Estructura y Función de Estructura y Función de Nucleótidos y Ácidos Nucleótidos y Ácidos

NucleicosNucleicos

Dr. Giuliano Bernal DossettoDr. Giuliano Bernal DossettoDepartamento de Ciencias BiomédicasDepartamento de Ciencias Biomédicas

Facultad de MedicinaFacultad de MedicinaUniversidad Católica del NorteUniversidad Católica del Norte

IntroducciónIntroducción

Rol en el metabolismo celular:Rol en el metabolismo celular:1.1. Unen la respuesta celular a hormonas y a Unen la respuesta celular a hormonas y a

otros estímulos.otros estímulos.

2.2. Son componentes estructurales de diversas Son componentes estructurales de diversas coenzimas e intermediarios metabólicos.coenzimas e intermediarios metabólicos.

3.3. Dan forma a los ácidos nucleicos: DNA y RNADan forma a los ácidos nucleicos: DNA y RNA

4.4. De su organización depende la diversidad De su organización depende la diversidad genética de los organismos vivos.genética de los organismos vivos.

GeneralidadesGeneralidades

La secuencia aminoacídica de cada La secuencia aminoacídica de cada proteínaproteína y y la secuencia nucleotídica de cada la secuencia nucleotídica de cada RNARNA es es codificada a su vez por una secuencia en el codificada a su vez por una secuencia en el DNA celular.DNA celular.

El almacenaje y transmisión de la información El almacenaje y transmisión de la información biológica son las funciones del DNA.biológica son las funciones del DNA.

Un Un gengen es por lo tanto un segmento de DNA que es por lo tanto un segmento de DNA que codifica para un RNA o proteína.codifica para un RNA o proteína.

Los RNA son mas diversos: tRNA, rRNA, Los RNA son mas diversos: tRNA, rRNA, mRNA, ribozimas.mRNA, ribozimas.

The Avery-MacLeod-McCarty experiment The Avery-MacLeod-McCarty experiment (1944)(1944)

Reglas de ChargaffReglas de Chargaff La composición de bases del DNA generalmente varía La composición de bases del DNA generalmente varía

de una especie a otrade una especie a otra

Las muestras de DNA aisladas desde diferentes tejidos Las muestras de DNA aisladas desde diferentes tejidos de una misma especie poseen la misma composición de de una misma especie poseen la misma composición de basesbases

La composición de bases del DNA de una especie dada La composición de bases del DNA de una especie dada no varía con la edad del organismo, su estado no varía con la edad del organismo, su estado nutricional ni con diferentes medioambientes.nutricional ni con diferentes medioambientes.

En todos los DNAs celulares, independiente de la En todos los DNAs celulares, independiente de la especie, A=T y G=C.especie, A=T y G=C.

The Hershey-Chase The Hershey-Chase experiment (1952)experiment (1952)

James Watson & Francis Crick, James Watson & Francis Crick, Premio Nóbel de Medicina 1962Premio Nóbel de Medicina 1962

Maurice WilkinsMaurice Wilkins

Rosalind FranklinRosalind Franklin

EstructuraEstructura

Los Los nucleótidosnucleótidos tienen 3 componentes tienen 3 componentes característicos:característicos:

Base nitrogenadaBase nitrogenada PentosaPentosa Grupo fosfatoGrupo fosfato

Las bases nitrogenadas derivan de dos Las bases nitrogenadas derivan de dos compuestos similares, compuestos similares, pirimidinapirimidina y y purinapurina..

La molécula sin el grupo fosfato se denomina La molécula sin el grupo fosfato se denomina nucleósidonucleósido..

Hydrolysis of RNA under alkaline conditionsHydrolysis of RNA under alkaline conditions

Enlaces fosfodiester unen los Enlaces fosfodiester unen los nucleótidos en los ácidos nucleicosnucleótidos en los ácidos nucleicos

El El enlace fosfodiesterenlace fosfodiester es un enlace covalente que une es un enlace covalente que une nucleótidos en una cadena de DNA o de RNA. nucleótidos en una cadena de DNA o de RNA.

Este enlace forma puentes de grupos fosfato entre el Este enlace forma puentes de grupos fosfato entre el grupo 5’-hidroxilogrupo 5’-hidroxilo de un nucleótido con el de un nucleótido con el grupo 3’-grupo 3’-hidroxilohidroxilo del nucleótido siguiente. del nucleótido siguiente.

Todos los enlaces fosfodiester tienen la misma Todos los enlaces fosfodiester tienen la misma orientación a lo largo de la cadena. Esta orientación es orientación a lo largo de la cadena. Esta orientación es 5’-3’.5’-3’.

Una cadena nucleotídica menor a 50 pb es denominada Una cadena nucleotídica menor a 50 pb es denominada oligonucleótidooligonucleótido, y mayor a ella es denominada , y mayor a ella es denominada polinucleótidopolinucleótido..

Phosphodiester linkages in the Phosphodiester linkages in the covalent backbone of DNA covalent backbone of DNA and RNA.and RNA.

El esqueleto de ambas cadena es hidrofílico, mientras que las bases son levemente hidrofóbicas, por lo que tienden a apilarse entre sí. De esta manera evitan el contacto con el agua.

Endonucleasas y ExonucleasasEndonucleasas y Exonucleasas

A pesar de la estabilidad del ADN, este es A pesar de la estabilidad del ADN, este es degradado por dos grupos de enzimas.degradado por dos grupos de enzimas.

Las Las exonucleasasexonucleasas hidrolizan el enlace fosfodiester hidrolizan el enlace fosfodiester del último nucleótido ya sea en el extremo 5’ o 3’.del último nucleótido ya sea en el extremo 5’ o 3’.

Las Las endonucleasasendonucleasas hidrolizan un enlace hidrolizan un enlace fosfodiester al interior de la molécula. Por lo tanto fosfodiester al interior de la molécula. Por lo tanto son capaces de degradar DNAs circulares.son capaces de degradar DNAs circulares.

Las Las endonucleasas de restricciónendonucleasas de restricción reconocen reconocen secuencias específicas de DNA antes de secuencias específicas de DNA antes de hidrolizar.hidrolizar.

Propiedades de las bases nucleotídicasPropiedades de las bases nucleotídicas

Purinas y pirimidinas libres son compuestos Purinas y pirimidinas libres son compuestos débilmente básicos, por lo que son llamadas débilmente básicos, por lo que son llamadas bases.bases.

Ambas son moléculas hidrofóbicas y Ambas son moléculas hidrofóbicas y relativamente relativamente insolublesinsolubles en agua a pH en agua a pH fisiológico. A pH ácido o básico las bases se fisiológico. A pH ácido o básico las bases se cargan y su solubilidad en agua aumenta.cargan y su solubilidad en agua aumenta.

Los ácidos nucleicos se caracterizan por una Los ácidos nucleicos se caracterizan por una fuerte absorción a fuerte absorción a 260 nm.260 nm.

Absortion spectra of the common nucleotidesAbsortion spectra of the common nucleotides

Hydrogen-bonding patterns in the base pairs defined by Hydrogen-bonding patterns in the base pairs defined by Watson and CrickWatson and Crick

Factores que estabilizan la doble Factores que estabilizan la doble hélice de DNAhélice de DNA

El apilamiento de bases dentro de una hebra. El apilamiento de bases dentro de una hebra. Interacciones Interacciones hidrofóbicashidrofóbicas y fuerzas de y fuerzas de van der Wallsvan der Walls..

Puentes de hidrógenoPuentes de hidrógeno entre bases complementarias. entre bases complementarias.

Cationes como Cationes como MgMg2+2+, spermine, spermine4+4+ y la cadena básica de y la cadena básica de las las proteínasproteínas, estabilizan al DNA, anulando la carga , estabilizan al DNA, anulando la carga negativa de los grupos fosfatos.negativa de los grupos fosfatos.

Un agente denaturante tal como la Un agente denaturante tal como la ureaurea es capaz de es capaz de desestabilizar la estructura del DNA interfiriendo con el desestabilizar la estructura del DNA interfiriendo con el apilamiento de las bases más que interactuando con apilamiento de las bases más que interactuando con puentes de hidrógeno.puentes de hidrógeno.

Denaturation and Denaturation and RenaturationRenaturation

Hipochromic effect: Stacked bases and annealing

Hyperchromic effect: Denaturation

Relationship between tm and the G≡C content of DNA

DNA hybridizationDNA hybridization

Estructuras inusuales en Estructuras inusuales en secuencias de DNAsecuencias de DNA

PalíndromePalíndrome:: Secuencia de DNA con bases Secuencia de DNA con bases repetidas en secuencia inversa en ambas repetidas en secuencia inversa en ambas hebras. Esta secuencia es autocomplementaria hebras. Esta secuencia es autocomplementaria por lo tanto puede formar estructuras en forma por lo tanto puede formar estructuras en forma de de horquillahorquilla o o cruzcruz..

Repetición especularRepetición especular:: La secuencia repetida se La secuencia repetida se encuentra sobre la misma hebra de DNA. No encuentra sobre la misma hebra de DNA. No puede formar ninguna de las estructuras puede formar ninguna de las estructuras anteriores.anteriores.

Agentes antitumorales que Agentes antitumorales que cambian la forma del DNAcambian la forma del DNA

La droga antitumoral La droga antitumoral cisplatinacisplatina es usada en una serie de es usada en una serie de tumores tales como testicular, ovárico, óseo y pulmonar.tumores tales como testicular, ovárico, óseo y pulmonar.

Esta molécula se entrecruza dentro del DNA induciendo su Esta molécula se entrecruza dentro del DNA induciendo su doblamiento.doblamiento.

La estructura del DNA inducido por cisplatina es reconocido La estructura del DNA inducido por cisplatina es reconocido por la maquinaria de reparación del DNA (NER), así como por por la maquinaria de reparación del DNA (NER), así como por proteínas no histónicas (HMG).proteínas no histónicas (HMG).

Los procesos de Replicación y Transcripción son también Los procesos de Replicación y Transcripción son también afectados por esta estructura.afectados por esta estructura.

NER induce nicks en el DNA en su intento por reparar el NER induce nicks en el DNA en su intento por reparar el DNA, acumulándose más lesiones e induciendo la apoptosis DNA, acumulándose más lesiones e induciendo la apoptosis de la célula.de la célula.

Triple hebra de DNATriple hebra de DNA Polinucleótidos como poli(dA) y poli(dT) son capaces de Polinucleótidos como poli(dA) y poli(dT) son capaces de

combinar para formar estructuras en forma de triple combinar para formar estructuras en forma de triple hélice. Las interacciones de apareamiento No-Watson-hélice. Las interacciones de apareamiento No-Watson-Crick se denominan Crick se denominan apareamiento de Hoogsteen.apareamiento de Hoogsteen.

La presencia de La presencia de MgMg2+2+ estabiliza la triple hélice. estabiliza la triple hélice.

Hélices intramoleculares pueden formarse por Hélices intramoleculares pueden formarse por interrupción de la doble hélice normal que posee interrupción de la doble hélice normal que posee secuencias de repeticiones especulares.secuencias de repeticiones especulares.

Muchas secuencias eucarióticas pueden formar triple Muchas secuencias eucarióticas pueden formar triple hélices, tales como las secuencias de polipurinas o hélices, tales como las secuencias de polipurinas o polipirimidinas. Estas regiones se conocen con el polipirimidinas. Estas regiones se conocen con el nombre de nombre de DNA-H.DNA-H.

Enlace triple: Apareamiento de HoogsteenEnlace triple: Apareamiento de Hoogsteen

Persistencia Hereditaria de Persistencia Hereditaria de Hemoglobina FetalHemoglobina Fetal

Esta patología (HPFH) impide la inhibición de la síntesis Esta patología (HPFH) impide la inhibición de la síntesis de hemoglobina fetal durante la vida adulta.de hemoglobina fetal durante la vida adulta.

Los pacientes son con frecuencia asintomáticos pero Los pacientes son con frecuencia asintomáticos pero algunos pueden presentar dolor musculoesquelético algunos pueden presentar dolor musculoesquelético moderado.moderado.

La falla radica en que no es posible detener la La falla radica en que no es posible detener la transcripción de los genes de globina Gtranscripción de los genes de globina G y A y A , con lo , con lo cual existen elevados niveles de hemoglobina fetal en el cual existen elevados niveles de hemoglobina fetal en el paciente.paciente.

Una mutación que impide la formación de triple hélice Una mutación que impide la formación de triple hélice alrededor de 200 pb río arriba del inicio de la alrededor de 200 pb río arriba del inicio de la transcripción es la responsable.transcripción es la responsable.

RNA: Estructura tridimensionalRNA: Estructura tridimensional

Moléculas como tRNA y rRNA poseen una Moléculas como tRNA y rRNA poseen una estructura tridimensional mucho mas compleja.estructura tridimensional mucho mas compleja.

El RNA es monocatenario, pero puede El RNA es monocatenario, pero puede autoaparearse.autoaparearse.

Apareamiento G:U no es poco común en el RNAApareamiento G:U no es poco común en el RNA

Algunas enzimas poseen RNA con estructura Algunas enzimas poseen RNA con estructura secundaria (secundaria (RNAse PRNAse P).).

Otros RNAs poseen actividad catalítica Otros RNAs poseen actividad catalítica ((RibozimasRibozimas))

Posible estructura de M1RNA perteneciente a la enzima RNAsa P.

Three-dimensional structure of phenylalanine tRNA of yeast

A hammerhead ribozyme derived from certain plant viruses

Transformaciones de nucleótidos Transformaciones de nucleótidos bajo reacciones no enzimáticasbajo reacciones no enzimáticas

Varias bases nucleotídicas sufren pérdida espontánea Varias bases nucleotídicas sufren pérdida espontánea de su grupo amino bajo condiciones celulares.de su grupo amino bajo condiciones celulares.

Muchos de estos productos son corregidos por acción Muchos de estos productos son corregidos por acción de la maquinaria de reparación del DNA.de la maquinaria de reparación del DNA.

La desaminación de C podría llevar a un aumento en la La desaminación de C podría llevar a un aumento en la transición G transición G ≡ ≡ C a A = TC a A = T

La transición de CLa transición de C U responde al hecho de que el U responde al hecho de que el DNA posee T en lugar de U.DNA posee T en lugar de U.

Some well-characterized Some well-characterized nonenzymatic reactions of nonenzymatic reactions of nucleotides. Deamination nucleotides. Deamination reactionsreactions

Reacciones inducidas por radiaciónReacciones inducidas por radiación

La luz UV induce la formación de dímeros en dos La luz UV induce la formación de dímeros en dos timidinas adyacentes sobre la misma hebra.timidinas adyacentes sobre la misma hebra.

Otro tipo de dímero inducido por UV es el Otro tipo de dímero inducido por UV es el 6-4 6-4 fotoproductofotoproducto..

Los Los rayos Xrayos X y y γγ pueden causar apertura del pueden causar apertura del anillo y fragmentación de las bases así como anillo y fragmentación de las bases así como ruptura de los enlaces covalentes del esqueleto ruptura de los enlaces covalentes del esqueleto polinucleotídico. polinucleotídico.

Se estima que la radiación UV y la ionizante son Se estima que la radiación UV y la ionizante son responsables del responsables del 10%10% de los daños producidos de los daños producidos por agentes medioambientalespor agentes medioambientales

A bend or kink in introduced into A bend or kink in introduced into the DNA on formation of a the DNA on formation of a cyclobutane pyrimidine dimer.cyclobutane pyrimidine dimer.

Otros agentes químicosOtros agentes químicos

Precursores de Precursores de ácido nitrosoácido nitroso y agentes y agentes alquilantes pueden alterar la estructura del DNA.alquilantes pueden alterar la estructura del DNA.

El ácido nitroso es un potente inductor de El ácido nitroso es un potente inductor de desaminacióndesaminación de las bases. de las bases.

Los agentes alquilantes pueden alterar ciertas Los agentes alquilantes pueden alterar ciertas bases de DNA. Metilación de guanina inducida bases de DNA. Metilación de guanina inducida por por dimetilsulfatodimetilsulfato es un ejemplo de ello. es un ejemplo de ello.

Dimethylsulfate can methylate Dimethylsulfate can methylate a guanine to yield a guanine to yield OO66--methylguanine, which cannot methylguanine, which cannot base-pair with cytosinebase-pair with cytosine

Metilación del DNAMetilación del DNA Adenina y Citosina son principalmente metiladas por Adenina y Citosina son principalmente metiladas por

enzimas.enzimas.

La metilación sólo ocurre en regiones determinadas del La metilación sólo ocurre en regiones determinadas del DNA. En procariontes es un mecanismo que distingue el DNA. En procariontes es un mecanismo que distingue el DNA propio del foráneo.DNA propio del foráneo.

En células eucariontes el 5% de las citidinas está En células eucariontes el 5% de las citidinas está metilada. Esta metilación es más frecuente en regiones metilada. Esta metilación es más frecuente en regiones CpG.CpG.

La metilación suprime la migración de fragmentos La metilación suprime la migración de fragmentos denominados denominados transposonestransposones..

Regiones metiladas ricas en secuencias CpG favorecen la Regiones metiladas ricas en secuencias CpG favorecen la estructura DNA-Zestructura DNA-Z

Otras funciones de los nucleótidosOtras funciones de los nucleótidos

Transporte de energía: ATPTransporte de energía: ATP

Coenzimas: NADH, FADHCoenzimas: NADH, FADH22

Moléculas regulatorias: cAMP, cGMPMoléculas regulatorias: cAMP, cGMP

The phosphate ester and phosphoanhydride The phosphate ester and phosphoanhydride bonds of ATPbonds of ATP