08-Estructura y Funci�n de Acidos Nucleicos

Estructura y Función de Nucleótidos y Ácidos Nucleicos : 

Estructura y Función de Nucleótidos y Ácidos Nucleicos Dr. Giuliano Bernal Dossetto Departamento de Ciencias Biomédicas Facultad de Medicina Universidad Católica del Norte

Introducción : 

Introducción Rol en el metabolismo celular: Unen la respuesta celular a hormonas y a otros estímulos. Son componentes estructurales de diversas coenzimas e intermediarios metabólicos. Dan forma a los ácidos nucleicos: DNA y RNA De su organización depende la diversidad genética de los organismos vivos.

Generalidades : 

Generalidades La secuencia aminoacídica de cada proteína y la secuencia nucleotídica de cada RNA es codificada a su vez por una secuencia en el DNA celular. El almacenaje y transmisión de la información biológica son las funciones del DNA. Un gen es por lo tanto un segmento de DNA que codifica para un RNA o proteína. Los RNA son mas diversos: tRNA, rRNA, mRNA, ribozimas.

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The Avery-MacLeod-McCarty experiment (1944)

Reglas de Chargaff : 

Reglas de Chargaff La composición de bases del DNA generalmente varía de una especie a otra Las muestras de DNA aisladas desde diferentes tejidos de una misma especie poseen la misma composición de bases La composición de bases del DNA de una especie dada no varía con la edad del organismo, su estado nutricional ni con diferentes medioambientes. En todos los DNAs celulares, independiente de la especie, A=T y G=C.

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The Hershey-Chase experiment (1952)

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James Watson & Francis Crick, Premio Nóbel de Medicina 1962 Maurice Wilkins Rosalind Franklin

Estructura : 

Estructura Los nucleótidos tienen 3 componentes característicos: Base nitrogenada Pentosa Grupo fosfato Las bases nitrogenadas derivan de dos compuestos similares, pirimidina y purina. La molécula sin el grupo fosfato se denomina nucleósido.

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Hydrolysis of RNA under alkaline conditions

Enlaces fosfodiester unen los nucleótidos en los ácidos nucleicos : 

Enlaces fosfodiester unen los nucleótidos en los ácidos nucleicos El enlace fosfodiester es un enlace covalente que une nucleótidos en una cadena de DNA o de RNA. Este enlace forma puentes de grupos fosfato entre el grupo 5’-hidroxilo de un nucleótido con el grupo 3’-hidroxilo del nucleótido siguiente. Todos los enlaces fosfodiester tienen la misma orientación a lo largo de la cadena. Esta orientación es 5’-3’. Una cadena nucleotídica menor a 50 pb es denominada oligonucleótido, y mayor a ella es denominada polinucleótido.

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Phosphodiester linkages in the covalent backbone of DNA 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 Exonucleasas : 

Endonucleasas y Exonucleasas A pesar de la estabilidad del ADN, este es degaradado por dos grupos de enzimas. Las exonucleasas hidrolizan el enlace fosfodiester del último nucleótido ya sea en el extremo 5’ o 3’. Las endonucleasas hidrolizan un enlace fosfodiester al interior de la molécula. Por lo tanto son capaces de degradar DNAs circulares. Las endonucleasas de restricción reconocen secuencias específicas de DNA antes de hidrolizar.

Propiedades de las bases nucleotídicas : 

Propiedades de las bases nucleotídicas Purinas y pirimidinas libres son compuestos débilmente básicos, por lo que son llamadas bases. Ambas son moléculas hidrofóbicas y relativamente insolubles en agua a pH fisiológico. A pH ácido o básico las bases se cargan y su solubilidad en agua aumenta. Los ácidos nucleicos se caracterizan por una fuerte absorción a 260 nm.

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Absortion spectra of the common nucleotides

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

Factores que estabilizan la doble hélice de DNA : 

Factores que estabilizan la doble hélice de DNA El apilamiento de bases dentro de una hebra. Interacciones hidrofóbicas y fuerzas de van der Walls. Puentes de hidrógeno entre bases complementarias. Cationes como Mg2+, spermine4+ y la cadena básica de las proteínas, estabilizan al DNA, anulando la carga negativa de los grupos fosfatos. Un agente denaturante tal como la urea es capaz de desestabilizar la estructura del DNA interfiriendo con el apilamiento de las bases más que interactuando con puentes de hidrógeno.

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Denaturation and Renaturation Hipochromic effect: Stacked bases and annealing Hyperchromic effect: Denaturation

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Relationship between tm and the G≡C content of DNA

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DNA hybridization

Estructuras inusuales en secuencias de DNA : 

Estructuras inusuales en secuencias de DNA Palíndrome: Secuencia de DNA con bases repetidas en secuencia inversa en ambas hebras. Esta secuencia es autocomplementaria por lo tanto puede formar estructuras en forma de horquilla o cruz. Repetición especular: La secuencia repetida se encuentra sobre la misma hebra de DNA. No puede formar ninguna de las estructuras anteriores.

Agentes antitumorales que cambian la forma del DNA : 

Agentes antitumorales que cambian la forma del DNA La droga antitumoral cisplatina es usada en una serie de tumores tales como testicular, ovárico, óseo y pulmonar. Esta molécula se entrecruza dentro del DNA induciendo su doblamiento. La estructura del DNA inducido por cisplatina es reconocido por la maquinaria de reparación del DNA (NER), así como por proteínas no histónicas (HMG). Los procesos de Replicación y Transcripción son también afectados por esta estructura. NER induce nicks en el DNA en su intento por reparar el DNA, acumulándose más lesiones e induciendo la apoptosis de la célula.

Triple hebra de DNA : 

Triple hebra de DNA Polinucleótidos como poli(dA) y poli(dT) son capaces de combinar para formar estructuras en forma de triple hélice. Las interacciones de apareamiento No-Watson-Crick se denominan apareamiento de Hoogsteen. La presencia de Mg2+ estabiliza la triple hélice. Hélices intramoleculares pueden formarse por interrupción de la doble hélice normal que posee secuencias de repeticiones especulares. Muchas secuencias eucarióticas pueden formar triple hélices, tales como las secuencias de polipurinas o polipirimidanas. Estas regiones se conocen con el nombre de DNA-H.

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Enlace triple: Apareamiento de Hoogsteen

Persistencia Hereditaria de Hemoglobina Fetal : 

Persistencia Hereditaria de Hemoglobina Fetal Esta patología (HPFH) impide la inhibición de la síntesis de hemoglobina fetal durante la vida adulta. Los pacientes son con frecuencia asintomáticos pero algunos pueden presentar dolor musculoesquelético moderado. La falla radica en que no es posible detener la transcripción de los genes de globina G y A , con lo cual existen elevados niveles de hemoglobina fetal en el paciente. Una mutación que impide la formación de triple hélice alrededor de 200 pb río arriba del inicio de la transcripción es la responsable.

RNA: Estructura tridimensional : 

RNA: Estructura tridimensional Moléculas como tRNA y rRNA poseen una estructura tridimensional mucho mas compleja. El RNA es monocatenario, pero puede autoaparearse. Apareamiento G:U no es poco común en el RNA Algunas enzimas poseen RNA con estructura secundaria (RNAse P). Otros RNAs poseen actividad catalítica (Ribozimas)

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Posible estructura de M1RNA perteneciente a la enzima RNAsa P.

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Three-dimensional structure of phenylalanine tRNA of yeast

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A hammerhead ribozyme derived from certain plant viruses

Transformaciones de nucleótidos bajo reacciones no enzimáticas : 

Transformaciones de nucleótidos bajo reacciones no enzimáticas Varias bases nucleotídicas sufren pérdida espontánea de su grupo amino bajo condiciones celulares. Muchos de estos productos son corregidos por acción de la maquinaria de reparación del DNA. La desaminación de C podría llevar a un aumento en la transición G ≡ C a A = T La transición de C U responde al hecho de que el DNA posee T en lugar de U.

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Some well-characterized nonenzymatic reactions of nucleotides. Deamination reactions

Reacciones inducidas por radiación : 

Reacciones inducidas por radiación La luz UV induce la formación de dímeros en dos timidinas adyacentes sobre la misma hebra. Otro tipo de dímero inducido por UV es el 6-4 fotoproducto. Los rayos X y γ pueden causar apertura del anillo y fragmentación de las bases así como ruptura de los enlaces covalentes del esqueleto polinucleotídico. Se estima que la radiación UV y la ionizante son responsables del 10% de los daños producidos por agentes medioambientales

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

Otros agentes químicos : 

Otros agentes químicos Precursores de ácido nitroso y agentes alquilantes pueden alterar la estructura del DNA. El ácido nitroso es un potente inductor de desaminación de las bases. Los agentes alquilantes pueden alterar ciertas bases de DNA. Metilación de guanina inducida por dimetilsulfato es un ejemplo de ello.

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Dimethylsulfate can methylate a guanine to yield O6-methylguanine, which cannot base-pair with cytosine

Metilación del DNA : 

Metilación del DNA Adenina y Citosina son principalmente metiladas por enzimas. La metilación sólo ocurre en regiones determinadas del DNA. En procariontes es un mecanismo que distingue el DNA propio del foráneo. En células eucariontes el 5% de las citidinas está metilada. Esta metilación es más frecuente en regiones CpG. La metilación suprime la migración de fragmentos denominados transposones. Regiones metiladas ricas en secuencias CpG favorecen la estructura DNA-Z

Otras funciones de los nucleótidos : 

Otras funciones de los nucleótidos Transporte de energía: ATP Coenzimas: NADH, FADH2 Moléculas regulatorias: cAMP, cGMP

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The phosphate ester and phosphoanhydride bonds of ATP