Ácidos nucleicos 1 (soluciones)

1.- ¿Quién descubrió el ácido nucleico?

 En 1869 el bioquímico suizo Friedrich Miescher llamó nucleína a la sustancia aislada de los núcleos de leucocitos obtenidos del pus de los vendajes usados en los hospitales. En sus análisis encontró C, H, O, N y P, pero interpretó que se trataba de una sustancia hasta entonces desconocida por el alto porcentaje de P.

La naturaleza de la nucleína se fue dilucidando en los años posteriores. El bioquímico alemán Albrecht Kossel descubrió que contenía proteínas, sustancias básicas ricas en nitrógeno y un glúcido de cinco átomos de carbono. Kossel fue galardonado con el Premio Nobel de Medicina en 1910 (in recognition of the contributions to our knowledge of cell chemistry made through his work on proteins, including the nucleic substances ).

La fracción de la nucleína que presenta carácter ácido se llamó ácido nucleico, denominación propuesta por  R. Altman en 1889 para las “sustancias ricas en fósforo localizadas exclusivamente en el núcleo celular”.

En resumen: el descubrimiento de la nucleína, posteriormente denominada ácido nucleico, se debe a Miescher.

2.- ¿Qué son los ácidos nucleicos?

Los ácidos nucleicos son cadenas lineales poliméricas en las que el monómero o unidad repetitiva se llama nucleótido. Se pueden definir como polinucleótidos.

Cada nucleótido está integrado por un grupo fosfato, una pentosa y una base nitrogenada. La pentosa siempre ocupa una posición intermedia, esto es, se une por un lado al fosfato y por otro a la base. Si la pentosa es la ribosa se forma un ribonucleótido, por ejemplo:

Dadas las diferencias existentes entre los dos tipos fundamentales, ARN y ADN, es más propio hablar de ácidos nucleicos, en plural, que de ácido nucleico.

3.- ¿A qué se llama nucleósido?

El nucleósido resulta al unirse una pentosa con una base nitrogenada. Cuando la pentosa es la ribosa se llama ribonucleósido y si es la desoxirribosa, resulta un desoxirribonucleósido. Es decir:

nucleósido = pentosa + base nitrogenada

ribonucleósido = ribosa + base nitrogenada

desoxirribonucleósido = desoxirribosa + base nitrogenada

4.- ¿Qué tipo de enlace se establece entre la pentosa y la base nitrogenada? ¿Qué posiciones intervienen en su formación?

Entre la pentosa y la base se establece un enlace N-glucosídico (*).

Las posiciones de las bases purínicas (adenina, guanina) se numeran desde 1 a 9, y las de las pirimidínicas (citosina, timina, uracilo), desde 1 a 6. Los 5 carbonos de la pentosa, para evitar la ambigüedad cuando está unida a la base, se numeran desde 1’ a 5’.

El enlace N-glucosídico se establece entre el C_1’ de la pentosa y el N₁ de la base si es pirimidínica o el N₉ si es purínica:

          …_1’C-  OH  +  H  -N_{1 ó 9}… =  H₂O  + ..._1’C-N_{1 ó 9} …

De manera más detallada:

Dado que en los ácidos nucleicos tanto la ribosa como la desoxirribosa están cicladas en forma beta (con el OH del C₁ hacia arriba) se puede precisar que el enlace es β-N-glucosídico.

(*). En algunos libros, N-glicosídico.

5.- ¿Puede aclarar con algunos ejemplos, sin fórmulas, la nomenclatura de nucleósidos y nucleótidos?

La nomenclatura está condicionada por la pentosa, que puede ser la ribosa (R) o la desoxirribosa (dR), y por las bases nitrogenadas: adenina (A), guanina (G), citosina (C), timina (T) y uracilo (U). Cuando la base es purínica (A, G) se usa el sufijo osina, y si es pirimidínica (C, T, U), idina. En el ARN no hay T y el ADN carece de U.

         ribonucleósido = ribosa + base nitrogenada. Ejemplos:

         adenosina = ribosa + adenina

         citidina = ribosa + citosina

En el caso de los desoxirribonucleósidos se usa el prefijo desoxi:

         desoxiguanosina = desoxirribosa + guanina

         desoxitimidina = desoxirribosa + timina

Los nucleótidos son fosfoésteres de los nucleósidos. Es decir:

         nucleótido = fosfato (P) + nucleósido

Para nombrarlos se añade “monofosfato” al nombre del nucleósido:

adenosina monofosfato (AMP) = adenosina + P

citidina monofosfato (CMP) = citidina + P

desoxitimidina monofosfato (dTMP) = desoxitimidina + P

6.- ¿Hay nucleótidos con más de un grupo fosfato? Cite algunos ejemplos.

El nucleósido puede incorporar 1, 2 ó 3 grupos fosfato (α, β, γ), lo cual debe reflejarse en la nomenclatura, añadiendo monofosfato, difosfato o trifosfato al nombre del nucleósido. Los nucleótidos de los ácidos nucleicos son nucleósidos monofosfato (NMP).

Ejemplos: adenosina monofosfato (AMP), citidina difosfato (CDP), uridina trifosfato (UTP)

Nota.- En algunos libros se omite la última letra del nucleósido cuando se escribe el nucleótido: adenosín monofosfato, citidín difosfato, uridín trifosfato.

7.- ¿Cómo se unen los nucleótidos?

Mediante el llamado enlace internucleotídico o fosfodiéster. El fosfato unido a la posición 5’ esterifica también la 3’ del nucleótido precedente:

La cadena más corta posible (dinucleótido) presenta dos nucleótidos y un enlace fosfodiéster. Sus extremos se anotan como 5’p (el inicial) y 3’-OH (final). Cuando la cadena es corta se llama oligonucleótido y si es larga, en general más de 10 ó 20, polinucleótido.

8.- ¿Por qué se considera tan importante la pentosa en los ácidos nucleicos?

Porque determina la naturaleza del ácido nucleico. La ribosa es un componente del ácido ribonucleico (ARN), y la desoxirribosa, del ácido desoxirribonucleico (ADN). Ambas están cicladas (furanosas) y presentan el OH unido al C₁ hacia arriba (forma β).

El ARN es un polímero formado por ribonucleótidos:

   ribonucleótido = fosfato + ribosa + base nitrogenada (A,G,C,U)

El ADN es un polímero formado por desoxirribonucleótidos:

   desoxirribonucleótido = fosfato + desoxirribosa + base (A,G,C,T)

Como curiosidad, "rib" hace referencia al centro de investigación donde se aisló la ribosa por primera vez: Rockefeller Institute of Biochemistry.

9.- ¿Cuáles son los tipos de enlace que hay entre los componentes de los nucleótidos?

Entre el fosfato y la pentosa, enlace fosfoéster, que se establece previa eliminación de agua entre un OH del grupo fosfato y otro OH de la pentosa.

   …-CH₂ O H + H O - P… =  H₂O  + …-CH₂-O-P…

Entre la pentosa y la base, enlace N-glucosídico.

Ambos enlaces pueden observarse en la fórmula siguiente, que representa la citidina 5’ monofosfato (CMP):

10.- Escriba el nombre del compuesto si el CMP tuviera el grupo fosfato unido a la posición 3’. ¿Y si el único fosfato se uniera con las posiciones 3’ y 5’? ¿Y si presentara sendos grupos fosfato en esas dos posiciones?

• Citidina 3’ monofosfato.

• Citidina 3’, 5’ monofosfato.

• Citidina 3’, 5’ difosfato

11.- Indique el nombre de cada nucleótido suponiendo que la base (B) sea la guanina (G) o la citosina (C)?

• En el primer caso, la presencia de OH en la posición 2’ indica que se trata de la ribosa. Hay una esterificación del grupo fosfato en 3’. El nombre del ribonucleótido, considerando que B = G, sería guanosina 3’ monofosfato, y si B = C, citidina 3’ monofosfato.

• La fórmula de la derecha es similar, pero con la desoxirribosa, en cuyo caso el nombre del desoxirribonucleótido sería, si B = G, desoxiguanosina 3’ monofosfato, y si B = C, desoxicitidina 3’ monofosfato.

 .

12.- Escriba el nombre completo que corresponda a las siguientes siglas: GMP, dCMP, ATP, UDP, dGTP.

• GMP = guanosina monofosfato

• dCMP = desoxicitidina monofosfato

• ATP = adenosina trifosfato

• UDP = uridina difosfato

• dGTP = desoxiguanosina trifosfato

13.- Teniendo en cuenta las letras utilizadas en preguntas anteriores y que los guiones representan enlaces, escriba el nombre completo que corresponda: A-R-P-P, P-R-U, C-dR-P, R-G, P-P-dR-G.

• A-R-P-P = adenosina difosfato (ADP)

• P-R-U = uridina monofosfato (UMP)

• C-dR-P = desoxicitidina monofosfato (dCMP)

• R-G = guanosina

• P-P-dR-G = desoxiguanosina difosfato (dGDP)

14.- ¿Cuál es el nombre del nucleósido adjunto? ¿Por qué aparece el sustituyente 2 oxo de la base hacia la izquierda si en otro libro está a la derecha?

• Es un nucleósido formado por desoxirribosa y citosina. Concretamente, se trata del desoxirribonucleósido llamado desoxicitidina.

En este otro caso se observa que la base está girada.

• El enlace N-glucosídico permite el giro de la base respecto a la pentosa. En la disposición con el 2 oxo a la izquierda (syn) tendría lugar un cierto impedimento estérico (espacial), razón por la cual sería más estable la conformación con el 2 oxo hacia la derecha (anti).

15.- Calcular la masa molecular de las dos pentosas adjuntas (considere estas masas atómicas: C = 12 u, H = 1 u, O = 16 u). ¿Son planos sus anillos pentagonales?

Para obtener la fórmula molecular hay que contar todos los átomos, pero se observa que no están escritos los C de los vértices 1 a 4.

•  C₅H₁₀O₅  = 5x12 + 10x1+ 5x16 = 60 + 10 + 80 = 150 u (unidades de masa atómica) 

• En la 2-desoxirribosa falta un átomo de O y la fórmula molecular  es C₅H₁₀O₄.

Resulta: 150 – 16 = 134 u (unidades de masa atómica).

• Los anillos de las pentosas no son planos sino plegados, dado que las posiciones C₄-O-C₁ sí están en el mismo plano pero C₂ y C₃ están algo por encima o por debajo.

Nota.- La masa atómica relativa de un elemento es el número de veces que la masa de un átomo es mayor que la doceava parte de la masa de un átomo de carbono-12.

La masa molecular relativa es el número de veces que la masa de una molécula es mayor que la doceava parte de la masa de un átomo de carbono-12.·

16.- Dadas las estructuras adjuntas indique la fórmula molecular de cada una y el nombre que falta.

Hay que considerar todos los átomos.

• Purina = C₅N₄H₄.

Los C estarían en las posiciones 2, 4, 5, 6, 8. Los H estarían unidos a los C de las posiciones 2, 6, 8 (para completar la tetravalencia del carbono), más otro H unido al N de la posición 9.

• La otra corresponde a la guanina (2 amino 6 oxo purina). Su fórmula molecular es: C₅N₅H₅O.

17.- Nombre la estructura adjunta y calcule la masa molecular (masas atómicas: H = 1 u, C= 12 u, N = 14 u). Voltear o girar para presentarla de tres formas alternativas, marcando la posición 9.

• Se trata de la adenina (6 amino purina): C₅N₅H₅.

• Masa molecular = 5x12 + 5x14 + 5x1 = 60 + 70 + 5 = 135 u (unidades de masa atómica)

18.- Observe las estructuras adjuntas. Indique el nombre y la fórmula molecular de cada una.

• En el primer caso se trata de la pirimidina. Están representados todos los átomos.

Fórmula molecular: C₄ N₂ H₄

• La otra estructura corresponde a la citosina (2 oxo 4 amino pirimidina).

Fórmula molecular: C₄ N₃ H₅ O.

19.- Observe estas dos estructuras. Indique el nombre y la fórmula molecular de cada una. Voltee o gire la de mayor masa molecular y escríbala de otras tres maneras, marcando la posición 1.

• Se trata de dos bases nitrogenadas derivadas de la pirimidina.

 • La primera es el uracilo (2, 4 dioxo pirimidina): C₄ N₂ H₄ O₂

• La otra es la timina (2,4 dioxo 5 metil pirimidina): C₅ N₂ H₆ O₂

Diferentes posiciones de la timina:

20.- Calcule la masa molecular de la citosina.

Según la pregunta nº 18, citosina: C₄ N₃ H₅ O.

Considerando las masas atómicas anteriormente indicadas, la masa molecular es: 4x12 + 3x14 + 5x1 + 1x16 = 111 u (unidades de masa atómica).

21.- Observe la fórmula del AMP e indique cuáles son sus componentes. ¿Por qué aparece girada la base nitrogenada?

• La adenosina monofosfato (o adenosín monofosfato) es un nucleótido formado por adenina, ribosa y ácido fosfórico (a pH fisiológico estaría ionizado, por lo que se llama grupo o anión fosfato).

• El nucleótido formulado está en conformación anti. Si se hubiera dibujado la adenina encima de la pentosa C, se trataría de la conformación syn.

Ambas conformaciones, anti y syn, se consideran válidas y son  debidas a que el enlace N-glucosídico permite el giro entre la base y la pentosa (variando el ángulo diedro definido por ambas). Sin embargo, en el ADN las bases nitrogenadas están en conformación anti, que es la que posibilita la formación de los puentes de H entre los pares A-T y G-C.

Nota.- Las conformaciones syn y anti no se suelen considerar en los libros de Bachillerato. Se han comentado porque en ocasiones los alumnos plantean dudas sobre las diferentes posiciones de las bases.

22.- ¿Cuál es la fórmula molecular del AMP?

La fórmula molecular se puede deducir a partir de cada componente y restando 2 H₂O (liberada en los dos enlaces formados: fosfoéster y N-glucosídico).

Adenina, C₅   N₅   H₅

Ribosa,    C₅     H₁₀   O₅

Fosfórico,        H₃   O₄  P

Suma:      C₁₀ N₅ H₁₈   O₉   P

Restando 2 H₂O  resulta: C₁₀ N₅ H₁₄ O₇ P

23.- ¿Por qué presentan cargas negativas los ácidos nucleicos? ¿Cuál es el nombre de la molécula adjunta y qué tipos de enlace hay entre sus componentes?

• Los ácidos nucleicos son cadenas de nucleótidos, cada uno de los  cuales presenta carga negativa debida al grupo fosfato, que es el que proporciona el carácter ácido tanto al ADN como al ARN.

• La molécula que se adjunta es adenosina trifosfato, ATP, integrada por adenina, ribosa y tres grupos fosfato.

• Entre la adenina y la ribosa existe un enlace β-N-glucosídico. Entre la ribosa y el fosfato hay un enlace 5’ fosfoéster. Entre los fosfatos existe un tipo de enlace llamado fosfoanhidro, observándose que el átomo de O está unido a dos de fósforo. No hay que confundir este último enlace con el fosfoéster, que es mucho menos "energético". Realmente, la energía libre que se libera en la hidrólisis no proviene del enlace específico que se rompe, sino es consecuencia de que los productos de la reacción poseen un contenido de energía libre menor que la del ATP.

• El ácido fosfórico (ortofosfórico) tiene 3 H capaces de disociarse en el agua, adquiriendo entonces carga negativa (anión fosfato).

Nota.- Los 5 enlaces del ortofosfato están en resonancia, de manera que la distribución espacial es equivalente a una molécula tetraédrica (aunque por simplicidad suele representarse plana). 

24.- Además de los nucleótidos integrantes de los ácidos nucleicos, ¿conoce otros de interés biológico y la función que  desempeñan?

• ATP, AMPc y algunas coenzimas.

• La adenosina trifosfato o ATP es muy importante por actuar como intermediario en las reacciones metabólicas que liberan o consumen energía:

   ATP + H₂O —› ADP + P + energía

   ADP + P + energía —› ATP + H₂O

• El adenosín monofosfato cíclico, AMPc, que suele actuar tras la recepción por parte de la célula de señales concretas, tales como hormonas, desempeñando la función de mensajero químico intracelular que provoca una respuesta metabólica.

El AMPc se forma a partir del ATP, proceso catalizado por la adenilato ciclasa, importante enzima de la clase 4 (EC 4.6.1.1): 

ATP —› AMPc + P- P (difosfato). 

El único fosfato del AMPc esterifica las posiciones 3’ y 5’ de la ribosa, formando un enlace fosfodiéster cíclico:

• Existen coenzimas derivadas de nucleótidos y que son capaces de captar y ceder electrones, por lo cual son muy importantes en las reacciones metabólicas de oxidación-reducción.

Así, por ejemplo, NAD, dinucleótido de adenina  y nicotinamida, y FAD, dinucleótido de adenina y flavina. En ambas coenzimas los dos grupos fosfato están unidos entre sí y a sendas ribosas.

La coenzima NAD requiere vitamina B₃ para su constitución y está formada por dos nucleótidos: [nicotinamida-ribosa-fosfato]-[fosfato-ribosa-adenina].

La coenzima FAD contiene riboflavina (vitamina B₂) y está integrada por estos dos nucleótidos: [flavina-ribitol-fosfato]-[fosfato-ribosa-adenina].

 La denominada coenzima A es un derivado del ADP y actúa en la célula como transportador de grupos de dos carbonos (CH₃-CO-). Su estructura molecular es compleja y contiene ácido pantoténico (vitamina B₅). Suele representarse abreviadamente sólo con el grupo funcional: CoA-SH (o bien, HS-CoA).

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