Estructura y función de nucleótidos y acidos nucleicos (Spanish)

Aspectos generales de los ácidos nucleicos

Los son cadenas lineales de polímeros de nucleotidos

La unidad estructural es el .

Aquí vemos el detalle de unidos por el enlace fosfodiester del fosfato (lila). El fosfato forma un enlace ester con el OH 5´de una pentosa por un lado y con el OH 3´de la otra pentosa por el otro

. Vemos resaltado en color amarillo lo que sería el esqueleto de la cadena del ácido nucleico, formado por la sucesión de pentosa y fosfato y en verde las bases de los nucleótidos

Las cadenas de ácidos nucleicos se estabilizan gracias a la formación de puentes de hidrógeno entre grupos polares de las bases. Pueden ser bases complementarias de una misma cadena o de dos cadenas, que en este caso suelen ser perfectamente complementarias. caso del DNA de doble cadena. Vemos un formando un apareamiento de bases

. Podemos observar la orientación antiparalela de los segmentos apareados

Las moléculas de DNA de doble cadena presentan un apareamiento de bases perfecto entre cadenas completamente complementarias. que aparea formando puentes de hidrógeno (en lila) con su

Como siempre las cadenas están orientadas de forma

Bases, Nucleótidos y el enlace fosfodiéster

En primer lugar vamos a estudiar las bases púricas y pirimidínicas, y a continuación el nucleótido y el enlace fosfodiester

Bases púricas y pirimidínicas

Bases pirimidínicas
Vamos a analizar las características de las bases, su anillo y sus grupos. Empezamos por las bases pirimidínicas, por ejemplo la . Se trata de un anillo plano derivado de la pirimidina con la numeración indicada y que posee dos grupos C=O en los carbonos 2 y 4 y dos grupos NH en los carbonos 1 y 3. El hidrógeno del carbono 1 no se muestra porque es el que forma el enlace N-glicosídico y siempre está unido a la pentosa. La timina tiene la característica de poseer un grupo metilo unido al carbono 5 del anillo. La forma que vemos ceto del carbono 4 es la más frecuente al pH de la célula. No obstante puede producirse un salto del hidrógeno en 3 al grupo ceto generándose lo que denominamos la . Al mismo tiempo se forma un doble enlace entre el nitrógeno 3 y el carbono 4 (amarillo)

Esta forma es infrecuente. El peligro de las formas tautómeras raras es que pueden conducir a apareamientos anómalos en el DNA lo que lleva a mutaciones. El Uracilo es idéntico a la timina, excepto que carece del metilo en posición 5. Presenta por tanto idéntico tautómero que la Timina.
también es una base pirimidínica pero presenta un grupo amino unido al carbono 4 en lugar del ceto de la timina. aquí existe otro tipo de tautomeria llamada amino-imino. Se puede producir un salto del hidrógeno del grupo amino (carbono 4) al nitrógeno 3 y el doble enlace pasa a estar entre el carbono 4 y el nitrogeno del grupo amino, que ahora pasa a ser imino

Bases Púricas Adenina y Guanina

La adenina y la guanina derivan del anillo de purina
Se trata de un anillo aromático formado por la unión del anillo de pirimidina y el de imidazol, resonante y prácticamente plano. posee un grupo amino unido al carbono 6 que puede experimentar la tautomería amino-imino cuando un hidrógeno del grupo amino salta al nitrógeno 1 y el doble enlace pasa a estar entre el carbono 6 y el nitrógeno del grupo amino. En cuanto a la , posee un grupo ceto en el carbono 6 y un grupo amino en el carbono 2. Por tanto posee múltiples formas tautómeras derivadas de la isomería amino-imino y la ceto-enol. La forma que vemos es la predominante a pH fisiológico y la responsable del apareamiento correcto con su base complementaria Citosina

El nucleótido, componentes y conformaciones del enlace N-glicosídico y la pentosa

Como hemos dicho al principio, la unidad constituyente de los ácidos nucleicos es el . Lo vemos ya en . Esta formado por un fosfato, una pentosa, en este caso ribosa, y una base nitrogenada. La base está unida a la pentosa mediante el . Este enlace es un enlace simple de libre rotación por lo que la base rota libremente alrededor del enlace. No obstante, existen conformaciones más favorables que otras. En este caso vemos que los anillos de la base guanina se encuentran opuestos a la ribosa. Esta conformación se denomina conformación anti.
. En este caso la base se sitúa sobre la pentosa. Se trata de una conformación menos estable pero que aparece en ciertos casos.
Volviendo al nucleótido, la pentosa se une al fosfato mediante un enlace ester entre un OH (3´o 5´ habitualmente). En este caso el OH del carbono 5´ de la pentosa forma el
En relación a la pentosa, podemos observar que no es un ciclo plano aromático como ocurre con las bases púricas o pirimidínicas. Hacemos sobre el ciclo de la pentosa. Vemos que el carbono 3´ queda por encima del plano del anillo de la pentosa y al mismo lado que el enlace éster fosfórico 5´ del nucleótido. A esta conformación del anillo de la pentosa se le denomina conformación 3´endo. Es típica de los ácidos ribonucleicos y se debe en parte a la presencia del
En cambio en los es el carbono 2´, que no posee OH sino dos hidrógenos el que queda claramente por encima del plano de la pentosa y al mismo lado que el enlace ester fosfórico 5´. Esta conformación se denomina 2´endo

Enlace fosfodiéster

Los ácidos nucleicos se generan por unión de los nucleótidos entre sí mediante enlaces éster fosfórico entre los Oh de las pentosas y el fosfato. Puesto que cada pentosa forma dos enlaces éster con los fosfatos, y cada fosfato forma dos enlaces se le llama comunmente fosfodiéster, aunque son enlaces éster.
Observamos un dinucleótido de un ácido nucleico con el fosfato (verde) unido al OH 3´ de la pentosa superior y al OH 5´ de la pentosa inferior

Apareamientos de bases y orientación antiparalela

Apareamientos convencionales de Watson y Crick

Las bases púricas y pirimidínicas poseen grupos polares capaces de formar puentes de hidrógeno con otros grupos polares, por ejemplo el agua. No obstante, dado el carácter apolar del anillo aromático de la base, éstas tienden a formar puentes de hidrógeno con bases complementarias y de paso mantener los anillos aromáticos fuera del contacto con el agua lo máximo posible.

, por ejemplo posee en teoría los 6 grupos marcados como posibles formadores de puentes de hidrógeno. No obstante el lo descartamos ya que forma el enlace glicosídico con la pentosa. El 1 se descarta ya que es muy difícil que este grupo pueda aparearse con los de otra base al entrar en colisión las bases. Los grupos 3, 4 y 5 son los habituales formando puentes de hidrógeno mientras que el 6 en ciertos casos infrecuentes puede participar. Es importante recalcar que no todas las bases disponen de 3 grupos óptimos como la guanina. Guanina y Citosina poseen 3, pero en cambio Adenina, Timina y Uracilo solo poseen 2. Existen otras bases en los ácidos nucleicos pero la mayoría son derivadas de estas 5 y por tanto presentan las mismas propiedades.

Vemos la Citosina perfectamente situada para formar (lilas). La formación perfecta de estos puentes obliga a que los nucleótidos que aportan las bases se encuentren orientados de forma tal como podemos observar. Si nos fijamos en las pentosas vemos que estan orientadas al revés en los dos nucleótidos apareados.
La formación de puentes de hidrógeno entre bases complementarias permite ocultar los grupos polares del ataque del agua y , formando múltiples interacciones de Wan der Wals. Las bases se muestran en color naranja y las pentosas-fosfato según cadena

Par Adenina-Timina

La cuando se aparean únicamente forman dos puentes de hidrógeno. Los grupos 1, de la Adenina, y 2 de la Timina no pueden formar puente de hidrógeno ya que el hidrógeno del grupo 1 está unido a un carbono y por tanto no posee carga parcial positiva

Apareamientos no convencionales

Oxoguanina
La generación de bases extrañas en el ADN, debido a agentes mutágenos, puede provocar apareamientos anormales. Por ejemplo la es una forma oxidada de la guanina y posee un oxígeno extra (color lima). Como consecuencia de ello, con frecuencia el nucleótido adopta conformación syn en lugar de anti y tiende a aparearse de forma anómala con la purina adenina. Forma así un par purina-purina que si no se repara conduce a mutaciones. Los grupos que forman los dos puentes de hidrógeno son los grupos 1 y 2 de la visualización

6-oxometilguanina

La es una base alquilada derivada de la guanina. Los agentes alquilantes mutagénicos introducen un metilo unido al oxigeno ceto de la base. Como consecuencia de ello, esta base modificada es capaz de aparearse con la adenina formando dos puentes de hidrógeno (entre grupos 1 y grupos 2), siempre que esta base adopte la conformación syn, tal como vemos. Este apareamiento es fuertemente mutágeno

Estructura de los ácidos nucleicos

Acidos ribonucleicos. Cadena única

Como hemos comentado al principio los ácidos nucleicos son . Presentan un libre por donde se inicia la numeración de los nucleótidos y un donde acaba la numeración. Al ver vemos que cada nucleótido posee una carga negativa a pH fisiológico debido a los OH libres que posee cada fosfato ( naranja) y que se encuentran cargados negativamente a pH fisiológico. Por otra parte las bases (verdes) poseen grupos polares que tienden a aparearse con grupos polares de otras bases complementarias mediante puentes de hidrógeno. Se forman así estructuras helicoidales que denominamos estructura secundaria.

Vemos las bases en turquesa y el esqueleto de pentosas y fosfato en naranja. Se observa la estructura helicoidal formada por los apàreamientos de bases complementarias al (lilas). con las bases en naranja y el esqueleto en turquesa. Si miramos la hélice desde el eje vemos como tienden a quedar las bases en el interior y el esqueleto por fuera.
Los tRNAs poseen bases raras y que solo se encuentran en sus moléculas. Todas derivan de modificaciones post-transcripcionales a partir de la adenina, guanina, uracilo o citosina. Por ejemplo el donde se observa que la unión del uracilo con la pentosa se realiza entre los dos carbonos, sin participar el NH (enlace amarillo) . En el caso de la , la base Uracilo está reducida y por tanto el enlace marcado en amarillo está saturado. En este otro caso la base uracilo se encuentra metilada en el carbono 5 del anillo formando . la función de estas bases raras es ayudar al reconocimiento de los tRNAs por el ribosoma y su correcta traducción

Características de la hélice de los ácidos ribonucleicos.

Para entender las características de la hélice vamos a ver un . Es una doble hélice más abombada y ancha que las dobles cadenas de DNA. . Se puede observar como las bases están algo inclinadas respecto al plano perpendicular al eje de la doble hélice. La causa de este tipo de hélice en parte es la presencia del . donde vemos otra característica de esta hélice: la conformación 3´ endo de la pentosa. El hecho de que el grupo OH 3´ quede por encima del plano del anillo de ribosa y al mismo lado que el fosfato 5´contribuye a abombar la hélice resultante. Al ser cadena única no todas las bases forman apareamientos y muchas están desapareadas, por ejemplo las del loop inferior o las del extremo 3´ libre. Vemos aquí un (en amarillo). En cambio en , las bases se hallan totalmente fuera de la estructura helicoidal. Estos apareamientos que mantienen el plegamiento fuera de la estructura helicoidal se denominan estructura terciaria. Si lo vemos en detalle vemos que la orientación no es antiparalela y que los grupos de las bases no están tan bien orientados como en los apareamientos convencionales. No obstante, se encuentran a

Ácidos desoxirribonucleicos de doble cadena. la doble hélice del DNA. DNA B

Las moléculas de DNA de doble cadena forman una doble hélice de bases completamente apareadas por puentes de hidrógeno y perfectamente complementarias. La dos cadenas son antiparalelas y se ubican con orientaciones opuestas. Así por ejemplo a una secuencia 5´ ATTGCGTA 3´ en una cadena le corresponde la secuencia 3´TAACGCAT 5´ en la otra cadena.
DNA B. Se trata de la estructura más habitual que forma el DNA de doble cadena en la célula Vemos la doble cadena en esferas. Los esqueletos de pentosa fosfato de cada cadena están en colores claros. Las bases de cada cadena en colores mas chillones. Se observan las siguientes características básicas: ambas hélices se enrollan en sentido horario dextrógiro alrededor de un eje común. Las bases tienden a quedar en la parte interior de la molécula mientras que las pentosa y fosfatos quedan por fuera. Posee dos surcos, el surco mayor (M) y el surco menor (m). Van alternándose a ambos lados. Cuando en un lado hay mayor, en el otro hay menor. La hélice posee aproximadamente 10 pares de bases por vuelta. aquí apreciamos muy bien los dos surcos Mayor y menor. Si vemos como se enrollan las hélices y como queda en el centro el hueco donde van las bases. La vuelta tiene una longitud aproximada entre 30-34A. Vamos a y a colorearlas según la base (A,G,C o T). para ver bien el interior y los apareamientos. Observamos como los apareamientos de bases se disponen perpendiculares al eje de la hélice, aunque no siempre son perfectamente perpendiculares. y formamos . . Una vez más vemos la orientación antiparalela si nos fijamos en los dos oxígenos de los furanos de las dos pentosas. Otra cosa que se observa es que la desoxirribosa adopta la , con el carbono 2´por encima del plano de la pentosa y alo mismo lado que el fosfato unido 5´

DNA-Z

El es una doble cadena de DNA de características muy peculiares. Esta conformación de ADN se configura como una doble hélice levógira (con giro hacia la izquierda) con un esqueleto en zigzag. Esta doble hélice se genera en determinadas secuencias, que alternan purinas y pirimidinas, especialmente con la alternancia de deoxicitidina y deoxiguanosina. Posee 12 bases por vuelta, con surcos muy distintos al DNA-B y con alternancia de conformaciones anti y syn en el enlace N-glicosídico. En esta primera visualización vemos ambas cadenas en colores distintos. . Podemos apreciar como las dos cadenas se enrollan en sentido levógiro antihorario. Si nos fijamos en los surcos de vemos como el surco mayor (derecha abajo) es muy superficial mientras el surco menor es mucho más profundo. Ampliando un de una cadena vemos la alternancia de conformación anti y syn. La Guanina está en conformación syn mientras que la citosina está en conformación anti (enlaces N-glicosídicos en amarillo). Esta alternancia explica la forma en de las cadenas

Comparación de los tres tipos de hélices presentes en los ácidos nucleicos

Como resumen de las diferentes hélices estudiadas vemos juntas las , DNA-B, hélice A, típica de ácidos ribonucleicos o dobles cadenas híbridas DNA/RNA. Finalmente el DNA Z

Preguntas Campus virtual biologia molecular

Primera pregunta
En relación al indica de forma razonada lo siguiente: 1) conformación anti o syn del nucleótido 2)grupos que podrían participar en la formación de puentes de hidrógeno 3) extremo 3´del nucleótido

Segunda pregunta

Dado el siguiente indica de forma razonada lo siguiente: 1) ¿Cuantos puentes de hidrógeno se establecen entre las bases nitrogenadas? 2) ¿Se trata de RNA o DNA? 3) ¿Presentan orientación paralela o antiparalela? 4) ¿La conformación de la pentosa en el nucleotido de purina es 2 ´endo o 3´ endo?

Tercera pregunta

Indica de forma razonada el extremo 5´del siguiente

Cuarta pregunta

Señala los surcos de la correspondiente de ácidos nucleicos

Relevance

Structural highlights

This is a sample scene created with SAT to by Group, and another to make of the protein. You can make your own scenes on SAT starting from scratch or loading and editing one of these sample scenes.