1.7.2. Nucleótidos. Enlace fosfodíéster. Funciones de los nucleótidos.

NUCLEOTIDOS 

Los nucleótidos son las unidades que forman los ácidos nucleicos. En este sentido, equivalen a los monómeros que constituyen las otras macromoléculas biológicas.

Cada nucleótido es una molécula relativamente compleja, compuesta por la unión de tres unidades: un monosacárido (una pentosa), una base nitrogenada y uno o varios grupos fosfato. Tanto la base nitrogenada como los grupos fosfato se encuentran unidos a la pentosa.

La pentosa siempre es una aldopentosa, ya sea b-D-ribofuranosa, y en este caso el nucleótido se denomina ribonucleótido, o b-D-2-desoxirribofuranosa, constituyente de los desoxirribonucleótidos (el prefijo desoxi- indica que la pentosa carece de un átomo de oxígeno).

La base nitrogenada puede ser de dos tipos: púrica, derivada de la purina o pirimidínica, derivada del anillo de la pirimidina.

La presencia de los átomos de nitrógeno comunica, en ambos casos, carácter básico a estos compuestos.

La existencia de distintos radicales hace que puedan aparecer varias bases nitrogenadas; concretamente, las presentes en los ácidos nucleicos son dos bases derivadas de la purina, la adenina (A) y la guanina (O), y tres derivadas de la pirimidina, la citosina (C), la timina (T) y el uracilo (U).

La porción constituida por la pentosa y la base nitrogenada se denomina nucleósido. En su constitución, el átomo de carbono C-1 de la pentosa se une al nitrógeno N-1 de la pirimidina o al N-9 de la purina.

Para distinguir qué átomos pertenecen a la pentosa y cuáles a la base se emplean en la primera números con apóstrofe. Así, por ejemplo, diríamos que para constituir un nucleósido, la base nitrogenada se une al carbono l' de la pentosa.

Como existen dos clases de pentosas y cinco bases nitrogenadas, pueden aparecer diez tipos de nucleósidos diferentes. Para nombrarlos, se antepone al nombre del nucleósido un prefijo que indica la base nitrogenada (cit-, tim-, ur-, aden-, guan-,) y se añade la terminación -idina, si la base es pirimidínica, y -osina, si es púrica.

Si la pentosa es la desoxirribosa, se coloca el prefijo desoxi, delante del nombre. Si es la ribosa, no se antepone ningún prefijo. Por ejemplo, los cuatro nucleósidos del ADN se llaman desoxiadenosina, desoxiguanosina, desoxitimidina y desoxicitidina. 

        La unión de uno o varios grupos fosfato al carbono 3' o al carbono 5' de la pentosa da lugar al nucleótido completo. Su nomenclatura es sencilla: se elimina la última letra a del nombre del nucleósido y se indica a continuación el lugar de unión a la pentosa y el número de fosfatos unidos. Si no se indica numeración, se sobreentiende que la unión se realiza con el carbono 5'.

Cuando existe más de un grupo fosfato, se unen en cadena, uno a continuación de otro.

En algunas representaciones  se observa que los grupos -OH unidos a los átomos de P figuran como -O^-. Esto es debido a que a los pH biológicos habituales esos grupos se encuentran ionizados.

Con frecuencia se emplean abreviaturas para nombrar a los nucleótidos. Así GTP indica guanosín trifosfato.

ENLACE FOSFODIESTER. 

La existencia de grupos hidroxilo, tanto en la pentosa como en el fosfato, permite la unión de los nucleótidos mediante la formación de enlaces entre ambos grupos.

Formación del enlace fosfodíéster, constituyendo un trinucleótido.

La unión es una esterificación que se realiza entre el grupo fosfato situado en posición 5' de un nucleótido y el grupo hidroxilo que se encuentra en el carbono 3' de otro nucleótido.

Se trata, por tanto, de una condensación, en la que se obtiene un compuesto denominado dinucleótido y se libera una molécula de agua. El nuevo enlace, de tipo éster fosfórico, se denomina  enlace fosfodíéster, o enlace nucleotídico. La hidrólisis del dinucleótido libera los dos mononucleótidos.

Dado que existen aún grupos hidroxilo libres, el dinucleótido se puede unir a más nucleótidos y formar trinucleótidos, tetranucleótidos, etc. La unión de cientos o miles de cadenas de nucleótidos constituye los ácidos nucleicos o polinucleótidos, moléculas gigantescas con una masa molecular muy elevada.

Como la unión entre los nucleótidos se produce entre pentosas y fosfatos, las bases nitrogenadas no participan en los enlaces. Se establecen, por tanto, largas cadenas sin ramificar formadas por la secuencia pentosa- fosfato-pentosa- fosfato…, en la que las bases nitrogenadas quedan «colgando» lateralmente de las pentosas. La secuencia de estas bases nitrogenadas es la que proporciona la especificidad a una cadena polinucleotídica determinada.

En todos los polinucleótidos existe un extremo (denominado extremo 3') con una pentosa con el grupo -OH del carbono 3' libre, y otro extremo (llamado extremo 5'), donde se localiza un grupo fosfato libre unido al carbono 5' de otra pentosa. Es decir, ambos extremos son distintos.

Se suele emplear una notación simplificada para indicar la composición de un polinucleótido, en la que únicamente se señala la secuencia de bases nitrogenadas y los extremos 5' y 3'.

FUNCIONES DE LOS NUCLEOTIDOS. 

Los nucleótidos son moléculas que poseen un gran interés biológico, ya que, además de constituir los ácidos nucleicos (función estructural), llevan a cabo algunas funciones básicas para los seres vivos, cuando se encuentran libres en la célula. Entre las principales funciones tenemos:

Moléculas acumuladoras y donantes de energía. 

Ciertas reacciones bioquímicas propias de los seres vivos tienen como finalidad la producción de energía. Si esta energía se desprendiera libremente apenas tendría utilidad para el organismo. Resulta más eficaz disponer de un sistema capaz de acumular la energía liberada, de manera que pueda ser utilizada con posterioridad en la cantidad y en el momento precisos. Algunos nucleótidos (fundamentalmente de adenosina y, en menor medida, también de guanosina) con más de un grupo fosfato desempeñan esta función.

Cuando existe energía disponible, una molécula de adenosín difosfato (ADP) la emplea en unir un tercer grupo fosfato a los otros dos para obtener adenosín trifosfato (ATP).

El enlace así constituido es altamente energético, lo que quiere decir que para su formación se requiere una cantidad considerable de energía (7 kcal/mol). Resulta evidente que la rotura de este enlace liberará la misma cantidad de energía.

De esta manera, el sistema ADP/ATP constituye una forma eficaz de «guardar» la energía liberada en reacciones biológicas exotérmicas.

Si existe energía disponible en abundancia se formarán muchas moléculas de ATP a partir de ADP. La proporción ATP/ADP será en este caso alta. Por el contrario, el consumo de energía en gran cantidad por parte de la célula disminuirá los niveles de ATP y aumentará los de ADP. La proporción ATP/ADP será más baja.

       Es habitual representar los enlaces de alta energía que existen entre los grupos fosfato con el símbolo (~), en lugar de la notación usual (-) de los enlaces.

Moléculas con función coenzimática:

       Ciertos dinucleótidos intervienen como coenzimas en algunas reacciones enzimáticas importantes. Este es el caso de:

·        Nicotinamín adenín dinucleótido (NAD⁺). Es un derivado de la vitamina PP o nicotinamida.

·        Nicotinamín adenín dinucleótido fosfato (NADP⁺). Su fórmula es igual a la del NAD⁺, pero lleva un grupo fosfato en el carbono 2' del nucleótido de adenina.

·        Flavín adenín dinucleótido (FAD). Es un derivado de la riboflavina o vitamina B₂.

Las tres coenzimas tienen una acción semejante. Participan en  reacciones de deshidrogenación, fundamentales en el catabolismo celular. En estas deshidrogenaciones toman H⁺ y electrones de algunas moléculas y quedan como NADH, NADPH y FADH₂, respectivamente. Estas coenzimas, en estado reducido, pueden ceder fácilmente electrones y H⁺ a otras moléculas.

- El coenzima A que actúa como transportador de grupos acilo (CH3-CO) incluye un nucleótido (ADP) en su molécula.

Mensajeros intracelulares: 

La molécula de adenosín monofosfato cíclico (AMPc)  desempeña un papel clave en el desencadenamiento de las respuestas de la célula ante las informaciones que recibe del medio extracelular. La unión de moléculas mensajeras (hormonas, neurotransmisores), procedentes de otros lugares, a ciertos receptores específicos de la membrana plasmática provocan la activación de la enzima adenil ciclasa, la cual lleva a cabo la siguiente reacción:

El AMP_C sintetizado permite la ejecución de varios procesos bioquímicos que, en última instancia, originan la respuesta celular. Actúa así como mediador entre la información externa y la respuesta final. Por esta razón, también se denomina  segundo mensajero.

Molécula de adenosín monofosfato cíclico (AMPc).