2.1 Nucleotidos
Los ácidos nucleicos transmiten la información hereditaria y determinan qué proteínas produce la célula para el funcionamiento de la misma. En las células se encuentran dos tipos de ácidos nucleicos: el ácido desoxirribonucleico y el ácido ribonucleico. El ácido desoxirribonucleico (ADN) es el componente de los genes, el material hereditario de la célula, y contiene instrucciones para la síntesis de todas las proteínas y de todo el ARN que necesita el organismo. El ácido ribonucleico (ARN) participa en el proceso de unión de aminoácidos para formar proteínas. Algunos tipos de ARN actúan como catalizadores biológicos es decir, aceleran numerosas reacciones químicas fundamentales para el organismo. Al igual que las proteínas, los ácidos nucleicos son moléculas grandes y complejas. El ADN y el ARN son químicamente muy similares. Son polímeros constituidos por monomeros llamados nucleotidos. Así como las proteínas están formadas por cadenas largas de aminoácidos, los ácidos nucleicos están formados por cadenas largas de nucleotidos. Cada nucleotido esta integrado por tres subunidades: un grupo fosfato, una pentosa (azúcar de 5 átomos carbonos) y una base nitrogenada;
esta ultima tiene las propiedades de una base y, ademas, contiene nitrógeno. En los nucleotidos que constituyen al ARN, el azúcar es la ribosa y, en el caso del ADN es la
2´ desoxirribosa, es decir, una ribosa que carece del grupo OH en la posición 2´. Las bases nitrogenadas son de dos tipos. La citosina (C), la timina (T) y el uracilo (U) son estructuras de anillo sencillo llamadas pirimidinas. La adenina (A) y la guanina (G) son estructuras mas grandes, de anillos dobles llamadas purinas. La adenina, la guanina y la citosina se encuentran tanto en el ADN como en el ARN. Los nucleotidos pueden unirse mediante cadenas largas por reacciones de condensación que involucran a los grupos hidroxilo de las subunidades de fosfato y azúcar. Una molécula de ARN esta formada por una sola molécula de nucleotidos mientras que una molécula de ADN, esta formada por dos cadenas de nucleotidos enrolladas sobre si mismas, formando una doble hélice. El ARN celular posee una longitud que va desde menos cien hasta varios de miles de nucleotidos. Las moléculas de ADN celular pueden ser tan largas como varios de cientos de millones de nucleotidos. Estas grandes unidades de ADN, en asociación con ciertas proteínas, constituyen a los cromosomas. Los cromosomas son los portadores del material hereditario, los genes. Loa genes son segmentos de ADN que se encuentran a lo largo del cromosoma y que constituyen las unidades de herencia. Un gen típico consiste en cientos de miles de nucleotidos. La secuencia de nucleotidos en la molécula de ADN es el almacén de toda la información genética aportada por los cromosomas. Los nucelotidos se unen mediante enlaces covalentes para formar un esqueleto de azúcar-fosfato alterado. El carbono 3´ de un azúcar se une al fosfato 5´ del azúcar adyacente para formar un enlace 5´ fosfodiester.
Los dos esqueletos de azúcar-fosfato se ubican en la parte exterior de la doble hélice y las bases se proyectan hacia el interior. Donde A esta apareada con T a través de dos enlaces de hidrógeno y G esta apareada con C a través de tres enlaces de hidrógeno
( Angulo Rodríguez,A.A, Galindo Uriarte,A. R, Avendaño Palazuelos, R. C, Perez Angulo,C. Bioquímica,2009).
2.3 Biosintesis de nucleotidos de purina
En la biosintesis de purinas el primer nucleotido completo que se genera es el
inosin-monofosfato (IMP) con la base hipoxantina. El IMP solo sirve como precursor de AMP y GMP y como producto intermedio en la degradación de las purinas, pero en si no aparece en los ácidos nucleicos y tampoco actúa como coenzima.
2.4 Biosintesis de nucleotidos de pririmidina
El primer nucleotido de pirimidina completo que se genera es el uridin-monofosfato (UMP), que es un componente del RNA y luego de sufrir dos fosforilaciones hasta formar UTP sirve como coenzima en la activación de azucares.
La metilacion de uracilo en la posición 5´ genera timidin-monofosfato (TMP). Este nucleotido forma parte de la estructura del RNAt. Como componente del DNA es mucho mas frecuente desoxitimidin-monofosfato (dTMP). La transformación de uracilo en timina ocurre a nivel del desoxiuridin-monofosfato (dUMP).
2.5 Vías metabólicas
(1)La viosíntesis de purinas es una vía metabólica compleja con diez pasos intermedios.
Comienza con el 6´-fosforribosil-difosfato (PRPP) en donde el anillo purinico se forma paso por paso. Las purinas cuentan entre los pocos compuestos aromáticos que pueden ser generados completamente en el metabolismo animal. En vistas de que la síntesis del anillo purico es tan costosa, no es sorprendente que las bases purinicas generalmente no se degraden, si no que hasta el 90% de ellas sea reutilizado en la síntesis de nucleotidos (recuperación de bases puricas) (2). La biosintesis de pirimidinas transcurre en forma diferente ala síntesis de purinas. En primera instancia el precursor del anillo hexagonal se forma a partir de solo dos componentes (carbamoilfosfato y aspartato). El componente hidrato de carbono es unido al anillo justo antes de finalizar la vía. Para la síntesis de nucleotidos de difosfato y trifosfato las cinasas dependientes de ATP agregan residuos fosfato a los mononucleotidos (fosforilacion 4,5). La replicacion y (6) y la transcripción (7) del DNA son procesos extremadamente complejos en los que participan docenas de proteínas. Un importante paso de la síntesis de los componentes del DNA es la reducción de los ribonucleotidos (8) esta ocurre a nivel de los difosfatos y transforma residuos de ribosa y de desoxirribosa. La ribonucleotido reductasa utiliza un mecanismo de radicales libres y estrictamente regulada. En el humano y en algunos animales la degradación de purinas finaliza en el ácido úrico un compuesto con un anillo purinico intacto, que por su mala solubilidad en el cuerpo puede ser eliminado. En otros organismos la degradación resulta en productos mas hidrosolubles. En la degradación de pirimidinas se generan productos finales que pueden ser fácilmente incorporados en el metabolismo intermedio (Koolman. Rohm, Bioquímica humana texto y atlas).
3_ control y regulación metabólica
La mayor parte de las reacciones químicas que tienen lugar en nuestro organismo se encuentran funcionalmente interconectadas, de modo que constituyen un sistema ordenado, que es intrínseco de la materia viva. Si estas reacciones se realizaran en el tubo de ensayo, una gran parte de ellas necesitaría condiciones de pH y temperatura muy alejadas de las fisiológicas, por lo que no podrían llevarse a cabo a no ser que dispusieran de catalizadores específicos, las enzimas. Aunque hasta hace poco tiempo se consideraba que todas las enzimas eran de naturaleza proteica, y así lo son realmente en la mayoría de los casos, se ha observado que también las hay de otra naturaleza, como es el caso de varios RNA, o ribozimas, que presentan funciones catalíticas y por tanto también deben ser considerados enzimas. Las enzimas controlan tanto la naturaleza como la velocidad de las reacciones, e intervienen tanto en las espontáneas (exergónicas) como en las no espontáneas (endergónicas). Las enzimas catalizan la conversión de uno o más compuestos (sustratos) en uno o varios productos. Las enzimas no modifican la constante de equilibrio ni las características termodinámicas de las reacciones, sino que hacen que la reacción se aproxime más rápidamente al equilibrio. A su vez, como otros catalizadores, las enzimas no se consumen o se alteran como consecuencia de su participación en una reacción. Sin embargo, a diferencia de los catalizadores inorgánicos, las enzimas son muy específicas tanto en cuanto al tipo de reacción que catalizan como a la naturaleza del sustrato o de los sustratos sobre los que actúan. Para llevar a cabo su acción catalítica, la enzima tiene que interaccionar con el sustrato, de forma que éste se une temporalmente a la enzima en el denominado sitio de unión del sustrato, que está constituido por unos cuantos aminoácidos de la enzima. Así se consigue la aproximación física del sustrato a los
aminoácidos de la enzima involucrados en el proceso catalítico, que se encuentran en el denominado sitio catalítico. El conjunto del sitio de unión del sustrato y el sitio catalítico de la enzima constituyen el sitio activo. Existen también otros términos relacionados con la acción enzimática que conviene definir. La apoenzima corresponde solamente a la parte proteica de la enzima. Para llevar a cabo su función catalítica, normalmente la enzima necesita otros grupos o componentes no proteicos, de forma que la apoenzima sola suele carecer de actividad. Entre ellos cabe citar los siguientes: Los grupos prostéticos, que son componentes no proteicos que se encuentran unidos fuertemente a la apoenzima, como es por ejemplo el caso de iones metálicos. La asociación del grupo prostético a la apoenzima da lugar a la denominada holoenzima, que no es más que la enzima activa. De hecho, generalmente, al hablar de una enzima se está haciendo referencia a la holoenzima, sin indicación de la naturaleza de su grupo prostético. Los cofactores, que son componentes orgánicos o inorgánicos que se unen a la enzima sólo de forma transitoria; entre ellos también se incluyen iones metálicos. Las coenzimas, que son de naturaleza orgánica; su presencia en el entorno de la reacción es necesaria para que la enzima pueda tener actividad catalítica. Hay también enzimas que tienen un sitio distinto al activo, el denominado sitio alostérico, donde se unen pequeñas moléculas, los efectores alostéricos, que modifican la configuración espacial de la enzima, alterando así su eficacia catalítica (la
activan o la inhiben). Estas enzimas son las denominadas enzimas alostéricas, que tienen unas características estructurales y funcionales muy particulares, y desempeñan un papel esencial en el control del metabolismo. Las seis clases de enzimas son: oxido-reductasas, transferasas, hidrolasas, liasas, isomerasas y ligasas. Muchas enzimas sólo catalizan la transformación del sustrato en presencia de un cofactor no proteico, que participa directamente en la unión del sustrato o en la catálisis. Estos cofactores son grupos prostéticos, cofactores y coenzimas, los cuales amplían las capacidades catalíticas de las enzimas por encima del limitado número de grupos funcionales presentes en las cadenas laterales de los aminoácidos (Herrera.E,.Ramos. M, Roca. P, Viana. M, Bioquímica básica).
4,5_ Estructura de los ácidos nucleicos, mecanismos de replicacion y regulación genética
Los ácidos nucleicos constituyen un grupo de macro moléculas cuya función esencial es la de conservar, transmitir y expresar la información genética. Esta información se transmite de generación en generación y es la que garantiza que todos los individuos de una especie sean esencialmente iguales y puedan dar origen a descendientes también iguales a sus progenitores. Los tipos principales de ácidos nucleicos son dos; los ácidos ribonucleicos (ARN) y los ácidos desoxiribonucleicos (ADN) cada uno de ellos con funciones específicas dentro del amplio fenómeno del procesamiento de la información genética. Aunque los ARN están formados por una sola cadena polinucleotídica, esta no adopta una forma fibrilar, sino que se pliega sobre sí misma y en sectores donde las bases son complementarias forman estructuras duplohelicoidales. Es bueno señalar que el apareamiento de bases no es tan estricto como en el ADN y así por ejemplo es frecuente encontrarse pares GU e incluso GG. Estos plegamientos con el máximo grado de apareamiento de bases se pueden representar sobre un plano y se definen como la estructura secundaria de los ARN. La estructura tridimensional de los ARN se conoce como su estructura terciaria. En las células existen tres tipos principales de ARN que se distinguen tanto estructural como funcionalmente. Tomando como criterio su participación en la síntesis de proteínas se han denominado ARN de transferencia (ARNt), ARN ribosomal (ARNr) y ARN mensajero (ARNm). Se estudian solo como modelo, la estructura de los ARNt. Los ARNt constituyen una familia de especies moleculares cuya función es la de transportar los aminoácidos hacia los ribosomas durante la síntesis de proteínas. Los ARNt son polinucleótidos pequeños que contienen de 60 a 95 nucleótidos, aunque la mayoría tiene 76. Lo que más se distingue en su composición de bases es la presencia de numerosas bases modificadas que llegan a constituir hasta 20% de la molécula. Estudios realizados han mostrado que la molécula adopta la forma de una letra L invertida (Γ). El lado vertical se forma por el brazo D y el del anticodón en tanto el lado horizontal lo forman el brazo TψC y el tallo aceptor. En ambos lados la molécula forma una doble hélice similar al ADN pero con apareamientos menos estrictos. Cada lado tiene una longitud de 6 nm y un ancho de 2 a 2,5 nm. el ADN está formado por hebras de polidesoxinucleótidos (que resultan de la unión de gran número de desoxinucleótidos) enlazados mediante un enlace fosfodiéster. Este enlace se establece entre la posición 3´ de un desoxinucleótido y la posición 5´ del otro, por lo que se denomina 3´→5´. De esta forma la hebra posee un extremo con el grupo fosfato de la posición 5´ libre (extremo 5´) y el otro que presenta libre el grupo OH de la posición 3´ (extremo 3´). Cada desoxinucleótido a su vez está formado por una base nitrogenada que puede ser purínica o pirimidínica, por la D-2-desoxirribosa y una molécula de ácido fosfórico. Watson y Crick propusieron que la molécula de ADN está formada por dos hebras que se disponían en forma antiparalela, es decir, el extremo 5´ de una coincidía con el 3´ de la otra y adquirían la forma de una doble hélice de giro derecho. La zona monótona está dispuesta hacia el exterior mientras que la zona diversa se orienta hacia el interior de la molécula, de manera que las bases nitrogenadas de una hebra se enfrenta a las bases de la otra. Lo más trascendental del modelo era que la estructura solo podía acomodar dos pares de bases, los formados por la adenina y la timina (A-T) y por la citosina y la guanina (C-G). Las bases de cada par se dice que son complementarias. Estos pares se mantenían unidos por la formación de puentes de hidrógeno entre las bases, dos puentes en el par A-T y tres en el C-G. No existía restricción alguna para la sucesión de las bases en una de las hebras, pero la de la otra hebra venía determinada debido al carácter complementario del apareamiento.La estructura de ADN es muy compacta y en su superficie se distinguen dos surcos de tamaño diferentes a los cuales se les denomina mayor y menor. Las paredes de los surcos están formadas por el eje principal, azúcar fosfato, en tanto que el fondo está determinado por los bordes de los pares de bases. Estos surcos, especialmente el mayor, constituyen sitios de interacción con proteínas que controlan las funciones del ADN. Los principales elementos reguladores son: el promotor, el potenciador y el silenciador. Solo se hará breve referencia al primero. El promotor de los genes que codifican proteínas se encuentra en el extremo 5´ de la zona de codificación y por lo general contiene la secuencia TATA a unos 30 nucleótidos del sitio de iniciación de la transcripción. En la secuencia TATA se forma el complejo basal de transcripción, constituido por los factores generales de transcripción y la ARN polimerasa II. También contiene otras secuencias que pueden estar separadas de la secuencia TATA por decenas o cientos de pares de bases y a las cuales se unen los factores de transcripción génico específicos que modulan el nivel basal de la transcripción. La zona de codificación es copiada en forma de un ARN mensajero durante el proceso de transcripción. La información no está codificada de forma continua sino interrumpida por secuencias que no formarán parte del ARN mensajero maduro y que reciben el nombre de intrones. A los sectores cuya información sí aparece en el ARN mensajero se le da el nombre de exones. Cada gen posee un número de exones que puede ser de dos como el de la β o α-globina o más de cincuenta como sucede con el gen del colágeno(Hernandez. C, Bioquímica humana).
3_ control y regulación metabólica
La mayor parte de las reacciones químicas que tienen lugar en nuestro organismo se encuentran funcionalmente interconectadas, de modo que constituyen un sistema ordenado, que es intrínseco de la materia viva. Si estas reacciones se realizaran en el tubo de ensayo, una gran parte de ellas necesitaría condiciones de pH y temperatura muy alejadas de las fisiológicas, por lo que no podrían llevarse a cabo a no ser que dispusieran de catalizadores específicos, las enzimas. Aunque hasta hace poco tiempo se consideraba que todas las enzimas eran de naturaleza proteica, y así lo son realmente en la mayoría de los casos, se ha observado que también las hay de otra naturaleza, como es el caso de varios RNA, o ribozimas, que presentan funciones catalíticas y por tanto también deben ser considerados enzimas. Las enzimas controlan tanto la naturaleza como la velocidad de las reacciones, e intervienen tanto en las espontáneas (exergónicas) como en las no espontáneas (endergónicas). Las enzimas catalizan la conversión de uno o más compuestos (sustratos) en uno o varios productos. Las enzimas no modifican la constante de equilibrio ni las características termodinámicas de las reacciones, sino que hacen que la reacción se aproxime más rápidamente al equilibrio. A su vez, como otros catalizadores, las enzimas no se consumen o se alteran como consecuencia de su participación en una reacción. Sin embargo, a diferencia de los catalizadores inorgánicos, las enzimas son muy específicas tanto en cuanto al tipo de reacción que catalizan como a la naturaleza del sustrato o de los sustratos sobre los que actúan. Para llevar a cabo su acción catalítica, la enzima tiene que interaccionar con el sustrato, de forma que éste se une temporalmente a la enzima en el denominado sitio de unión del sustrato, que está constituido por unos cuantos aminoácidos de la enzima. Así se consigue la aproximación física del sustrato a los
aminoácidos de la enzima involucrados en el proceso catalítico, que se encuentran en el denominado sitio catalítico. El conjunto del sitio de unión del sustrato y el sitio catalítico de la enzima constituyen el sitio activo. Existen también otros términos relacionados con la acción enzimática que conviene definir. La apoenzima corresponde solamente a la parte proteica de la enzima. Para llevar a cabo su función catalítica, normalmente la enzima necesita otros grupos o componentes no proteicos, de forma que la apoenzima sola suele carecer de actividad. Entre ellos cabe citar los siguientes: Los grupos prostéticos, que son componentes no proteicos que se encuentran unidos fuertemente a la apoenzima, como es por ejemplo el caso de iones metálicos. La asociación del grupo prostético a la apoenzima da lugar a la denominada holoenzima, que no es más que la enzima activa. De hecho, generalmente, al hablar de una enzima se está haciendo referencia a la holoenzima, sin indicación de la naturaleza de su grupo prostético. Los cofactores, que son componentes orgánicos o inorgánicos que se unen a la enzima sólo de forma transitoria; entre ellos también se incluyen iones metálicos. Las coenzimas, que son de naturaleza orgánica; su presencia en el entorno de la reacción es necesaria para que la enzima pueda tener actividad catalítica. Hay también enzimas que tienen un sitio distinto al activo, el denominado sitio alostérico, donde se unen pequeñas moléculas, los efectores alostéricos, que modifican la configuración espacial de la enzima, alterando así su eficacia catalítica (la
activan o la inhiben). Estas enzimas son las denominadas enzimas alostéricas, que tienen unas características estructurales y funcionales muy particulares, y desempeñan un papel esencial en el control del metabolismo. Las seis clases de enzimas son: oxido-reductasas, transferasas, hidrolasas, liasas, isomerasas y ligasas. Muchas enzimas sólo catalizan la transformación del sustrato en presencia de un cofactor no proteico, que participa directamente en la unión del sustrato o en la catálisis. Estos cofactores son grupos prostéticos, cofactores y coenzimas, los cuales amplían las capacidades catalíticas de las enzimas por encima del limitado número de grupos funcionales presentes en las cadenas laterales de los aminoácidos (Herrera.E,.Ramos. M, Roca. P, Viana. M, Bioquímica básica).
4,5_ Estructura de los ácidos nucleicos, mecanismos de replicacion y regulación genética
Los ácidos nucleicos constituyen un grupo de macro moléculas cuya función esencial es la de conservar, transmitir y expresar la información genética. Esta información se transmite de generación en generación y es la que garantiza que todos los individuos de una especie sean esencialmente iguales y puedan dar origen a descendientes también iguales a sus progenitores. Los tipos principales de ácidos nucleicos son dos; los ácidos ribonucleicos (ARN) y los ácidos desoxiribonucleicos (ADN) cada uno de ellos con funciones específicas dentro del amplio fenómeno del procesamiento de la información genética. Aunque los ARN están formados por una sola cadena polinucleotídica, esta no adopta una forma fibrilar, sino que se pliega sobre sí misma y en sectores donde las bases son complementarias forman estructuras duplohelicoidales. Es bueno señalar que el apareamiento de bases no es tan estricto como en el ADN y así por ejemplo es frecuente encontrarse pares GU e incluso GG. Estos plegamientos con el máximo grado de apareamiento de bases se pueden representar sobre un plano y se definen como la estructura secundaria de los ARN. La estructura tridimensional de los ARN se conoce como su estructura terciaria. En las células existen tres tipos principales de ARN que se distinguen tanto estructural como funcionalmente. Tomando como criterio su participación en la síntesis de proteínas se han denominado ARN de transferencia (ARNt), ARN ribosomal (ARNr) y ARN mensajero (ARNm). Se estudian solo como modelo, la estructura de los ARNt. Los ARNt constituyen una familia de especies moleculares cuya función es la de transportar los aminoácidos hacia los ribosomas durante la síntesis de proteínas. Los ARNt son polinucleótidos pequeños que contienen de 60 a 95 nucleótidos, aunque la mayoría tiene 76. Lo que más se distingue en su composición de bases es la presencia de numerosas bases modificadas que llegan a constituir hasta 20% de la molécula. Estudios realizados han mostrado que la molécula adopta la forma de una letra L invertida (Γ). El lado vertical se forma por el brazo D y el del anticodón en tanto el lado horizontal lo forman el brazo TψC y el tallo aceptor. En ambos lados la molécula forma una doble hélice similar al ADN pero con apareamientos menos estrictos. Cada lado tiene una longitud de 6 nm y un ancho de 2 a 2,5 nm. el ADN está formado por hebras de polidesoxinucleótidos (que resultan de la unión de gran número de desoxinucleótidos) enlazados mediante un enlace fosfodiéster. Este enlace se establece entre la posición 3´ de un desoxinucleótido y la posición 5´ del otro, por lo que se denomina 3´→5´. De esta forma la hebra posee un extremo con el grupo fosfato de la posición 5´ libre (extremo 5´) y el otro que presenta libre el grupo OH de la posición 3´ (extremo 3´). Cada desoxinucleótido a su vez está formado por una base nitrogenada que puede ser purínica o pirimidínica, por la D-2-desoxirribosa y una molécula de ácido fosfórico. Watson y Crick propusieron que la molécula de ADN está formada por dos hebras que se disponían en forma antiparalela, es decir, el extremo 5´ de una coincidía con el 3´ de la otra y adquirían la forma de una doble hélice de giro derecho. La zona monótona está dispuesta hacia el exterior mientras que la zona diversa se orienta hacia el interior de la molécula, de manera que las bases nitrogenadas de una hebra se enfrenta a las bases de la otra. Lo más trascendental del modelo era que la estructura solo podía acomodar dos pares de bases, los formados por la adenina y la timina (A-T) y por la citosina y la guanina (C-G). Las bases de cada par se dice que son complementarias. Estos pares se mantenían unidos por la formación de puentes de hidrógeno entre las bases, dos puentes en el par A-T y tres en el C-G. No existía restricción alguna para la sucesión de las bases en una de las hebras, pero la de la otra hebra venía determinada debido al carácter complementario del apareamiento.La estructura de ADN es muy compacta y en su superficie se distinguen dos surcos de tamaño diferentes a los cuales se les denomina mayor y menor. Las paredes de los surcos están formadas por el eje principal, azúcar fosfato, en tanto que el fondo está determinado por los bordes de los pares de bases. Estos surcos, especialmente el mayor, constituyen sitios de interacción con proteínas que controlan las funciones del ADN. Los principales elementos reguladores son: el promotor, el potenciador y el silenciador. Solo se hará breve referencia al primero. El promotor de los genes que codifican proteínas se encuentra en el extremo 5´ de la zona de codificación y por lo general contiene la secuencia TATA a unos 30 nucleótidos del sitio de iniciación de la transcripción. En la secuencia TATA se forma el complejo basal de transcripción, constituido por los factores generales de transcripción y la ARN polimerasa II. También contiene otras secuencias que pueden estar separadas de la secuencia TATA por decenas o cientos de pares de bases y a las cuales se unen los factores de transcripción génico específicos que modulan el nivel basal de la transcripción. La zona de codificación es copiada en forma de un ARN mensajero durante el proceso de transcripción. La información no está codificada de forma continua sino interrumpida por secuencias que no formarán parte del ARN mensajero maduro y que reciben el nombre de intrones. A los sectores cuya información sí aparece en el ARN mensajero se le da el nombre de exones. Cada gen posee un número de exones que puede ser de dos como el de la β o α-globina o más de cincuenta como sucede con el gen del colágeno(Hernandez. C, Bioquímica humana).
