EJERCICIOS RESUELTOS DE MACROMOLÉCULAS-BIOQUIMICA (10)

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Nucleótidos y Ácidos Nucleicos
BBM 2021
Nucleótidos
	-Compuestos	orgánicos	constituidos	por	una	base
	nitrogenada,	un	azúcar	(ribosa	o	desoxirribosa)	y	ácido
	fosfórico.			
-Estas	biomoléculas	y	las	derivadas	de	las	mismas	cumplen diferentes funciones celulares:
-Participan en los procesos de intercambio de energía en el metabolismo.
-Intermediarios químicos conectores de sistemas celulares que responden a hormonas y señales extracelulares.
-Componentes	estructurales	de	cofactores	enzimáticos	e intermediarios metabólicos.
-Componentes de los ácidos nucleicos, ADN y ARN.
Bloques de construcción
Nucleótido = Base + Azúcar + Fosfato
Nucleósido = Base + Azúcar
Base Nitrogenada
–	Purinas
Adenina
Pirimidinas
Timina
Azúcar pentosas
Ribosa
Deoxirribosa
Guanina
Citosina
Uracilo
Bases nitrogenadas canónicas
Bases poco comunes
Bases modificadas
Metilación del ADN
Modificación en el ARN
Ribose
Enlace fosfodiester
Formado por actividades de polimerasas y ligasas
el C-5' OH porta el fosfato en los nucleótidos
– C5' - O - P - O - C3'
el pKa del fosfato es  0
los oligonucléotidos naturales poseen 5' P y 3' OH
la hidrólisis de las bases en el ARN es debido a ionización del 2' OH
Los mononucleótidos poseen carga negativa a pH fisiológico.
– Los pKa del primer y segundo grupo	fosforilo son alrededor de 1,0 y 6,2, respectivamente.
Los	nucleósidos	y	las	bases	libres	(purinas	o pirimidinas) no poseen carga a pH fisiológico.
En resumen
Los nucleótidos absorben luz UV.
– Los dobles enlaces conjugados de las bases heterocíclicas de purinas y pirimidinas
El espectro de absorción es dependiente del pH pero todos los nucleótidos absorben luz a una longitud de onda cercana a 260 nm a pH 7,0.
La concentración de nucleótidos o ácidos nucleicos a menudo se expresan en términos de absorbancia a 260 nm.
Función biológica de los nucleótidos
Bloques de construcción para coenzimas, ADN y ARN
Fuente de energía intracelular - Adenosine triphosphate (ATP)
Segundos	mensajeros	–	Involucrados	en	señalización celular (por ej. cyclic adenosine monophosphate [cAMP])
Nucleótidos
Enlaces de alta energía
Enlaces fosfoanhidros: formados por la liberación de agua entre dos ácidos fosfóricos o entre un ácido carboxílico y un ácido fosfórico.
El ATP sirve como fuente de energía . La hidrólisis de uno o ambos enlaces de alta energía, es acoplada a una reacción que requiere energía (no espontánea).
Fosfo-anhidros y ésteres de fosfato Enlaces de alta energía
¿Por qué los enlaces fosfoanhidros poseen una energía libre de hidrólisis alta?
La estabilización por resonancia de los productos de hidrólisis excede la estabilización por resonancia del compuesto en si mismo.
¿Por qué los enlaces fosfoanhidros poseen una energía libre de hidrólisis alta?
La	repulsión	electrostática	entre	las	cargas	negativas	de	los
oxígenos de los fosfatos favorece la separación de los fosfatos.
Dado que cada molécula de ATP puede utilizarse para generar una reacción cuyo G°’ sea +30 kJ/mol algunos ejemplos de reacciones endergónicas que pueden ocurrir acopladas a la hidrólisis del ATP son:
biosíntesis de sacarosa a partir de glucosa y fructosa
(G°’= + 23 kJ/mol).
Formación de un enlace peptídico (G°’= + 17 kJ/mol), pero como la reacción ocurre indirectamente se consumen 3 ATP por eslabón.
Existen dos formas generales de generar ATP
Fosforilación a nivel de
sustrato
Fosforilación oxidativa
Coenzima A
La coenzima A (CoA, CoASH o HSCoA) es una coenzima, notable por su papel en la biosíntesis y la oxidación de ácidos grasos, así como en la descarboxilación oxidativa del ácido pirúvico, paso previo al ciclo de Krebs. Su molécula consta de ácido pantoténico (vitamina B5), adenosina difosfato y cisteamina.
– Puesto que la coenzima A es químicamente un tiol, puede reaccionar con los ácidos carboxílicos para formar tioésteres, de modo que actúa como un portador del grupo acilo.
Portadores	universales	de	equivalentes	de reducción
El NAD+, NADP+, FAD y FMN son portadores de equivalentes de reducción universales reversibles (como coenzimas de varias enzimas).
El NAD+ y el NADP+ son dinucleótidos capaces de acceptar/donar un
ión hidruro (un H+ con 2e-) para cada ronda de reducción/oxidación.
El FAD o el FMN son capaces de acceptar/donar uno o dos electrones
(como átomo de hidrógeno).
El NAD(H) y NADP(H) son reversiblemente unidos a una enzima, pero el FMN y el FAD son unidos muy fuertes a la enzima que los emplea (por lo que son considerados grupos prostéticos, y el complejo formado con la proteína se denomina flavoproteína).
El	NADH	y	FADH2	serán	posteriormente	oxidados	vía	cadena
respiratoria para la producción de ATP.
FMN (Flavin mononucleotide)
and
FAD (Flavin Adenine Dinucleotide)
El valor del E'o de FAD / FMN a menudo difiere dependiendo del tipo de flavoproteına que se trate.
Adenosina 3’-fosfato 5’-fosfosulfato (sulfato activado)
La 3'-fosfoadenosina-5'-fosfosulfato (PAPS) es un derivado de la adenosina monofosfato que se encuentra fosforilado en la posición 3' y que posee un grupo sulfato unido al fosfato 5'. Es la coenzima más común en las reacciones catalizadas por las sulfotransferasas (como intermediario en la reducción del sulfato a sulfito).
La S-adenosil metionina (SAM) es un co-sustrato común que interviene en la transferencia de grupos metilo.
– Transmetilación, trans-sulfuración y aminopropilación son las rutas metabólicas que utilizan SAM.
El grupo metilo (-CH3) unido al átomo de azufre de la metionina en la SAM es químicamente reactivo. Esto permite la donación de este grupo a un aceptor de sustrato en las reacciones de transmetilación.
S-Adenosil metionina
Moléculas regulatorias y de señalización
El cAMP se forma a partir de ATP por la reacción catalizada por la adenilato ciclasa.
AMPc es un segundo mensajero en la transducción de señales
Como segundo mensajero, cAMP participa numerosas funciones de regulación mediante la activación de las proteínas quinasas dependientes de cAMP
El cAMP se descompone por cAMP fosfodiesterasa
El cGMP es un segundo mensajero en la transducción de señales que puede actuar antagónicamente al cAMP
El cGMP se forma a partir de GMP por la guanilato ciclasa
Una fosfodiesterasa hidroliza cGMP a GMP
Nucleotido azúcar
Los nucleótido azúcares son las formas activadas de monosacáridos. Actúan como donantes de glicosilo en las reacciones de glicosilación.
Estas reacciones son catalizadas por un grupo de enzimas llamadas glicosiltransferasas.
El anabolismo de oligosacáridos (y por lo tanto, el papel de los nucleótido azúcar) no estaba claro hasta la década de 1950 cuando Leloir y sus colaboradores encontraron que las enzimas clave en este proceso son la glicosiltransferasa.
Para actuar	como donantes	de glicosilo, los
altamente	energética.	Esto	ocurre
monosacáridos	deben	existir	en	una	forma
como
resultado de una reacción entre nucleósido trifosfato (NTP) y glicosil monofosfato (fosfato en el carbono anomérico).
Por ejemplo, los humanos presentan nueve nucleótido azúcares que actúan como donantes de glicosilo y se pueden clasificar en función del tipo del nucleósido que lo forman.
–	La uridina difosfato: UDP-α-D-Glc, UDP-α-D-Gal, UDP-α-D-GalNAc, UDP-α-D- GlcNAc, UDP-α-D-GlcA, UDP-α-D-Xyl
En otras formas de vida se utilizan distintos tipos de nucleótido azúcares como donantes. Los cinco nucleósidos comunes se utilizan como base para la formación de nucleótido azúcares.
GDPMan
UDPGal
UDPGlc
ADPGlc
Polinucleótidos
Ácido deoxirribonucleico (ADN)
Contiene información genética. Es decir, las instrucciones genéticas usadas en el desarrollo y funcionamiento de todos los organismos vivos conocidos y algunos virus, y es responsable de su transmisión hereditaria.
El ADN se encuentra en el núcleo con pequeña cantidades en la mitocondria y
cloroplastos.
El ADN fue aislado por primera vez en 1869, por el médico suizo Friedrich Miescher. Lo llamó nucleína,debido a que lo había extraído a partir de núcleos celulares.
Ácido ribonucleico (ARN)
Está presente tanto en las células procariotas como en las eucariotas, y es el único
material genético de ciertos virus (virus a ARN).
El ARN celular es lineal y de hebra sencilla, pero en el genoma de algunos virus es de doble hebra.
Es involucrado en procesos de transcripción, traducción y regulación de la expresión
génica del material genético (ADN).
Los nucleótidos se polimerizan por uniones fosfodiéster. En el entorno polar los grupos fosfato están completamente ionizados. Se neutralizan con proteínas (histonas), iones metálicos y poliaminas.
5’ - Left to Right - 3’
pACGTOH ACGT
Convenciones de nomenclatura de oligonucleótidos
P
P
(PPi)
Polimerización de los ácidos nucleicos
P	P	P
S
N
C
P	P	P
N
C
S
+
P	P	P
S
N
C
P
S
N
C
Phosphodiesterase
El esqueleto azucar-fosfato
Dentro	de
nucleótidos
una	misma	cadena	los son		orientados	en		la
misma dirección.
El	grupo	fosfato	es	unido	en	el	3rd carbono de un bloque de (deoxi)ribosa
5th
al	carbono	de	la	próxima
(deoxi)ribosa en linea.
Las bases son unidas en el 1st carbono de la (deoxi)ribosa.
P
P
P
P
G
P
C
C
A
T
P
T
Apareamiento de bases de los ácidos nucleicos
El ARN (nomarlmente) existe como un polímero simple hebra
El ADN existe como un polímero doble hebra (con excepción de algunos virus)
La doble hebra de ADN es estabilizado por puentes de hidrógenos entre los nucleótidos
La complemetaridad de bases es estructuralmente específica
A	T
G	C
(2 H-bonds)
(3 H-bonds)
El ADN está		formado por dos hebras de polinucleótidos
Las	hebras	“hermanas”	del	ADN	se	extienden	en	direcciones opuestas (antiparalelas)
La interacción entre las hebras se establece a través de las bases
nitrogenadas
Cada base interacciona con su par específico:
A con T / T con A G con C / G con C
La interacción es purinas con pirimidinas.
Las hebras “hermanas” son complemetarias y NO idénticas.
Las	bases	interaccionan	por	puentes	de	hidrógeno,
individualmente débil pero fuerte en forma colectiva.
¿Por qué existe un apareamiento de bases antiparelelo en el ADN?
Necesidad de proteger la información genética
Es la única estructura conformacional para permitir la formación de
doble hélice
Table 29-2
Association Constants for Base Pair Formation.
Page 1119
Ka
Wilkins & Franklin (1952): X-ray crystallography
© Norman Collection on the History of Molecular Biology in Novato, CA 
The Double Helix (1953)
Public Domain image
Replicación semi-conservativa
Mecanismo de polimerización del ADN
La doble hélice del ADN
Determinada por Watson & Crick en 1953
Es la conformación energéticamente más estable para una doble hebra de ADN
La forma y tamaño de la doble hebra es uniforme en todas las formas de vida (todas las moléculas de ADN está formadas por el mismo tipo de bloques)
La estructura de doble hélice presenta un surco mayor y menor
Major grooves are critical for binding proteins that regulate DNA function
Surco menor
Surco mayor
La composición distintiva de bases predicen los patrones de apareamiento de bases
La hidrólisis del ADN y posterior análisis de composición de bases
Es la misma para diferentes individuos de una
misma especie
Se mantiene “invariable” con el tiempo
Es la misma en diferentes tejidos de un mismo individuo
%A = %T and %G = %C (Regla de Chargaff)
– Las	doble	hebras	poseen	secuencias complementarias
Erwin Chargaff’s Data (1950-51)
3 Canonical Helical DNA	Structures
Topología del ADN
La misma molécula de ADN de doble cadena puede tener diferentes conformaciones
Linear
“open”
Circular
Supercoiled
Radio relativo de giro
Lineal>circular>superenrrollado
Esto influyen en el coeficiente de fricción movilidad electroforética y
velocidad de sedimentación.
Configuraciones del enlace glicosídico
Estructura terciaria del ADN
El ADN no está libre dentro del núcleo de la célula, sino que está organizado en un complejo llamado cromatina.
Cromatina: estructura formada por ADN y proteínas histónicas y no histónicas.
La molécula de ADN forma largos y numerosos filamentos que se enrollan a sucesivas moléculas de histonas.
Esto produce que el ADN sufra una importante compactación, en cada enrollamiento el ADN da casi dos vueltas sobre cuatro pares de histonas.
Estructura cuaternaria del ADN
Los nucleosomas también se	compactan enrollándose de manera helicoidal.
Forman estructuras	denominadas solenoides.
Las	proteínas	no	histónicas	actúan	como	un	andamiaje sobre los solenoides, ensamblándose en forma de espiral.
Estas proteínas brindan un armazón a la fibra de cromatina y colaboran en su plegamiento
Apareamiento de bases en el ARN
El ARN se presente (usualmente) como simple hebra.
El apareamiento de bases en el ARN puede ocurrir pero usualmente
dentro de la misma hebra.
RNA Helices are short, bulges, loops
En medio alcalino el ARN se hidroliza con relativa facilidad, no así el ADN.
Ribozima
ARN mensajero
Contiene	la	información	codificante	para	la	síntesis	de una
proteína
Desde el codón de inicio ATG hasta los codones de terminación
UAA, UAG, UGA
Un	cistrón	es	la	unidad	de	ARN	que	codifica	a	una	cadena polipeptídica
ARNm procariotas son (en general) policistrónicos
ARNm eucariotas son (en general) monocistrónicos
mRNA coding patterns
Código genético
DNA se puede desnaturalizar
El calor, pH, la concentración de iones, influyen en la estabilidad de la doble hélice.
En la desnaturalización se deshace su estructura nativa, es decir se eliminan sus puentes de hidrógeno.
Las dos hebras separadas se pueden volver a unir (hibridar).
Desnaturalización y renaturalización
Temperatura de fusión (Tm):
Temperatura	a	la	cual	el	50%	del	ADN	se	encuentra desnaturalizado.
en	la	forma
Ecuación de Wallace:
donde A, G, C, y T corresponden al número de cada nucleótido presente. Esta ecuación se desarrolló para secuencias cortas de 14 a 20 bases.
Las interacciones de apilamiento de bases, en soluciones acuosas, son estabilizadas en su mayoría por las fuerzas hidrofóbicas.
La temperatura de fusión de la doble hebra de ADN aumenta con la concentración de cationes.
– estos iones se unen más estrechamente a dúplex de ADN (mayor carga aniónica) que a DNA de cadena sencilla.
El efecto hipercrómico del ADN es el incremento de absorbancia cuando la doble hebra se desnaturaliza, dando dos cadenas sencillas que absorben más en el ultravioleta.
Esta característica del ADN es una forma de seguir el proceso de desnaturalización de la molécula: a medida que el proceso avanza, se
observa un incremento en la absorbancia.
La Tm depende de la composición de bases