Ribonucleótido - Ribonucleotide
En bioquímica, un ribonucleótido es un nucleótido que contiene ribosa como su componente pentosa . Se considera un precursor molecular de los ácidos nucleicos . Los nucleótidos son los componentes básicos del ADN y el ARN . El propio monómero de los ribonucleótidos forma los bloques de construcción básicos para el ARN. Sin embargo, la reducción de ribonucleótido, por la enzima ribonucleótido reductasa (RNR), forma desoxirribonucleótido, que es el bloque de construcción esencial para el ADN. Existen varias diferencias entre los desoxirribonucleótidos de ADN y los ribonucleótidos de ARN. Los nucleótidos sucesivos se unen mediante enlaces fosfodiéster por 3'-5 '.
Los ribonucleótidos también se utilizan en otras funciones celulares. Estos monómeros especiales se utilizan tanto en la regulación celular como en la señalización celular, como se ve en el monofosfato de adenosina ( AMP ). Además, los ribonucleótidos se pueden convertir en trifosfato de adenosina ( ATP ), la moneda de energía en los organismos. Los ribonucleótidos se pueden convertir en monofosfato de adenosina cíclico ( AMP cíclico ) para regular las hormonas también en los organismos. En los organismos vivos, las bases más comunes de los ribonucleótidos son adenina (A), guanina (G), citosina (C) o uracilo (U). Las bases nitrogenadas se clasifican en dos compuestos originales, purina y pirimidina .
Estructura
Estructura general
La estructura general de un ribonucleótido consta de un grupo fosfato, un grupo de azúcar ribosa y una nucleobase, en la que la nucleobase puede ser adenina, guanina, citosina o uracilo. Sin el grupo fosfato, la composición de la nucleobase y el azúcar se conoce como nucleósido. Las nucleobases nitrogenadas intercambiables se derivan de dos compuestos originales, purina y pirimidina. Los nucleótidos son compuestos heterocíclicos , es decir, contienen al menos dos elementos químicos diferentes como miembros de sus anillos.
Tanto el ARN como el ADN contienen dos bases de purina principales, adenina (A) y guanina (G), y dos pirimidinas principales. Tanto en el ADN como en el ARN, una de las pirimidinas es la citosina (C). Sin embargo, el ADN y el ARN difieren en la segunda pirimidina principal. El ADN contiene timina (T) mientras que el ARN contiene uracilo (U). Hay algunos casos raros en los que la timina se encuentra en el ARN y el uracilo en el ADN.
Aquí están los 4 ribonucleótidos principales (ribonucleósido 5'-monofosfato) que son las unidades estructurales de los ARN.
| Nucleótido | Simbolos | Nucleósido |
|---|---|---|
| Adenilato (adenosina 5'-monofosfato) | A, AMP | Adenosina |
| Guanilato (guanosina 5'-monofosfato) | G, BPF | Guanosina |
| Uridilato (5'-monofosfato de uridina) | U, UMP | Uridina |
| Citidilato (citidina 5'-monofosfato) | C, CMP | Citidina |
Desoxirribonucleótidos de ADN versus ribonucleótidos de ARN
En los ribonucleótidos, el componente de azúcar es la ribosa, mientras que en los desoxirribonucleótidos, el componente de azúcar es la desoxirribosa. En lugar de un grupo hidroxilo en el segundo carbono del anillo de ribosa, se reemplaza por un átomo de hidrógeno.
Ambos tipos de pentosas en el ADN y el ARN se encuentran en su forma de β-furanosa (anillo cerrado de cinco miembros) y definen la identidad de un ácido nucleico. El ADN se define por contener ácido nucleico 2'-desoxi-ribosa, mientras que el ARN se define por contener ácido nucleico ribosa.
En algunas ocasiones, el ADN y el ARN pueden contener algunas bases menores. Las formas metiladas de las bases principales son las más comunes en el ADN. En el ADN viral, algunas bases pueden estar hidroximetiladas o glucosiladas. En el ARN, las bases minoritarias o modificadas ocurren con mayor frecuencia. Algunos ejemplos incluyen hipoxantina, dihidrouracilo, formas metiladas de uracilo, citosina y guanina, así como pseudouridina de nucleósido modificado. También se han observado nucleótidos con grupos fosfato en posiciones distintas del carbono 5 '. Los ejemplos incluyen ribonucleósido 2 ', 3' - monofosfatos cíclicos que son intermedios aislables, y ribonucleósido 3 '- monofosfatos que son productos finales de la hidrólisis del ARN por ciertas ribonucleasas. Otras variaciones incluyen adenosina 3 ', 5'-monofosfato cíclico (cAMP) y guanosina 3', 5'-monofosfato cíclico (cGMP).
Vinculación de nucleótidos sucesivos
Los ribonucleótidos se unen para formar cadenas de ARN mediante enlaces fosfodiéster . El grupo 5'-fosfato de un nucleótido está unido al grupo 3'-hidroxilo del siguiente nucleótido, creando una columna vertebral de residuos alternos de fosfato y pentosa. No hay enlace fosfodiéster en cada extremo del polinucleótido. Los enlaces fosfodiéster se forman entre ribonucleótidos por la enzima ARN polimerasa . La cadena de ARN se sintetiza desde el extremo 5 'hasta el extremo 3' ya que el grupo 3'-hidroxilo del último ribonucleótido de la cadena actúa como nucleófilo y lanza un ataque hidrófilo sobre el 5'-trifosfato del ribonucleótido entrante, liberando pirofosfato como subproducto. Debido a las propiedades físicas de los nucleótidos, la columna vertebral del ARN es muy hidrófila y polar. A pH neutro, los ácidos nucleicos están muy cargados ya que cada grupo fosfato tiene una carga negativa.
Tanto el ADN como el ARN se construyen a partir de fosfatos de nucleósidos, también conocidos como monómeros mononucleotídicos, que son termodinámicamente menos propensos a combinarse que los aminoácidos. Los enlaces fosfodiéster, cuando se hidrolizan, liberan una cantidad considerable de energía libre. Por tanto, los ácidos nucleicos tienden a hidrolizarse espontáneamente en mononucleótidos. Los precursores del ARN son GTP, CTP, UTP y ATP, que es una fuente importante de energía en las reacciones de transferencia de grupos.
Función
Precursores de desoxirribonucleótidos
Los científicos creen que el ARN se desarrolló antes que el ADN.
La reducción de ribonucleótidos a desoxirribonucleótidos es catalizada por la ribonucleótido reductasa . La ribonucleótido reductasa (RNR) es una enzima esencial para todos los organismos vivos, ya que es responsable del último paso en la síntesis de los cuatro desoxirribonucleótidos (dNTP) necesarios para la replicación y reparación del ADN. La reacción también requiere otras dos proteínas: tiorredoxina y tiorredoxina reductasa . La tiorredoxina reduce el difosfato de ribonucleósido (NDP) a un difosfato de desoxirribonucleósido (dNTP).
La reacción general es: difosfato de ribonucleósido + NADPH + H + -> difosfato de desoxirribonucleósido + NADP + + H 2 O
Para ilustrar esta ecuación, dATP y dGTP se sintetizan a partir de ADP y GDP, respectivamente. Primero son reducidos por RNR y luego fosforilados por nucleósido difosfato quinasas a dATP y dGTP. La ribonucleótido reductasa está controlada por interacciones alostéricas. Una vez que el dATP se une a la ribonucleótido reductasa, la actividad catalítica general de la enzima disminuye, lo que significa una abundancia de desoxirribonucleótidos. Esta inhibición por retroalimentación se revierte una vez que el ATP se une.
Discriminación de ribonucleótidos
Durante la síntesis de ADN, las ADN polimerasas deben seleccionar contra ribonucleótidos, presentes en niveles mucho más altos en comparación con los desoxirribonucleótidos. Es fundamental que exista selectividad, ya que la replicación del ADN debe ser precisa para mantener el genoma del organismo. Se ha demostrado que los sitios activos de las ADN polimerasas de la familia Y son responsables de mantener una alta selectividad frente a los ribonucleótidos. La mayoría de las ADN polimerasas también están equipadas para excluir ribonucleótidos de su sitio activo a través de un residuo de cadena lateral voluminoso que puede bloquear estéricamente el grupo 2'-hidroxilo del anillo de ribosa. Sin embargo, muchas ADN polimerasas de reparación y replicación nuclear incorporan ribonucleótidos en el ADN, lo que sugiere que el mecanismo de exclusión no es perfecto.
Síntesis
Síntesis de ribonucleótidos
Los ribonucleótidos pueden sintetizarse en organismos a partir de moléculas más pequeñas a través de la vía de novo o reciclarse a través de la vía de rescate. En el caso de la vía de novo, tanto las purinas como las pirimidinas se sintetizan a partir de componentes derivados de precursores de aminoácidos, ribosa-5-fosfatos, CO2 y NH3.
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Los orígenes biosintéticos de los átomos del anillo de purina N 1 surge del grupo amina de Asp C 2 y C 8 se originan en el formato N 3 y N 9 son aportados por el grupo amida de Gln C 4 , C 5 y N 7 se derivan de Gly C 6 proviene de HCO 3 - (CO 2 ) |
La biosíntesis de novo de nucleótidos de purina es bastante compleja y consta de varias reacciones enzimáticas. Utilizando la estructura de azúcar de cinco anillos como base, el anillo de purina se construye con unos pocos átomos a la vez en un proceso de once pasos que conduce a la formación de inosinato (IMP). Esencialmente, el IMP se convierte en los nucleótidos de purina necesarios para la síntesis de ácidos nucleicos.
La ruta comienza con la conversión de ribosa-5-fosfato (R5P) en fosforribosil pirofosfato (PRPP) por la enzima ribosa-fosfato difosfocinasa (PRPS1). El PRPP luego se convierte en 5-fosforribosilamina (5-PRA) cuando la glutamina dona un grupo amino al C-1 del PRPP. En una reacción de condensación, la enzima GAR sintetasa, junto con la glicina y el ATP, activa el grupo glicina carboxilasa de 5-PRA para formar glicinamida ribonucleótido (GAR). La coenzima N10-formil-THF, junto con la enzima GAR transformilasa, luego dona una unidad de un carbono al grupo amino en la glicina de GAR, seguida de la adición de glutamina por la enzima FGAR amidotransferasa, lo que lleva a la formación de ribonucleótido de formilglicinamidina (FGAM ). La deshidratación de FGAM por la enzima FGAM ciclasa da como resultado el cierre del anillo de imidazol, como 5-aminoimidazol ribonucleótido (AIR). Un grupo carboxilo se une al AIR mediante N5-CAIR sintetasa para formar N5-Carboxiaminoimidazol ribonucleótido (N5-CAIR), que luego se convierte en Carboxiamino-imidazol ribonucleótido (CAIR) con la enzima N5-CAIR mutasa. La enzima SAICAR sintetasa, junto con el grupo amino del aspartato, forma un enlace amida para crear ribonucleótido N-succinil-5-aminoimidazale-4-carboxamida (SAICAR). Continuando por la vía, la eliminación del esqueleto carbónico del aspartato por la SAICAR liasa da como resultado un ribonucleótido de 5-aminoimidazol-4-carboxamida (AICAR). La enzima AICAR transformilasa ayuda en la transferencia de carbono final de N10-formiltetrahidrofolato, formando N-formilaminoimidazol-4-carboxamida ribonucleótido (FAICAR). Por último, la IMP sintasa lleva a cabo el cierre de la segunda estructura de anillo para formar IMP, donde el destino de IMP conduciría a la formación de un nucleótido de purina.
La síntesis de nucleótidos de pirimidina es un proceso mucho más simple. La formación del anillo de pirimidina comienza con la conversión de aspartato en N-carbamoilaspartato al experimentar una reacción de condensación con carbamoil fosfato. La dihidroorotasa y la dihidroorotasa deshidrogenasa luego convierten el N-carbamoilaspartato en orotato. El orotato se une covalentemente con el pirofosfato de fosforribosilo (PRPP) mediante la orotato fosforibisol-transferasa que produce monofosfato de orotidina (OMP). OMP sigue con la descarboxilación por orotidilato descarboxilasa para formar la estructura de ribonucleótido uridilato (UMP). Luego, la UMP se puede convertir en uridina-5'-trifosfato (UTP) mediante la reacción de dos quinasas. La formación de citidina-5'-trifosfato (CTP) a partir de UTP se puede lograr mediante citidilato sintetasa mediante un intermedio de fosfato de acilo.
Síntesis prebiótica de ribonucleótidos
Para comprender cómo surgió la vida , se requiere conocimiento de las vías químicas que permiten la formación de los componentes básicos de la vida en condiciones prebióticas plausibles . Según la hipótesis del mundo del ARN , los ribonucleótidos flotantes estaban presentes en la sopa primitiva. Estas fueron las moléculas fundamentales que se combinaron en serie para formar ARN . Moléculas tan complejas como el ARN deben haber surgido de pequeñas moléculas cuya reactividad se rige por procesos físico-químicos. El ARN está compuesto de nucleótidos de purina y pirimidina , los cuales son necesarios para la transferencia de información confiable y, por lo tanto, la selección natural y la evolución darwiniana . Nam y col. demostraron la condensación directa de nucleobases con ribosa para dar ribonucleósidos en microgotitas acuosas, un paso clave que conduce a la formación de ARN. Además, Becker et al.
Historia
Antes de James Watson y Francis Crick papel de la señal que se detalla la estructura de ADN de Rosalind Franklin 's cristalografía de rayos X de la imagen, había varios científicos históricos que también contribuyeron a su descubrimiento. Friedrich Miescher , un médico suizo que, en 1869, fue el primero en aislar e identificar la sustancia nucleica de los núcleos de los glóbulos blancos que más tarde denominó "nucleína", allanando el camino para el descubrimiento del ADN. Siguiendo el trabajo de Miescher, fue el bioquímico alemán Albrecht Kossel quien, en 1878, aisló los componentes no proteicos de la “nucleína” y descubrió las cinco nucleobases presentes en los ácidos nucleicos: adenina, citosina, guanina, timina y uracilo. Aunque se conocían algunos hechos fundamentales sobre los ácidos nucleicos debido a estos primeros descubrimientos, su estructura y función seguían siendo un misterio.
No fue hasta el descubrimiento de nucleótidos en 1919 por Phoebus Levene , un bioquímico ruso-lituano que volvió a abrir las puertas del descubrimiento del ADN. Levene identificó por primera vez que el componente de carbohidrato presente en el ARN de la levadura era de hecho ribosa . Sin embargo, no fue hasta su descubrimiento de que el componente carbohidrato en el ácido nucleico del timo también era un azúcar pero carecía de un átomo de oxígeno, denominado desoxirribosa , que su descubrimiento fue ampliamente apreciado por la comunidad científica. Finalmente, Levene pudo identificar el orden correcto en el que se juntan los componentes del ARN y el ADN, una unidad de fosfato-azúcar-base, en la que más tarde llamó un nucleótido . Aunque Levene entendía bien el orden de los componentes de los nucleótidos, la estructura de la disposición de los nucleótidos en el espacio y su código genético seguía siendo un misterio durante los primeros años de su carrera.
Ver también
- Ribonucleósidos o ribósidos