Arquitectura molecular de la materia viva (BIOQUÍMICA)

SE PRESENTAN LAS TRES CLASES PRINCIPALES DE biomoléculas: los ácidos nucleicos, las proteínas y los polisacáridos. Estas sustancias, en conjunto, constituyen una gran parte de la materia viva. Dirigen y realizan el enorme entramado de procesos químicos que constituyen la vida. Aunque estructuralmente son muy diferentes, los ácidos nucleicos, las proteínas y los polisacáridos poseen determinadas características comunes.

Naturaleza de los ácidos nucleicos

Resulta adecuado iniciar esta sección con los ácidos nucleicos, ya que en cierto sentido son los componentes más fundamentales de la célula viva. Parece probable que la vida en sí empezara su evolución con los ácidos nucleicos, puesto que éstas son las únicas sustancias biológicas que poseen la notable propiedad de la autoduplicación. Hoy en día, los ácidos nucleicos actúan como depositarios y transmisores de la información genética de cada célula, tejido y organismo. Los planos para la construcción de un organismo están codificados en su ácido nucleico, en moléculas gigantescas como la que se muestra en la Figura 1.5. Gran parte del desarrollo físico de un organismo a lo largo de su vida está programado en estas moléculas. Las proteínas que elaborarán sus células y las funciones que realizarán están todas registradas en esta “cinta” molecular.

DOS TIPOS DE ÁCIDO NUCLEICO: DNA Y RNA

Existen dos tipos de ácido nucleico, el ácido ribonucleico (RNA) y el ácido desoxirribo nucleico (DNA). Como se indica en la Figura 4.1, cada uno de ellos es una cadena polimèrica, en la que las unidades monoméricas están conectadas por enlaces covalentes. Las estructuras de las unidades monoméricas del RNA y DNA son las siguientes:

En cada caso, la unidad monomérica contiene un azúcar de cinco carbonos, la ribosa en el RNA y la 2'-desoxirribosa en el DNA (que se indican en azul en las estructuras). Los átomos de carbono se designan con primas (1', 2', etc.) para diferenciarlos de los átomos de las bases. La diferencia entre los dos azúcares radica únicamente en el grupo hidroxilo 2' de la ribosa en el RNA, que está sustituido por el hidrógeno en el DNA. La conexión entre las sucesivas unidades monoméricas en los ácidos nucleicos se realiza mediante un residuo fosfato unido al hidroxilo del carbono 5’ de una unidad y al hidroxilo 3' de la siguiente. Esto forma un enlace fosfodiéster entre dos residuos de azúcar (Figura 4.1). De esta forma, se construyen cadenas largas de ácido nucleico, que a veces contienen centenares de millones de unidades. El grupo fosfato es un ácido fuerte, con un valor de pK¿ de aproximadamente 1, y ésta es la razón por la que al DNA y al RNA se les denomina ácidos nucleicos. A pH fisiológico cada residuo de una molécula de DNA o RNA lleva una carga negativa.

Los residuos de azúcar unidos mediante enlace fosfodiéster constituyen el armazón de la molécula de ácido nucleico. En sí, el armazón es una estructura repetitiva, incapaz de codificar información. La importancia de los ácidos nucleicos en el almacenamiento y la transmisión de la información deriva de que son hete ropo lime ros. Cada monómero de la cadena contiene una base heterocíclica, que siempre va unida al carbono 1' del azúcar (véase la Figura 4.1). En la Figura 4.2 se muestran las estructuras de las principales bases existentes en los ácidos nucleicos. Existen dos tipos de bases heterocíclkas, que se denominan pulirías y pirimidinas. El DNA tiene dos purinas, adenina (A) y guanina (G), y dos pirimidinas, dtosina (C) y timina (T). El RNA posee las mismas bases, excepto que la timina está sustituida por uracilo (U). El RNA y, en menor medida, el DNA contienen también una pequeña proporción de bases con modificaciones químicas. Consideraremos estas bases modificadas en apartados posteriores de este capítulo.

El DNA y el RNA pueden considerarse, cada uno de ellos, como un polímero formado con cuatro clases de monómeros. Los monómeros son moléculas de ribosa o desoxirribosa fosforiladas, con bases púricas o pirimidínicas unidas a sus carbonos 1'. En las purinas, la unión se realiza con el nitrógeno 9 y en las pirimidinas con el nitrógeno 1. El enlace entre el carbono 1' del azúcar y el nitrógeno de la base se denomina enlace glucosídico. Estos monómeros se denominan nucleótidos. Cada nudeótido puede considerarse el derivado 5'-monofosforilado de un aducto azúcar-base denominado nucleósido (Figura 4.3). Así, los nucleótidos pueden también denominarse nucleósidos 5 '-monofosfato. Hemos encontrado ya una de estas moléculas en el Capítulo 3: la adenosina 5'-monofosiáto o AMP. Dado que todos los ácidos nucleicos pueden considerarse polímeros de nucleótidos, se les suele asignar la denominación genérica de polinucleótidos. Los polímeros pequeños, que contienen tan sólo algunos residuos, se denominan, oligonucleótidos.

PROPIEDADES  DE  LOS  N U C L EÓ T ID O S

Los nucleótídos son ácidos bastante fuertes, en los que la ionización primaria del fosfato se produce con un valor de píQ de aproximadamente 1.0. Tanto la ionización secundaria del fosfato como la protonación o desprotonación de algunos de los grupos de las bases de los nucleótídos pueden observarse a valores de pH bastante próximos a la neutralidad (Tabla 4.1). Las bases son capaces también de experimentar una conversión entre formas tautómeras. Las formas tautómeras, o tautómeros, son isómeros estructurales que se diferencian en la disposición de sus átomos de hidrógeno y los dobles enlaces. Las formas principales son las que se muestran en la Figura 42, pero la G, la T y el U pueden isomerizarse parcialmente a formas enol, y la A y la C a formas imino, como se muestra en la Figura 4.4.

Como consecuencia de los sistemas de dobles enlaces conjugados de los anillos de purinay pirimidina, las bases y todos sus derivados (nucleósidos, nucleótidos y ácidos nucleicos) absorben intensamente la luz en la región del espectro del ultravioleta cercano. Esta absorción depende en parte del pH, debido a las reacciones de ionización de las bases. En la Figura 4.5 se presentan espectros representativos de los ribonucleótidos a pH neutro. Esta intensa absorbancia se utiliza para la determinación cuantitativa de los ácidos nucleicos, ya que permite medir las concentraciones de ácido nucleico con una detección de microgramos/mL mediante espectrofotometría (véase Herramientas de la Bioquímica 6A). La luz ultravioleta puede tener también efectos dañinos químicos sobre el DNA que dan lugar, por ejemplo, a cáncer de piel.

ESTABILIDAD Y FORMACIÓN DEL ENLAC E FOSFODIÉSTER

Si comparamos las estructuras de los nucleótídos que se muestran en la Figura 4.3 con las cadenas polinucleotídicas de la Figura 4.1, vemos que, en principio, un polinucleótido podría generarse a partir de sus monómeros nucleótídos mediante la eliminación de una molécula de agua entre cada par de monómeros.

Es decir, podríamos imaginar la adición de otro residuo nucleótido a una cadena polinudeotídica mediante la reaedón de deshidratación que se muestra en la Figura 4.6. Sin embargo, el cambio de energía libre de esta reacción hipotética es bastante positivo, de aproximadamente +25 kj/mol y, en consecuencia, de equilibrio está muy desplazado hada d lado de la hidrólisis del enlace fosfodiéster en el medio acuoso de la célula. La hidrólisis de los polinudeótidos a nudeótidos es de proceso favorecido termodinàmicamente.

Encontramos aquí el primero de los múltiples ejemplos de metaestabilidad de los polímeros con importancia biológica. Los compuestos metaestables tienen favorecida termodinàmicamente su ruptura, pero ésta se produce sólo muy lentamente salvo que la reaedón esté catalizada. De acuerdo con la variadón de eneigía Ubre implicada, los polinudeótidos deberían hidrolizarse en las condiciones de las células vivas, pero su hidrólisis es extremadamente lenta, salvo que esté catalizada. Esta característica es de la máxima importanda, puesto que garantiza que el DNA en las células sea suficientemente estable como para cumplir una fundón útil de depósito de la informadón genética. En condiaones de deshidratación, el DNA es tan estable que ha sido posible incluso recuperar fragmentos de moléculas de DNA de algunos fósiles antiguos. Sin embargo, cuando hay catalizadores, la hidrólisis puede ser extraordinariamente lápida en disoludón acuosa. La catálisis àcida da lugar a la hidrólisis de los enlaces fosfodiéster en el RNA, produciendo una mezcla de nucleótidos. En ambos, RNA y DNA, el enlace glucosídico entre la base y d azúcar se hidroliza también, dando una mezcla de bases, áddo fosfórico y ribosa (o desoxirribosa). El RNA, pero no el DNA, es también lábil en soluciones alcalinas y el tratamiento con álcali 0.1 m produce una mezcla de 2' y 3' nucleósidos fosfato. Por último, y lo más importante desde el punto de vista biológico, las enzimas denominadas nudeasas catalizan la hidrólisis de los enlaces fosfodiéster tanto en el RNA como en el DNA. El organismo es capaz de degradar y utilizar los polinudeótidos de los alimentos consumidos gracias a que d aparato digestivo contiene nudeasas. En el Capítulo 11 se describen ejemplos de enzimas de este tipo.

La termodinámica desfavorable de la hipotética reacción de deshidratación que se muestra en la Figura 4.6 nos lleva a plantear la siguiente pregunta: si no pueden sintetizarse in vivo los polinudeótidos por la eliminación directa de agua, ¿cómo se forman realmente? La respuesta es que su síntesis implica a los nudeósidos o desoxinudeósidos trifosfato de energía elevada. Aunque el proceso que tiene lugar en las células es bastante complejo, la reacción básica es sencilla. En vez de la reaedón de deshidratación de la Figura 4.6, lo que sucede en las células vivas es la reacción que se muestra en la Figura 4.7. 

El nucleósido monofosfato que se añade a la cadena en crecimiento se presenta en forma de nucleósido trifosfato, como el ATP o el desoxi ATP (dATP), y en la reacción se libera pirofosfato. Podemos calcular el cambio de energía libre de esta reacción señalando que puede considerarse la suma de dos reacciones: la hidrólisis de un nucleósido trifosfato y la formación de un enlace fosfodiéster por la eliminación de agua: 

La reacción acoplada es favorable porque el valor neto de AG°' es negativo. La reacción se ve favorecida también porque la hidrólisis del producto pirofosfato (PP¡) a ortofosfato (P¡) tiene un valor de AG°' = -33 kJ/moL Así pues, el pirofosfato se elimina con facilidad, impulsando aún más la reacción de síntesis hacia la derecha y proporcionando un AG°' global de -39 kJ/mol. La síntesis de polinucleótidos es un ejemplo de un principio recalcado en el Capítulo 3: el empleo de reacciones favorables para impulsar reacciones que son termodinàmicamente desfavorables.

Es importante tener en cuenta la forma en que las características energéticas de estos procesos encajan en el esquema general de la vida. Un organismo obtiene energía, de la fotosíntesis si se trata de una planta, o bien del metabolismo de los alimentos, y almacena parte de esta energía mediante la generación de ATP, GTP, dATP, dGTP y otros compuestos de energía elevada. A su vez, utiliza estos compuestos como fuentes de energía para impulsar la síntesis de macromoléculas como el DNA, el RNA y las proteínas. Este empleo de trifosfatos como moneda de cambio energético de la célula es un tema que se irá repitiendo una y otra vez a lo largo de este libro.