Tema 4

Estructura primaria de ácidos nucleicos

4.1 Aspectos generales............................................................................................................................................................ 314.1.1 Niveles estructurales.............................................................................................................................................. 32

4.2 Estructura primaria............................................................................................................................................................. 324.3 Formas de representación lineal....................................................................................................................................... 32

4.3.1 Fórmula completa.................................................................................................................................................. 324.3.2 Representaciones esquemáticas........................................................................................................................... 334.3.3 Representaciones abreviadas................................................................................................................................ 33

4.4 Dos tipos de ácidos nucleicos según su composición................................................................................................... 334.5 Propiedades fisicoquímicas de los ácidos nucleicos..................................................................................................... 34

4.5.1 Propiedades en disolución..................................................................................................................................... 344.5.2 Reactividad............................................................................................................................................................ 344.5.3 Hidrólisis química de ácidos nucleicos................................................................................................................... 35

4.5.3.1 Hidrólisis ácida..................................................................................................................................... 354.5.3.2 Hidrólisis alcalina.................................................................................................................................. 35

4.5.4 Absorción en el ultravioleta.................................................................................................................................... 36

4.1 ASPECTOS GENERALES

Tradicionalmente se considera que los ácidos nucleicos forman parte de los nucleoproteidos, el grupo más importante de heteroproteidos o “proteínas conjugadas”, entre los que también se incluyen glicoproteidos y lipoproteidos y, en ocasiones, también fosfoproteidos y cromo- o metaloproteidos. Efectivamente, los nucleoproteidos resultan de la interacción, mediante enlaces electrostáticos fuertes, de los residuos básicos (catiónicos) de ciertas proteínas (histonas, protaminas) y los grupos fosfato (aniónicos) del ácido nucleico. El estudio detenido de estas asociaciones nucleoproteicas se hará una vez conocida la estructura de los ácidos nucleicos a todos sus niveles.

Por su composición química elemental (C, H, O, N y P), derivada de la presencia exclusiva de nucleótidos en su estructura, los ácidos nucleicos se diferencian de las proteínas, esencialmente, en su mayor contenido de fósforo (10%) y en la ausencia total de azufre.

Localización Función

Eucariotas Procariotas Virus

DNA en núcleo celular (varios cromosomas), en matriz

mitocondríal y en estroma de cloroplastos

en la zona nucleoide del citosol (un cromosoma y

varios plásmidos)

dentro de la cápsida (sólo en algunos tipos de

virus)

Depositario y transmisor de la información genética, organizada en

genes que codifican productos génicos (proteínas o RNAs)

RNA en núcleo celular (temporalmente), en citosol, en

matriz mitocondrial y en estroma de cloroplastos

en citosol dentro de la cápsida (en otros

tipos de virus)

Interviene en la transmisión de la información desde el DNA hasta los

productos génicos

Existen dos tipos de ácidos nucleicos, denominados ribonucleico o RNA y desoxirribonucleico o DNA, que difieren en los nucleótidos componentes. Antes

2 ESTRUCTURA PRIMARIA DE ÁCIDOS NUCLEICOS

de describir su estructura, recordemos brevemente que ambos ácidos nucleicos se encuentran en todo tipo de células, tanto procariotas como eucariotas; como excepción, los virus contienen sólo DNA o sólo RNA. En todos los casos, sus diversas funciones en la transmisión y expresión de la información genética vienen determinadas por su localización subcelular y su estructura de orden superior (conformación tridimensional).

4.1.1 Niveles estructuralesDesde un punto de vista estructural, en los ácidos nucleicos se

pueden considerar varios niveles, similares en cierto modo a los descritos tradicionalmente para proteínas:

• Estructura primaria, descrita por la unión de numerosos nucleósidos mediante enlaces fosfodiéster, dando lugar a un polímero lineal. El orden de los nucleósidos (o sus bases) en la cadena define la secuencia del ácido nucleico.• Estructura secundaria, con la que se inicia el análisis espacial de la molécula, correspondiente a la conformación local, es decir, la disposición relativa de nucleótidos que están próximos en la secuencia. Para el DNA este nivel estructural viene definido por la asociación de dos cadenas polinucleotídicas a través de las bases nitrogenadas que sobresalen del esqueleto azúcar-fosfato. En el RNA sólo se presenta en determinadas regiones de la molécula.• Estructuras de orden superior: Se engloban bajo este término genérico todas aquellas estructuras tridimensionales que surgen a partir de los niveles primario y secundario. En eucariotas son complejas, variables y en ocasiones escasamente conocidas. En el caso del DNA pueden incluirse aquí las estructuras resultantes del superenrollamiento y de la asociación con proteínas básicas para formar la cromatina. Sin embargo, y a diferencia de lo que ocurre en proteínas, en general la estructura adoptada a este nivel no viene determinada por las de los niveles inferiores. En el caso de algunos RNAs (especialmente los tRNAs) se observa un plegamiento tridimensional bien definido, equiparable a la estructura terciaria de las proteínas. Aun en este caso, no se observa una estructura cuaternaria, ya que dicho plegamiento sólo afecta a una molécula y no a varias asociadas entre sí, como en las proteínas.

4.2 ESTRUCTURA PRIMARIA

La estructura primaria, común para DNAs y RNAs, consiste en la presencia de cadenas, generalmente largas, de carácter macromolecular, formadas por la unión de nucleósidos mediante enlaces

covalentes 3’-5’-fosfodiéster. Por tanto, la unidad monomérica es el nucleótido, o nucleósido-monofosfato (generalmente contemplado como 5’-NMP).

Los ácidos nucleicos son, por tanto, polímeros de nucleótidos o polinucleótidos, con un esqueleto lineal formado por unidades alternas de fosfato y pentosa (parte constante de la secuencia), del cual sobresalen lateralmente las bases (parte variable, que define la secuencia), unidas al azúcar respectivo por enlaces N-glicosídicos.

Por convenio, la secuencia siempre se indica en dirección 5’ -» 3’, es

DOS TIPOS DE ÁCIDOS NUCLEICOS SEGÚN SU COMPOSICIÓN 3

decir, con el extremo 5' terminal (5’-P) a la izquierda y el extremo 3’ terminal (3’-OH) a la derecha.

CU CU <U CUco en c/2 t/3c3 d a c3

JO ¿3 JD

5\..-P-osa-P-osa-P-osa-P-osa-... 3’

Dentro de este nivel estructural se estudiarán a continuación las distintas formas de representación, las diferencias en composición química de los dos tipos de ácidos nucleicos y sus propiedades fisicoquímicas más representativas.

4.3 FORMAS DE REPRESENTACIÓN LINEAL

Pueden emplearse hasta 6 niveles, de simplificación creciente. En general, se hace uso de la letra inicial de las bases, en mayúsculas, para representar a éstas o a sus nucleósidos. El ácido nucleico propuesto como ejemplo es un RNA (azúcar: ribosa y bases: A, G, U y C), pero las representaciones son igualmente válidas para un DNA (azúcar: desoxirribosa y bases: A, G, T y C).

4.3.1 Fórmula completaPor razones de espacio y fundamentalmente didácticas, es

aconsejable comenzar con una representación vertical del esqueleto del ácido nucleico (notación 1 en la figura), que permite apreciar con detalle los enlaces fosfodiéster entre nucleósidos consecutivos (uniones azúcar-fosfato) y la situación perpendicular al esqueleto de los enlaces N-glicosídícos (uniones azúcar-base). Para mantener la orientación 5’ -* 3’, se sitúa el extremo 5’-P en la parte superior y el extremo 3’-OH en la inferior.

4.3.2 Representaciones esquemáticasComo peculiaridad de esta representación, el anillo furanósico

del azúcar se simplifica mediante un solo trazo vertical, cuyo

Ejemplo: un tetranucleótido

constante) y variable)

4 ESTRUCTURA PRIMARIA DE ÁCIDOS NUCLEICOS

extremo superior corresponde al C-1’ y el inferior al C-5’ (notación 2 en la figura).

En una forma aún más simple se omiten los fosfatos intermedios y la numeración de los azúcares (notación 3).

4.3.3 Representaciones abreviadasLa simplificación se puede aumentar indicando cada nucleósido

mediante la letra inicial de su base nitrogenada (lo único variable en la secuencia). El polinucleótido queda así reducido a una sucesión de letras mayúsculas intercaladas con letras p

minúsculas (notación 4). El extremo 5’-P (a la izquierda) viene representado por una letra p seguida por la letra del primer nucleósido. El extremo 3’-OH, a la derecha, viene dado por la letra del último nucleósido. Los nucleósidos intermedios llevan la p a izquierda y derecha, correspondientes a las posiciones 5’ y 3’, respectivamente.

En la descripción cotidiana de secuencias de ácidos nucleicos se suprimen las letras p intermedias, con lo que la representación se reduce a una secuencia de letras precedida por una letra p para el fosfato en el extremo 5’ (notación 5), o se asume la presencia del fosfato en 5’ y se omite incluso esa primera p (notación 6).

4.4 DOS TIPOS DE ÁCIDOS NUCLEICOS SEGÚN SU COMPOSICIÓN

Tipo de ácido nucleico:

Ácido ribonucleico (RNA) Ácido desoxirribonucleico (DNA)

/lonómeros: Ribonucleótidos Desoxirribonuclcótidos

O(U

Fosfato enlazando los monómer os (enlace fosfodiéster)

*C

Azúcar Ribosa 2’-Desoxirribosa

£

o"O

Purinas Adenina, A (6-aminopurina) Guanina, G (2-amino-6-oxopurina)

OGOCuPirimidinas Citosina, C (2-oxo-4-aminopirimidina)

OO

Uracilo, U (2,4-dioxopirimidina) Timina, T (5-metiluracilo)

DOS TIPOS DE ÁCIDOS NUCLEICOS SEGÚN SU COMPOSICIÓN 5

4.5 PROPIEDADES FISICOQUÍMICAS DE LOS ÁCIDOS NUCLEICOS

Los ácidos nucleicos presentan propiedades importantes en relación con sus funciones de almacenamiento,transmisión (replicación) y expresión (transcripción y traducción)

de la información genética. Se comentan aquíbrevemente algunas de ellas, relacionadas con la estructura, y el

resto se irán estudiando a medida que surja suaplicación al propio estudio de estas moléculas (por ejemplo, la

renaturalización de un DNA desnaturalizado se analizará como fundamento de la hibridación).

4.5.1 Propiedades en disoluciónLas cadenas polinucleotídicas de DNA y RNA son hidrofílicas, debido a

la posibilidad de formación de enlaces de hidrógeno con el agua por parte de los numerosos grupos fosfato y -OH libres del azúcar a lo largo del esqueleto.

Por otro lado, a pH fisiológico los grupos fosfato (pKa próximo a 6) se ionizan casi por completo, haciendo que las moléculas de DNA y RNA se comporten como ácidos y tengan numerosas cargas negativas. Debido a este carácter polianiónico, los ácidos nucleicos se encuentran casi siempre neutralizados por interacción iónica con las cargas positivas de otras moléculas. Concretamente, el DNA del genoma nuclear eucariótico se encuentra unido a histonas, proteínas ricas en Arg y Lys, cargadas positivamente a pH fisiológico, dando lugar a nucleoproteidos; la importancia de esta asociación se considerará posteriormente (pág. 84). En los espermatozoides, el papel de las histonas es desempeñado por pequeñas proteínas ricas en Arg, llamadas protaminas y también con fuerte carga positiva. En otras ocasiones, el DNA se une a poliaminas (principalmente espermina y espermidina, así llamadas por haber sido detectadas originalmente en el semen), distribuidas ampliamente pero de forma especial en

Según la notación de fórmula completa, la representación de ambos ácidos nucleicos es la siguiente:

RNA DNA

6 ESTRUCTURA PRIMARIA DE ÁCIDOS NUCLEICOS

algunos virus y bacterias en estado de rápida proliferación. Así, por ejemplo, en el fago T4 las poliaminas neutralizan un 40% de la carga negativa total del DNA, estabilizando su conformación. Por último, como resultado experimental de esta propiedad, la cristalización de ácidos nucleicos se facilita si su carga negativa se compensa por la unión de iones metálicos.

Debido a la relativa rigidez de la molécula (en doble hélice) y a su inmensa longitud en relación al diámetro, las soluciones de DNA son muy viscosas. Esta propiedad tiene interés en relación con el estudio del proceso de desnaturalización (pág. 165).

4.5.2 ReactividadEn general, los ácidos nucleicos son químicamente muy estables,

especialmente en el caso del DNA. Ello se debe a que la desoxirribosa carece de grupos reactivos: el 4’-OH está comprometido en el cierre del anillo, y los 3’-OH y 5’- OH están formando enlaces fosfodiéster. El RNA es algo más reactivo, gracias a los grupos 2’-OH, lo que se refleja en sus propiedades, por ejemplo, su hidrólisis en medio alcalino, como se verá a continuación.

PROPIEDADES FISICOQUÍMICAS DE LOS ÁCIDOS NUCLEICOS 7

4.5.3 Hidrólisis química de ácidos nucleicos

4.5.3.1 Hidrólisis ácidaLos ácidos fuertes escinden tanto los enlaces fosfodiéster entre

nucleósidos como los enlaces N-glicosídicos de cada nucleótido. Por tanto, sirven para analizar la composición de bases de un ácido nucleico, pero no para determinar su secuencia.

DNA RNA¿se hidrolizan? Enlaces fosfodiéster

(entre nucleósidos)Enlaces N-glicosídicos (en cada nucleósido)

Enlaces fosfodiéster (entre nucleósidos)

Enlaces N-glicosídicos (en cada nucleósido)

Medio ácido fuerte (p.ej., HCI 1M)

sí sí sí sí

Medio ácido débil no sí(todos o purinas)

no sí(todos o purinas)

Los ácidos débiles respetan los enlaces fosfodiéster, pero tienden a romper la unión N-glicosídica. Este enlace es más lábil con purinas que con pirimidinas, por lo que se puede conseguir (por ejemplo, a pH=3) escindir selectivamente las bases purinicas, dando lugar a los denominados ácidos apurínicos. Esta hidrólisis es de cierto interés para estudiar parcialmente la secuencia del DNA. Con el mismo fin, también se han preparado ácidos nucleicos apirimidínicos, por eliminación selectiva de las pirimidinas bajo condiciones químicas diferentes.

CU P_ Oh-P-dRib-P-dRib-P-dRib-P-dRib-P-dRib-P-dRib-P-dRib-