléculas de ADN. En 1952 Rosalind Franklin obtuvo una fotografía de difracción por rayos X que reveló la estructura helicoidal de la molécula de ADN. Wilkins, sin el consentimiento de Franklin, hizo llegar la fotografía a Watson y Crick. Esa imagen constituyó uno de los datos definitivos que les llevó a pensar que la estructura del ADN estaba formada por una doble hélice, y no triple como se pensaba.Rosalind Franklin murió en 1958, a los 37 años de edad, víctima de un cáncer. Cuatro años después, Watson, Crick y Wilkins recibieron el Premio Nobel de Medicina y Fisiología por sus aportaciones al descubrimiento de la estructura del ADN.La inestimable aportación de R. Franklin a este descubrimiento no fue reconocida ni en vida ni de manera póstuma, aunque poco a poco la historia comienza a reconocer su labor.

Rosalind Franklin

Molecula de ADN

Watson y Crick



Hallan bases nitrogenadas en un meteorito

El descubrimiento hace pensar que parte del material necesario para la formación de las primeras moléculas de ADN y ARN en nuestro planeta podría haber procedido del espacio.

Noticia inicial

Diario de la Ciencia

Científicos de Europa y Estados Unidoshan publicado, en junio de 2008, losresultados de una investigación en laque se descubrieron precursores deácidos nucleicos en unos fragmentosde roca del meteorito Murchison, que seestrelló en Australia en 1969. Lasmoléculas descubiertas incluyen el uracilo y la xantina, precursores de las que forman el ácido desoxirribonucleico y el ácido ribonucleico, respectivamente. En investigaciones anteriores en estos mismos fragmentos se habían observado diversos aminoácidos, como la glicina o la alanina. Para descartar que las nuevas moléculas encontradas pudieran proceder de una posible contaminación terrestre, se han hecho diversos análisis que han mostrado la presencia de un isótopo de carbono-13, más pesado que el habitual, el carbono- 12, que hay en los organismos

terrestres y que principalmente se forma en el espacio. Los autores del estudio, el doctor Zita Martins y el profesor Mark Sephton, del Imperial College, han afirmado que la investigación puede proporcionar nuevas pistas que expliquen el origen de la vida en nuestro

planeta, ya que hace 4 500 a 3 800 millones de años numerosos meteoritos, muchos de ellos similares al meteorito Murchison, cayeron sobre la Tierra y podrían haber aportado el material orgánico necesario para la formación de los primeros ácidos nucleicos.



6 Los ácidos nucleicos

1. Componentes de los A. N: Nucleósidos y nucleótidos1. Concepto y estructura general2. Enlace N-glucosídico y éster.

2. Otros nucleótidos libres en la célula (no nucleicos).3. Enlace fosfodiéster4. ADN

1. Estructura y función (modelo Watson y Crick)2. Organización del ADN en procariotas: ADN circular cerrado.3. Organización del ADN en eucariotas: nucleosoma,

cromatina y cromosomas.

5. ARN



Ácidos nucleicos: polímeros formados por la unión de nucleótidos (monómeros)

1. Componentes de los A. N

¿De qué están formados?




Ion fosfato Pentosa Base nitrogenada

+ +




Ion fosfato

La molécula de ácido fosfórico (en forma de grupo fosfato). Los nucleótidos tienen un fuerte carácter ácido

debido a que el ácido fosfórico se ioniza.



Composición química

β-D -Ribosaβ-D - Desoxirribosa

ARN ADN


+ +BASES NITROGENADAS

1`

2`3`

4`

5`

1`

2`3`

4`

5`



Composición química


+ +

Adenina Guanina

Bases púricas Bases pirimidínicasUracilo

Citosina

Timina

ADN, ARN

ARN ADN

ADN, ARNADN, ARN

PENTOSAS VOLVER



Bases púricasA, G

Bases pirimidínicasC,T, U

4

23

4

56

1

2

3

1

5

6

Numeración de las bases nitrogenadas

7

89



Formación de un nucleósido

Desoxirribosa

+Citosina

H2O

NUCLEÓSIDO

Desoxicitidina5´

Se denomina nucleósido a la molécula que resulta de la unión entre la pentosa (ribosa o desoxirribosa) y una

base nitrogenada.

El enlace que se produce se denomian N-glucosídico y se establece, con pérdida de una molécula de agua, entre el –OH del C1 de la pentosa y el hidrógeno del N1,

si se trata de una base pirimidínica (C,T,U), o el N9, si es una base púrica (A,G).

1

1´5´

2´3´

4´



• La unión de la base nitrogenada con la pentosa se realiza mediante un enlace N-glucosídico entre en C1 de la pentosa y el nitrógeno que ocupa la posición 1 en las bases pirimidínicas y el nitrógeno de la posición 9 en las bases púricas.

• Esta molécula recibe el nombre de nucleósido y pueden ser ribonucleósidos o desoxirribonucleósidos.

13



Formación de un nucleótido

NUCLEÓSIDO

1+ NUCLEÓTIDO

H2O

Desoxicitidina-5’-monofosfato

Ácido fosfórico

Se denomina nucleótido a la molécula que resulta de la unión de un nucleósido a un ácido fosfórico, mediante

enlace éster.

El enlace éster se produce entre el grupo hidróxilo (–OH) del carbono 5`de la pentosa y el grupo fosfato.



¿Cómo nombramos a los nucleótidos?

Adenosina monofosfato (dAMP)

Guanosina monofosfato (d>GMP)

Timidina monofosfato (dTMP)

Citidina monofosfato (dCMP)



2. Nucleótidos no nucleicos

Se encuentran libres en la célula o intervienen en el metabolismo y en su regulación como activadores de enzimas, aportando energía en las reacciones celulares y como coenzimas. Dos tipos:

1. Nucleótidos acumuladores de energía

2. Nucleótidos coenzimáticos



ATP

ENLACE ÉSTER (altamente energético, (7,3 Kcal/mol)

Moléculas transportadoras de energía




2. Nucleótidos no nucleicos

P

FOSFORILACIÓNDESFOSFORILACIÓN

P

E

E

En las reacciones exotérmicas se libera energía, y se forma ATP

En las reacciones endotérmicas se consume energía, y se hidroliza el ATP




Adenosín-trifosfato (ATP)

OHO — P — O — P — O — P — O —

H

CH2

OH OH

H

Adenina

HH

OHOH OH

OO O

ATP

ATP + H2O → ADP + Pi + energía (7,3 kcal/mol)

ADP + H2O → AMP + Pi + energía (7,3 kcal/mol)

ADP

AMP

OHO — P — O — P — O —

H

CH2

OH OH

H

Adenina

HH

OH OH

O O

O HO — P — O —

H

CH2

OH OH

H

Adenina

HH

OH

O



AMPc (2º mensajero): nucleótido de Adenina cuyo fosfórico está esterificado en los carbonos 5`y 3`de la ribosa



La unión de moléculas mensajeras (como hormonas o neurtotrasmisores) a receptores específicos de la membrana provocan la activación del AMPc, que a su vez activa enzimas que intervienen en determinadas reacciones metabólicas.



2. Nucleótidos que actúan como coenzimas

¿Qué es un coenzima?Moléculas orgánicas, no proteicas, que intervienen en las reacciones catalizadas por enzimas, actuando, generalmente, como transportadores.

Para que lo entiendas mejor…Los átomos de hidrógeno desprendidos en las reacciones de oxidación son captados por estas moléculas que actúan como transportadoras de H.

¿Qué moléculas tienen función coenzimática?NAD+, NADP+, FAD…



Ejemplos de nucleótidos que actúan como coenzimas

NAD (Nicotin Adenin Dinucleótido)




FAD (Flavin Adenin Dinucleótido)




FMN (Flavin Mono Nucleótido)



Coenzima A

• Es un derivado del ADP. Interviene en procesos metabolicos como transportador de grupos acilo (R-CO-) procedentes de ácidos orgánicos.

• El acetil CoA, un derivado de la CoA con gran importancia en el metabolismo celular.



NAD+ + 2 e + 2 H + NADH + H+

Forma oxidada Forma reducida

NAD+ , FAD, FMN, NADP son coenzimas que participan en reacciones de deshidrogenación (para ello toman H+ y electrones de algunas moléculas y quedan con forma reducida: NADH, NADPH, FADH2, FMNH2)



3. Enlace fosfodiéster

Se establece entre el radical fosfato situado en el carbono 5`de un nucleótido y el radical –OH del C 3`del nucleótido siguiente (enlace 5´ 3`)



Cadenas de ácidos nucleicos

Adenosina-5’-monofosfato

Uridina-5’-monofosfato

Citidina-5’-monofosfato

+

+Enlace fosfodiéster

Extremo 5’

Extremo 3’

ARN de tres nucleótidos A-U-C

H2O

H2O



4. Estructura del ADN



Friedrich Miescher, trabajando en el laboratorio de Félix Hoppe-Seyler, con núcleos de leucocitos, en el Castillo de Tübingen (Alemania), descubrió en 1869 el DNA, al que llamó “nucleína”

“Me parece que va a emerger una completa familia de estas nucleínas que contienen fósforo que quizá merezca igual consideración que las proteínas”



LOCALIZACIÓN

Procariotas: ADN CIRCULAR DOBLE CADENA (nucleoide, cromosoma bacteriano)

PLÁSMIDOS



DNA de Escherichia coli

Una sola molécula circularcuya circunferencia mide1 mm

Tiene un peso molecular deaproximadamente 109



LOCALIZACIÓN

Eucariotas: ADN + proteínas histonas y no histonas= cromatina cromosoma (varias moléculas según la especie)

ADN dc mitocondrias y cloroplastos



LOCALIZACIÓN

Virus: ADN ó ARN (monocatenario, bicatenario, lineal, circular…)



FUNCIÓN: Almacenar la información genética (contiene los mensajes e instrucciones para que las células realicen sus funciones) Es decir, lleva codificada la información a partir de la cual se forma un organismo vivo, por lo que constituye el material genético

ADN humano: 5,6 x 109 pares de nucleótidos.Son posibles 4 5 600 000 000 ADN diferentes



El ácido desoxirribonucleico (ADN) - Estructura

ESTRUCTURA PRIMARIA ESTRUCTURA SECUNDARIA ESTRUCTURA TERCIARIA

Secuencia de nucleótidos Doble hélice ADN superenrollado



El ácido desoxirribonucleico (ADN). Estructura primaria

Extremo 5’

Extremo 3’



El ácido desoxirribonucleico (ADN). Estructura secundaria

Parejas de bases

Parejas de bases



ANTECEDENTES

CHRGAFF 1940:Estudio de ADN de especies diferentes

Nº b. púricas = nº b. pirimidínicasA = T ; G = C

A/T = 1 ; G/C = 1A+ G = C + T

A + T / G + C = valor característico para cada organismo



1865 1953 - Franklin & WilkinsLa naturaleza helicoidal del DNA

Fuente de rayos X

DNA cristalizado

Rosalind Franklin

Fotografía 51

Maurice Wilkins

Film fotográfico



Diámetro de ADN 2 nm



1953 - Watson & Crick1865

Descripción de la estructura tridimensional del DNA

Francis Crick & James Watson




Que dedujeron de:

Datos de R. Franklin• hélice doble• ancho uniforme de 2 nm• bases separadas por 0.34 nm Chargaff• la adenina se aparea con la timina• la citocina se aparea con la guanina




¿Que dedujeron ellos mismos?

• Las bases están hacia adentro, y los fosfatos y las azucares hacia afuera

• Enlaces de hidrógeno

• Hebras antiparalelas



El ácido desoxirribonucleico (ADN). Estructura secundaria

Puente de hidrógeno

Extremo 3’

Extremo 5’Extremo 3’

Extremo 5’

Diámetro del ADN (20 Ǻ)

Lo

ng

itu

d d

e u

na

vu

elt

a d

e h

éli

ce

(3

4 Ǻ

) Dis

tan

cia

en

tre u

n p

ar d

e b

as

es

(3,4

Ǻ)



Inclinación de bases distinta. En humedad baja solo enlaboratorio. (nunca en condicionesfisiológicasHélice dextrógira

Disposición zig-zagLevógiraMás larga y más estrecha que la forma B12 pares de bases por vuelta

Descrita por Watson y CrickForma en la que el ADN Interacciona en el núcleoHélice dextrógira



ADN AADN ZADN B



El ácido desoxirribonucleico (ADN)

– Estructura terciaria



El ácido desoxirribonucleico (ADN) – Estructura terciaria

Fibra de cromatina compacta

Primer nivel de empaquetamiento

Fibra de cromatina 100 A (10 nm)

“collar de perlas”

SEGUNDO NIVELDE EMPAQUETAMIENTO

TERCER NIVELDE EMPAQUETAMIENTO

NIVELES SUPERIORESDE EMPAQUETAMIENTO

Histona H1

10

0 Ǻ

(1

0 n

m)



Dos vueltas de la doble hélice Del ADN

2 nm



El ácido desoxirribonucleico (ADN). Estructura terciaria

Segundo nivel de empaquetamiento

Fibra de cromatina de 300 A (30 nm)

Solenoide

30

0 Ǻ

Nucleosoma

Nucleosoma

Histona H1

6 nucleosomas por vuelta



El ácido desoxirribonucleico (ADN)

– Estructura terciaria



El ácido desoxirribonucleico (ADN). Estructura terciaria

Tercer nivel de empaquetamiento

Bucle

Andamio proteico



El ácido desoxirribonucleico (ADN) – Estructura terciaria

Niveles superiores de empaquetamiento

Proteínas SMC



Tipos de ADN

BICATENARIO

LinealParvovirus

CircularOX174

LinealCromosomas humanos

CircularCromosomabacteriano

Superenrollado

Concatenado

MONOCATENARIO



La doble hélice de ADN en estado natural es muy estable; pero, si se calienta, cuando la temperatura llega aproximadamente a 100°C, las dos hebras de la doble hélice se separan, se produce la desnaturalización del ADN.

Si posteriormente se mantiene el ADN desnaturalizado a 65°C, las dos hebras vuelven a unirse.

Esta restauración de la doble hélice es lo que se llama renaturalización y es lo que permite la hibridación si se parte de hebras de distintos ADN

Desnaturalización – renaturalización del ADN



Ácido Ribunucleico ADN

Formado por…Ribonucleótidos de A, G, C, U (pueden aparecer otras bases raras o sus derivados metilados).

Estructura…Generalmente bicatenario (en algunos virus bicatenario)En monocatenrarios pueden aparecer horquillas y/o bucles

FunciónDirigir la síntesis de proteínas a partir de la información obtenida del ADN.Todos los ADN se forman a partir de ADN, tomando una parte de él como molde (lo que hace que sean complementarios)En los virus, que carecen de ADN, se encarga de almacenar y trasmitir la información genética

Localización…Eucariotas: núcleo y citoplasma



HORQUILLAS BUCLES



•Es monocatenario, básicamente lineal, y con un peso molecular que oscila entre 200.000 y 1.000.000.

•Su función es transmitir la información contenida en el ADN y llevarla hasta los ribosomas, para que en ellos se sinteticen las proteínas a partir de los aminoácidos que aportan los ARNt.

•El ARNm tiene una estructura diferente en procariotas y en eucariotas.•En eucariotas es monocistrónico (con información para la síntesis de una proteína), en procariotas es policistrónico.

EL ARN MENSAJERO (ARNm)



• Presenta algunas zonas (pocas) en doble hélice, por complementariedad de bases entre distintos segmentos, y zonas lineales que dan lugar a los llamados lazos en herradura.

• El ARNm eucariótico se forma a partir del transcrito primario (pre-ARNm), también llamado ARN heterogéneo nuclear (ARNhn), nombre que hace referencia a la variabilidad de su tamaño.

• Posee una serie de segmentos con información, denominados exones, alternados con otros sin información denominados intrones, que luego son suprimidos y no aparecen en el ARNm.

• Este proceso se denomina maduración y se produce en el núcleo.

El ARNm eucarióticoEl ARNm eucariótico



• El ARNm eucariótico posee en su extremo 5' una guanosina trifosfato invertida y metilada en el nitrógeno 7 (m7 Gppp).

• Esta molécula, que recibe el nombre de caperuza, bloquea la acción de enzimas exonucleasas que pueden destruir el ARNm, y constituye la señal de inicio en la síntesis de proteínas.

• A continuación, hay un segmento sin información, seguido de otro segmento con información que suele empezar con la secuencia AUG.

Estructura del ARNm eucarióticoEstructura del ARNm eucariótico



• En el extremo 3' o extremo final posee de 150 a 200 nucleótidos de adenina, lo que se denomina «cola» de poli-A. Es un estabilizador frente a las exonucleasas.

• Entre la síntesis y la degradación del ARNm no transcurren más que unos cuantos minutos, para evitar una superproducción de proteínas.

• El ARNm eucariótico es monocistrónico, es decir, sólo contiene información para una cadena polipeptídica.



•Tiene entre 70 y 90 nucleótidos y se encuentra disperso en el citoplasma.•Hay unos cincuenta tipos de ARNt. •Constituye el 15% del ARN de la célula.•Su función es transportar aminoácidos específicos hasta los ribosomas, donde, según la secuencia especificada en un ARN mensajero (transcrita, a su vez, del ADN), se sintetizan las proteínas. •Las diferencias entre los ARNt son debidas fundamentalmente a una secuencia de tres bases nitrogenadas, denominada anticodón.•Entre los nucleótidos que forman los ARNT, además de A, G, C y U, aparecen otros que llevan bases metiladas, como la dihidrouridina (UH2 ), la ribotimidina (T), la inosina (I), la metilguanosina (GMe), etcétera, que constituyen el 10 % de los ribonucleótidos totales del ARNt.

EL ARN DE TRANSFERENCIA (ARNt).



• El ARNt es monocatenario, pero presenta zonas con estructura secundaria en doble hélice, y zonas con estructura primaria o lineal, que forman asas o bucles, lo que confiere a la molécula una forma de hoja de trébol.

• En ella se distingue:

Brazo D: Unión con el enzima que cataliza la unión a los aminoácidos.

Brazo T: Lleva timina Brazo A (del anticodón). Extermo 3’: aceptor de aminoácidos Extremo 5’: Siempre lleva guanina y un

grupo fosfórico libre.



ARN de transferencia

Guanina (en el extremo 5’)

Brazo aceptor

Puentes de hidrógeno

Anticodón

Codón

Brazo D y su asaBrazo T y su asa

Ribotimidina

Alanina

Dihidrouridina

Brazo anticodón y su asa

ARNm



•Es el ARN que constituye, en parte, los ribosomas. Este tipo de ARN representa el 60% del peso de dichos orgánulos. •El ARNr presenta segmentos lineales y segmentos en doble hélice.•El ARNr está asociado con las proteínas ribosómicas (más de 70), formando una estructura relacionada con la síntesis de proteínas (da alojamiento al ARNm y a los ARNt, portadores de los aminoácidos que formarán las proteínas durante dicho proceso).

• El peso molecular del ARNr oscila entre 500.000 y 1.700.000.

• En general, el peso de los ARNr y de los ribosomas se suele expresar según el coeficiente de sedimentación (s) de Svedberg. Las células procariotas presentan ribosomas de 70 S, menor peso que los de las células eucariotas, de 80 S

EL ARN RIBOSÓMICO (ARNr)



• Es un ARN que se encuentra constituyendo, en parte, el nucléolo.

• Se origina a partir de diferentes segmentos de ADN, uno de los cuales se denomina región organizadora nucleolar (NOR).

• A partir de todos ellos se forman las dos subunidades ribosómicas, una de 40 S y otra de 60 S, que atraviesan la envoltura nuclear y se unen en el citoplasma, dando lugar a un ribosoma de 80 S.

EL ARN NUCLEOLAR (ARNn).



Ribozimahammerhead

Participan en el procesado del RNA transcrito primario y en la formación de enlace peptídico en la síntesis de proteínas.

Se ha observado la existencia de ARN con función biocatalizadora (ribozimas), por lo que se ha sugerido que, en el origen de la vida, los ARN pudieron ser las primeras moléculas capaces de auto duplicarse. Después, sería el ADN el encargado de guardar la información genética, ya que su cadena es más estable.



Diferencias entre DNA y RNA

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