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Introducción

Como clase, los nucleótidos pueden considerarse como uno de los más importantes metabolitos de la célula. Los nucleótidos se encuentran principalmente como unidades monoméricas que forman los principales ácidos nucleicos de la célula, ARN y ADN. Sin embargo, los nucleótidos se requieren para otras varias funciones importantes de la célula. Estas funciones incluyen:

1. sirven como almacenamiento de energía para uso futuro en reacciones de transferencia de fosfatos. Estas reacciones se realizan predominantemente por el ATP

2. forman parte de varias coenzimas importantes como NAD+, NADP+, FAD y coenzima A.

3. sirven como mediadores de importantes procesos celulares como segundos mensajeros en eventos de señalización intracelular. El mensajero intracelular predominante es el AMP-cíclico (cAMP), un derivado cíclico del AMP formado a partir del ATP.

4. controlan varias reacciones enzimáticas por medio de efectos alostéricos en la actividad de las enzimas.

5. sirven como intermediarios activados en varias reacciones de biosíntesis. Estos intermediarios activados incluyen a la S-adenosilmetionina (S-AdoMet o SAM) involucrada en reacciones de transferencia de grupos metilo así como también en la síntesis azúcares conjugados con nucleótidos de glicógeno y glucoproteínas.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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Estructura de los Nucleósidos, Nucleótidos y su Nomenclatura

Los nucleótidos que se encuentran en las células son derivados de los compuestos heterocíclicos altamente básicos, purina y pirimidina.


estructuras de bases de purina y pirimidina


Es el aspecto básico de los nucleótidos que les ha dado el término común de "bases" cuando están asociados con los nucleótidos presentes en el ADN y ARN. Existen 5 clases principales de bases que se encuentran en las células. Los derivados de la purina se llaman adenina y guanina, y los derivados de la pirimidina se llaman timidita, citosina y uracilo. Las abreviaciones comunes que se utilizan para estas cinco bases son A, G, T, C, y U.

Formula de la base Base (X=H) Nucleósido X=ribosa o desoxirribosa Nucleótido=ribosa fosfato
Citosina nucleobase estructura Citosina, C Citidina, C Citidina monofosfato, CMP
Uracilo nucleobase estructura Uracilo, U Uridina, U Uridina monofosfato, UMP
Timina nucleobase estructura Timina, T Timidina, T (solamente desoxirribosa) Timidina monofosfato, TMP
Adenina nucleobase estructura Adenina, A Adenosina, A Adenosina monofosfato, AMP
Guanina nucleobase estructura Guanina, G Guanosina, G Guanosina monofosfato, GMP

Las bases de purina y pirimidina en las células están unidas a los carbohidratos y en esta forma se denominan, Nucleósidos. Los Nucleósidos están acoplados a la D-ribosa o a la 2'-deoxi-D-ribosa a través de un enlace β-N-glicosídico entre el carbón anomérico de la ribosa y el N9 de una purina o el N1 de una pirimidina.

La base puede existir en 2 orientaciones distintas en relación al enlace glicosídico-N. Estas conformaciones se conocen con el nombre de, sin y anti. Es la conformación anti la más predominante en los nucleótidos naturales.

estructuras syn-adenosina y anti-adenosina

Los Nucleósidos se encuentran en la célula principalmente en su forma fosforilada. A estos se los llama nucleótidos. El sitio mas común de fosforilación de los nucleótidos de la célula es el grupo hidroxilo que esta unido al carbono-5' de la ribosa. Los átomos de carbono presentes en la ribosa de los nucleótidos se designan con una marca prima (') para distinguirlos de la numeración del esqueleto de las bases. Los nucleótidos pueden existir en las formas mono-, di-, o tri-fosforiladas.

Los nucleótidos reciben distintas abreviaciones para permitir la fácil identificación de su estructura y su estado de fosforilación. La forma monofosforilada de la adenosina (adenosina-5'-monofosfato) se escribe como, AMP. Las formas di- y tri-fosforiladas se escriben como, ADP y ATP, respectivamente. El uso de estas abreviaciones asume que el nucleótido esta en la forma fosforilada-5'. Los di- y tri-fosfatos de los nucleótidos están unidos por enlaces anhidro-ácidos. Los enlaces anhidro-ácidos tienen alta ΔG0' para su hidrólisis dándoles un gran potencial para transferir fosfatos a otras moléculas. Es esta propiedad de los nucleótidos que les permite participar en reacciones de grupos de transferencia dentro de la célula.

Los nucleótidos que se encuentran en el ADN son únicos diferentes de aquellos que están en el ARN en que la ribosa se encuentra en su forma 2'-deoxi y la abreviación de los nucleótidos contiene una "d" para su designación. La forma monofosforilada de la adenosina que se encuentra en el ADN (deoxiadenosina-5'-monofosfato) se escribe como dAMP.

El nucleótido de uridina nunca se encuentra en el ADN y la timidina se encuentra casi exclusivamente en el ADN. La timidina se encuentra en el tARN pero no en el rARN o el mARN. Existen varias bases menos comunes que se encuentran en el ADN y ARN. La base modificada abundante en el ADN es la 5-metilcitosina. Una variedad de bases modificadas aparecen en el tARNs. Muchos nucleótidos modificados se encuentran fuera del contexto del ADN y ARN y tienen funciones biológicas importantes.

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Derivados de la Adenosina

El derivado mas común de la adenosina es la forma cíclica, 3',5'-monofosfato de adenosina cíclica, cAMP. Este compuesto es un poderoso segundo mensajero involucrado en la transferencia de eventos de señales de transducción desde la superficie de la célula a proteínas internas, e.g. proteína-cinasa dependiente de cAMP, PKA (ver la Figura abajo). La PKA fosforila a varias proteínas, por tanto, afecta su actividad positiva o negativamente. El cAMP también esta involucrado en la regulación de canales iónicos mediante una interacción directa con las proteínas del canal, e.g. en la activación de receptores olfatorios por moléculas odoríferas.

La formación del cAMP se da en respuesta a la activación de la adenilciclasa asociada a receptores. Estos receptores pueden ser de cualquier tipo, e.g. receptores de hormonas o receptores de odoríferos.

Glucagón mediada por la activación de PKA

Vía que representan la activación de la proteína-cinasa dependiente de cAMP, PKA. En este ejemplo el glucagón se une a su receptor en la superficie de la célula, activando su receptor. La activación del receptor esta acoplada a la activación de una proteína-G unida al receptor (proteína que se une e hidroliza al GTP) compuesto de 3 subunidades. Luego de la activación, la subunidad-α se disocia y se une y activa a la adenilciclasa. La adenilciclasa entonces convierte al ATP en cAMP. El cAMP así producido se une a las subunidades regulatorias de la PKA llevando a su disociación de las unidades catalíticas. Las unidades catalíticas son inactivas hasta que se disocian de las subunidades regulatorias. Una vez liberadas las unidades catalíticas de la PKA fosforilan varios sustratos utilizando al ATP como donador de fosfatos.

La S-adenosilmetionina es una forma activada de la metionina que sirve como donador de grupos metilo en reacciones de metilación y como fuente de propilamina en la síntesis de poliaminas.

Síntesis de la S-adenosilmetionina (SAM)

Estructura y síntesis de la S-adenosilmetionina.

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Derivados de la Guanosina

Una forma cíclica de la GMP (cGMP) también se encuentra en las células como molécula que actúa como segundo mensajero. En muchos casos su función es antagonizar los efectos del cAMP. La formación del cGMP se da en respuesta a señales mediadas por receptores similares a aquellas que activan a la adenilciclasa. Sin embargo, en este caso es la guanilatociclasa la que esta acoplada al receptor.

La cascada de transducción intracelular más importante acoplada al cGMP es la de foto percepción. Sin embargo, en este caso la activación de la rodopsina (en los bastones) y otras opsinas (en los conos) por la absorción de un fotón de luz (por medio del 11-cis-retinol asociado covalentemente con la rodopsina y opsinas) activa a la transducina que a su vez activa a la fosfodiesterasa específica cGMP que hidroliza al cGMP en GMP. Esto disminuye la concentración efectiva de cGMP que esta unida a canales iónicos lo que resulta en su cierre con la consecuente hiperpolarización de la célula.

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Derivados de Nucleótidos en los tARNs

Aproximadamente el 25% de los nucleótidos presentes en los tARNs (ver la pagina de síntesis de proteínas para la discusión de tARNs y sobre la traducción) son modificados post-transcripción. Por lo menos 80 nucleótidos diferentes se han identificado en más de >60 posiciones diferentes en varios tARNs. Los nucleótidos modificados mas comunes son dihidrouridina (se abrevia D) y seudouridina (se abrevia Ψ) cada uno de los cuales se encuentra en una estructura característica de lazo en los tARNs. La dihidrouridina se encuentra en el lazo-D (de ahí el nombre del lazo) y la seudouridina se encuentra en el lazo-TΨC (de ahí el nombre del lazo).

Derivados de la Pirimidina

Derivados de la pirimidina


Derivados de la Purina

Derivados de la purina

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Análogos Sintéticos de Nucleótidos

Muchos análogos de nucleótidos se sintetizan químicamente y se los utiliza por su potencial terapéutico. Los análogos de los nucleótidos se pueden utilizar como agentes anti-tumorales, por ejemplo se los utiliza porque interfieren con la síntesis del ADN y matan preferencialmente a las células que se dividen rápidamente como las células tumorales. Algunos de los análogos de nucleótidos que comúnmente se utilizan en quimioterapia son la 6-mercaptopurina, 5-fluorouracilo, 5-yodo-2'-deoxiuridina y 6-tioguanina. Cada uno de estos compuestos daña el proceso de replicación normal al interferir con la formación correcta del apareamiento de bases Watson-Crick.

Los análogos de los nucleótidos también se los utiliza como agentes antivirales. Varios análogos se utilizan para interferir con la replicación del HIV, como el AZT (azidotimidina) y el ddI (dideoxiinosina).

Varios análogos de purina se utilizan para tratar la gota. El más común es el alopurinol, que se parece a la hipoxantina. El alopurinol inhibe la actividad de la xantina oxidasa, una enzima involucrada en la síntesis de purinas. Además, varios análogos de nucleótidos se utilizan luego del trasplante de órganos para suprimir el sistema inmune y reducir la posibilidad de rechazo del trasplante por el huésped.

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Polinucleótidos

Los Polinucleótidos se forman por la condensación de dos o más nucleótidos. La condensación ocurre mas comúnmente entre el alcohol de un fosfato-5' de un nucleótido y el hidroxilo-3' de un segundo, con la eliminación de agua, formando un enlace fosfodiester. La formación de enlaces fosfodiester en el ADN y ARN tienen direccionalidad. La estructura primaria del ADN y ARN (el arreglo lineal de los nucleótidos) procede en la dirección 5'——>3'. La representación común de la estructura primaria de las moléculas de ADN y ARN es escribir la secuencia de nucleótidos de izquierda a derecha con la dirección 5'——>3' como se indica:

5'–pGpApTpC–3'

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Estructura del ADN

Utilizando datos de difracción de rayos-X, obtenidos a partir de cristales de ADN, James Watson y Francis Crick propusieron un modelo para la estructura del ADN. Este modelo (verificado subsecuentemente por datos adicionales) predijo que el ADN existiría como una hélice en dos hileras antiparalelas complementarias, que se orientan en dirección derecha y que se estabilizaría por uniones de hidrogeno entre las bases y las hileras adyacentes. En el modelo de Watson y Crick, las bases están en el interior de la hélice alineadas en un ángulo de casi 90¡ relativos al eje de la hélice. Las bases de purina forman enlaces de hidrogeno con las pirimidinas, en el fenómeno crucial del apareamiento de bases. Análisis experimentales han demostrado que, en cualquier molécula de ADN, la concentración de adenina (A) es igual a la de timina (T) y la concentración de citidina (C) es igual a la de guanina (G). Esto significa que A solamente formará par con T, y C con G. De acuerdo a este patrón, que se conoce con el nombre de apareamiento de bases de Watson-Crick, las pares de bases formadas por G y C contienen tres uniones de H, mientras que las uniones A y T contienen dos uniones de H. Esto hace que los pares de base G–C sean mas estables que los pares de base A–T.


un par de bases A y T par de bases G y C


La naturaleza antiparalela de la hélice se da por la orientación de las hebras individuales. Desde cualquier posición fija de la hélice, una hebra se orienta en la dirección 5'——>3' y la otra en la dirección 3'——>5'. En su superficie externa, la doble hélice del ADN contiene dos canales profundos entre las cadenas de ribosa fosfato. Estos dos canales son de tamaño diferente y se llaman canales mayor y menor. La diferencia de tamaño se debe a la asimetría de los anillos de desoxirribosa y la naturaleza estructuralmente distinta de la superficie superior de un par de base en relación a su superficie inferior.

Se ha demostrado que la doble hélice de ADN puede existir en varias formas diferentes, dependiendo de la secuencia, condiciones iónicas y preparación de los cristales de ADN. La forma-B del ADN es la más prevalente bajo condiciones fisiológicas de baja fuerza iónica y un alto grado de hidratación. Las regiones de la hélice que son ricas en di nucleótidos pCpG pueden existir en una conformación de hélice nueva hacia la izquierda denominada ADN-Z. Esta conformación resulta de un cambio de 180 grados en la orientación de las bases en relación a las formas más comunes ADN-A y B.


Parámetros de las Principales Hélices de ADN

Parámetros Forma A Forma B Forma Z
Dirección de la rotación de la hélice derecha derecha izquierda
Residuos por giro de la hélice 11 10 12 pares de base
Rotación de la hélice por residuo (en grados) 33 36 -30
Inclinación de las bases en relación al eje de la hélice (en grados) 20 6 7
Canal mayor Estrecho y profundo Ancho y profundo plano
Canal menor Ancho y poco profundo Estrecho y profundo Estrecho y profundo
Orientación del enlace N-glicosídico anti anti Anti para las pirimidinas, sin para las purinas
Comentarios   El más prevalente en las células Aparece en porciones de pares de bases alternadas de purinas-pirimidinas

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Propiedades Térmicas del ADN

Mientras las células se dividen hay una necesidad de que el ADN se copie (replique), de tal forma que cada célula hija adquiera la misma cantidad de material genético. Para que este proceso proceda las dos hebras de la hélice deben primero separarse, en un proceso llamado desnaturalización. Este proceso también puede hacerse in Vitro. Si una solución de ADN es sometida a altas temperaturas, las uniones de H entre sus bases se hacen inestables y las hebras de la hélice se separan en un proceso de desnaturalización térmica.

La composición de las bases de ADN varía mucho de molécula a molécula y aún dentro de diferentes regiones de la misma molécula. Regiones del duplex que tengan predominantemente pares de base A-T serán menos estables térmicamente que aquellas regiones ricas en pares de base G-C. En el proceso de desnaturalización térmica, se alcanza un punto en el cual el 50% de la molécula de ADN esta hecho de una sola hebra. Este punto es la temperatura llamada "melting Tm", y es característica de la composición de las bases de la molécula de ADN. La Tm depende de varios factores además de la composición de bases. Estos incluyen la naturaleza química del solvente y de las identidades de las concentraciones de iones en la solución.

Cuando el ADN que ha sido térmicamente desnaturalizado se enfría, las hebras complementarias otra vez se re-formaran de acuerdo a las pares de bases correctas, en un proceso llamado alineamiento o hibridización. La proporción de alineamiento depende de la secuencia de nucleótidos de las dos hebras de ADN.


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Análisis de la Estructura del ADN

Cromatografía: varias de las técnicas de cromatografía disponibles para la caracterización de las proteínas se pueden también aplicar a la caracterización del ADN. La técnica más comúnmente utilizada es el HPLC (cromatografía liquida de alta presión). Se pueden también utilizar técnicas de cromatografía de afinidad. Una matriz de afinidad común es la hidroxiapatita (una forma de fosfato de calcio), que se une al ADN de doble hélice con más alta afinidad que el ADN de una sola hebra.

Electroforesis: este procedimiento puede tener la misma función en relación a las moléculas de ADN al igual que para el análisis de proteínas. Sin embargo, debido a que las moléculas de ADN tienen un peso molecular mucho mayor que las proteínas, la matriz utilizada para la electroforesis de ADN debe igualmente ser diferente. El material de elección es la agarosa, un polímero de carbohidratos purificado de un alga de agua salada. Es un copolimero de manosa y galactosa que cuando se derrite y se enfría forma un gel con el tamaño de poros que dependen de la concentración de la agarosa. El esqueleto de fosfato del ADN esta altamente cargado de cargas negativas, por lo que el ADN migrara en un campo eléctrico. El tamaño de los fragmentos de ADN pueden entonces determinarse al comparar su migración en el gel con estándares de tamaño conocido. Moléculas extremadamente grandes de ADN (en el rango de 30kb–10Mb) se separan efectivamente en geles de agarosa utilizando electroforesis de campo pulsado (PFGE). Esta técnica utiliza dos o más electrodos, colocados ortogonalmente en relación al gel, que recibe pulsos alternados de corriente. La PFGE analizar cromosomas completos o porciones grandes de cromosomas.


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Última modificación: 31 de mayo de 2016