Los nucleótidos son moléculas orgánicas compuestas por una base nitrogenada, un azúcar pentosa y un fosfato . Sirven como unidades monoméricas de los polímeros de ácido nucleico : ácido desoxirribonucleico (ADN) y ácido ribonucleico (ARN), los cuales son biomoléculas esenciales dentro de todas las formas de vida en la Tierra. Los nucleótidos se obtienen de la dieta y el hígado también los sintetiza a partir de nutrientes comunes. [1]
Los nucleótidos están compuestos por tres moléculas subunitarias: una nucleobase , un azúcar de cinco carbonos ( ribosa o desoxirribosa ) y un grupo fosfato formado por uno a tres fosfatos . Las cuatro nucleobases del ADN son guanina , adenina , citosina y timina ; en el ARN, se utiliza uracilo en lugar de timina.
Los nucleótidos también desempeñan un papel central en el metabolismo a un nivel celular fundamental. Proporcionan energía química, en forma de nucleósidos trifosfato , trifosfato de adenosina (ATP), trifosfato de guanosina (GTP), trifosfato de citidina (CTP) y trifosfato de uridina (UTP), en toda la célula para las muchas funciones celulares que demandan energía, incluyendo : síntesis de aminoácidos , proteínas y membranas celulares , movimiento de la célula y partes de la célula (tanto internamente como intercelularmente), división celular, etc. [2] Además, los nucleótidos participan en la señalización celular ( monofosfato de guanosín cíclico o cGMP y monofosfato de adenosín cíclico o AMPc) y se incorporan a importantes cofactores de reacciones enzimáticas (p. ej. , coenzima A , FAD , FMN , NAD y NADP + ).
En bioquímica experimental , los nucleótidos se pueden radiomarcar utilizando radionucleidos para producir radionucleótidos.
Los 5 nucleótidos también se utilizan en potenciadores del sabor como aditivo alimentario para realzar el sabor umami , a menudo en forma de extracto de levadura. [3]
Un nucleótido se compone de tres subunidades químicas distintivas: una molécula de azúcar de cinco carbonos, una nucleobase (las dos juntas se denominan lado del nucleó ) y un grupo fosfato . Con los tres unidos, un nucleótido también se denomina " monofosfato del lado del núcleo ", " difosfato de nucleósido " o " trifosfato de nucleósido ", dependiendo de cuántos fosfatos componen el grupo fosfato. [ cita necesaria ]
En los ácidos nucleicos , los nucleótidos contienen una base purina o pirimidina (es decir, la molécula de nucleobase, también conocida como base nitrogenada) y se denominan ribonucleótidos si el azúcar es ribosa, o desoxirribonucleótidos si el azúcar es desoxirribosa. Las moléculas de fosfato individuales conectan repetidamente las moléculas de los anillos de azúcar en dos monómeros de nucleótidos adyacentes, conectando así los monómeros de nucleótidos de un ácido nucleico de extremo a extremo en una cadena larga. Estas uniones de cadenas de moléculas de azúcar y fosfato crean una cadena "columna vertebral" para una hélice simple o doble . En cualquier hebra, la orientación química ( direccionalidad ) de las uniones de la cadena va desde el extremo 5' al extremo 3' ( léase : 5 extremo primario a 3 extremo primario), en referencia a los cinco sitios de carbono en Moléculas de azúcar en nucleótidos adyacentes. En una doble hélice, las dos hebras están orientadas en direcciones opuestas, lo que permite el emparejamiento de bases y la complementariedad entre los pares de bases, todo lo cual es esencial para replicar o transcribir la información codificada que se encuentra en el ADN. [ cita necesaria ]
Los ácidos nucleicos son entonces macromoléculas poliméricas ensambladas a partir de nucleótidos, las unidades monoméricas de los ácidos nucleicos . Las bases purínicas , adenina y guanina , y la base pirimidina, citosina, se encuentran tanto en el ADN como en el ARN, mientras que las bases pirimidínicas, timina (en el ADN) y uracilo (en el ARN), se encuentran en solo una. La adenina forma un par de bases con timina con dos enlaces de hidrógeno, mientras que la guanina se empareja con la citosina con tres enlaces de hidrógeno.
Además de ser componentes básicos para la construcción de polímeros de ácidos nucleicos, los nucleótidos singulares desempeñan funciones en el almacenamiento y suministro de energía celular, la señalización celular, como fuente de grupos fosfato utilizados para modular la actividad de proteínas y otras moléculas de señalización, y como cofactores enzimáticos. , a menudo llevando a cabo reacciones redox . Los nucleótidos cíclicos de señalización se forman uniendo el grupo fosfato dos veces a la misma molécula de azúcar , uniendo los grupos 5' y 3' hidroxilo del azúcar. [2] Algunos nucleótidos de señalización difieren de la configuración estándar de un solo grupo fosfato en que tienen múltiples grupos fosfato unidos a diferentes posiciones en el azúcar. [4] Los cofactores de nucleótidos incluyen una gama más amplia de grupos químicos unidos al azúcar a través del enlace glicosídico , incluidos la nicotinamida y la flavina , y en el último caso, el azúcar ribosa es lineal en lugar de formar el anillo que se ve en otros nucleótidos.
Los nucleótidos se pueden sintetizar por diversos medios, tanto in vitro como in vivo . [ cita necesaria ]
In vitro, se pueden utilizar grupos protectores durante la producción de nucleótidos en el laboratorio. Un nucleósido purificado se protege para crear una fosforamidita , que luego puede usarse para obtener análogos que no se encuentran en la naturaleza y/o para sintetizar un oligonucleótido . [ cita necesaria ]
In vivo, los nucleótidos pueden sintetizarse de novo o reciclarse mediante vías de recuperación . [1] Los componentes utilizados en la síntesis de novo de nucleótidos se derivan de precursores biosintéticos del metabolismo de carbohidratos y aminoácidos , y del amoníaco y el dióxido de carbono. Recientemente también se ha demostrado que el metabolismo del bicarbonato celular puede regularse mediante la señalización de mTORC1. [5] El hígado es el órgano principal de síntesis de novo de los cuatro nucleótidos. La síntesis de novo de pirimidinas y purinas sigue dos vías diferentes. Las pirimidinas se sintetizan primero a partir de aspartato y carbamoilfosfato en el citoplasma hasta la estructura de anillo precursor común ácido orótico, al que está unida covalentemente una unidad de ribosilo fosforilada. Sin embargo, las purinas se sintetizan primero a partir del molde de azúcar en el que se produce la síntesis del anillo. Como referencia, la síntesis de los nucleótidos de purina y pirimidina se lleva a cabo mediante varias enzimas en el citoplasma de la célula, no dentro de un orgánulo específico . Los nucleótidos se descomponen de tal manera que las partes útiles pueden reutilizarse en reacciones de síntesis para crear nuevos nucleótidos. [ cita necesaria ]
La síntesis de las pirimidinas CTP y UTP se produce en el citoplasma y comienza con la formación de carbamoil fosfato a partir de glutamina y CO 2 . A continuación, la aspartato carbamoiltransferasa cataliza una reacción de condensación entre el aspartato y el carbamoil fosfato para formar ácido carbamoil aspártico , que se cicla en ácido 4,5-dihidroorótico por la dihidroorotasa . Este último se convierte en orotato por la dihidroorotato oxidasa . La reacción neta es:
El orotato está unido covalentemente con una unidad de ribosilo fosforilada. El enlace covalente entre la ribosa y la pirimidina se produce en la posición C 1 [6] de la unidad ribosa , que contiene un pirofosfato , y N 1 del anillo de pirimidina. La orotato fosforribosiltransferasa (PRPP transferasa) cataliza la reacción neta produciendo monofosfato de orotidina (OMP):
La orotidina 5'-monofosfato es descarboxilada por la orotidina-5'-fosfato descarboxilasa para formar uridina monofosfato (UMP). La PRPP transferasa cataliza las reacciones de ribosilación y descarboxilación, formando UMP a partir de ácido orótico en presencia de PRPP. De la UMP se derivan otros nucleótidos de pirimidina. La UMP es fosforilada por dos quinasas a trifosfato de uridina (UTP) mediante dos reacciones secuenciales con ATP. En primer lugar, se produce el difosfato de UDP, que a su vez se fosforila a UTP. Ambos pasos son impulsados por la hidrólisis de ATP:
Posteriormente, el CTP se forma por la aminación de UTP por la actividad catalítica de la CTP sintetasa . La glutamina es el donante de NH 3 y la reacción también es impulsada por la hidrólisis de ATP:
El monofosfato de citidina (CMP) se deriva del trifosfato de citidina (CTP) con la consiguiente pérdida de dos fosfatos. [7] [8]
Los átomos que se utilizan para construir los nucleótidos de purina provienen de diversas fuentes:
La síntesis de novo de nucleótidos de purina mediante la cual estos precursores se incorporan al anillo de purina avanza por una vía de 10 pasos hasta el intermediario IMP , el nucleótido de la base hipoxantina . Posteriormente, AMP y GMP se sintetizan a partir de este intermediario mediante vías separadas de dos pasos. Por tanto, los restos de purina se forman inicialmente como parte de los ribonucleótidos en lugar de como bases libres .
En la síntesis de IMP participan seis enzimas. Tres de ellos son multifuncionales:
El camino comienza con la formación del PRPP . PRPS1 es la enzima que activa R5P , que se forma principalmente por la vía de las pentosas fosfato , a PRPP al reaccionar con ATP . La reacción es inusual porque un grupo pirofosforilo se transfiere directamente del ATP al C1 de R5P y porque el producto tiene la configuración α alrededor del C1. Esta reacción también se comparte con las vías de síntesis de Trp , His y los nucleótidos de pirimidina . Al encontrarse en una encrucijada metabólica importante y requerir mucha energía, esta reacción está altamente regulada.
En la primera reacción exclusiva de la biosíntesis de nucleótidos de purina, PPAT cataliza el desplazamiento del grupo pirofosfato de PRPP (PP i ) por una amida nitrógeno donada de glutamina (N), glicina (N&C), aspartato (N) o ácido fólico (C 1 ) . , o CO 2 . Este es el paso comprometido en la síntesis de purinas. La reacción ocurre con la inversión de la configuración alrededor de la ribosa C 1 , formando así β - 5-fosforibusilamina (5-PRA) y estableciendo la forma anomérica del futuro nucleótido.
A continuación, se incorpora una glicina alimentada por hidrólisis de ATP, y el grupo carboxilo forma un enlace amina con el NH 2 previamente introducido. Luego se añade una unidad de un carbono de la coenzima N 10 -formil-THF del ácido fólico al grupo amino de la glicina sustituida seguido del cierre del anillo de imidazol. A continuación, se transfiere un segundo grupo NH2 de la glutamina al primer carbono de la unidad de glicina. Concomitantemente se añade una carboxilación del segundo carbono de la unidad de glicina. Este nuevo carbono se modifica mediante la adición de una tercera unidad de NH2 , esta vez transferida de un residuo de aspartato. Finalmente, se añade una segunda unidad de un carbono procedente de formil-THF al grupo nitrógeno y el anillo se cierra covalentemente para formar el precursor de purina común, monofosfato de inosina (IMP).
El monofosfato de inosina se convierte en monofosfato de adenosina en dos pasos. Primero, la hidrólisis de GTP impulsa la adición de aspartato a IMP por la adenilosuccinato sintasa, sustituyendo el oxígeno del carbonilo por nitrógeno y formando el adenilosuccinato intermedio. Luego el fumarato se escinde formando monofosfato de adenosina. Este paso es catalizado por la adenilosuccinato liasa.
El monofosfato de inosina se convierte en monofosfato de guanosina mediante la oxidación de IMP formando xantilato, seguido de la inserción de un grupo amino en C2 . NAD + es el aceptor de electrones en la reacción de oxidación. La transferencia de grupos amida de la glutamina es impulsada por la hidrólisis del ATP.
En los seres humanos, los anillos de pirimidina (C, T, U) pueden degradarse completamente a CO 2 y NH 3 (excreción de urea). Dicho esto, los anillos de purina (G, A) no pueden. En cambio, se degradan al ácido úrico metabólicamente inerte que luego se excreta del cuerpo. El ácido úrico se forma cuando el GMP se divide en la base guanina y ribosa. La guanina se desamina a xantina que a su vez se oxida a ácido úrico. Esta última reacción es irreversible. De manera similar, se puede formar ácido úrico cuando el AMP se desamina a IMP del cual se elimina la unidad de ribosa para formar hipoxantina. La hipoxantina se oxida a xantina y finalmente a ácido úrico. En lugar de la secreción de ácido úrico, se pueden utilizar guanina e IMP para fines de reciclaje y síntesis de ácido nucleico en presencia de PRPP y aspartato (donante de NH3 ) . [ cita necesaria ]
Las teorías sobre el origen de la vida requieren el conocimiento de las vías químicas que permiten la formación de los componentes clave de la vida en condiciones prebióticas plausibles. La hipótesis del mundo del ARN sostiene que en la sopa primordial existían ribonucleótidos flotantes , las moléculas fundamentales que se combinan en serie para formar el ARN . Las moléculas complejas como el ARN debieron surgir de moléculas pequeñas cuya reactividad estaba regida por procesos fisicoquímicos. El ARN está compuesto de nucleótidos de purina y pirimidina , los cuales son necesarios para la transferencia confiable de información y, por lo tanto, para la evolución darwiniana . Becker y cols. mostró cómo se pueden sintetizar nucleósidos de pirimidina a partir de moléculas pequeñas y ribosa , impulsados únicamente por ciclos húmedo-seco. [9] Los nucleósidos de purina se pueden sintetizar mediante una vía similar. Los 5'-mono y difosfatos también se forman selectivamente a partir de minerales que contienen fosfato, lo que permite la formación simultánea de polirribonucleótidos con las bases púrica y pirimidina. De este modo se puede establecer una red de reacción hacia los componentes básicos del ARN de purinas y pirimidinas a partir de moléculas atmosféricas o volcánicas simples. [9]
Un par de bases no naturales (UBP) es una subunidad diseñada (o nucleobase ) de ADN que se crea en un laboratorio y no se encuentra en la naturaleza. [10] Los ejemplos incluyen d5SICS y dNaM . Estos nucleótidos artificiales que contienen nucleobases hidrofóbicas presentan dos anillos aromáticos fusionados que forman un complejo (d5SICS-dNaM) o par de bases en el ADN. [11] [12] Se ha inducido a E. coli a replicar un plásmido que contiene UBP a través de múltiples generaciones. [13] Este es el primer ejemplo conocido de un organismo vivo que transmite un código genético ampliado a las generaciones posteriores. [11] [14]
Las aplicaciones de los nucleótidos sintéticos varían ampliamente e incluyen el diagnóstico, el tratamiento o la medicina de precisión de enfermedades.
El nucleótido (abreviado "nt") es una unidad de longitud común para los ácidos nucleicos monocatenarios, similar a cómo el par de bases es una unidad de longitud para los ácidos nucleicos bicatenarios. [18]
La IUPAC ha designado los símbolos de los nucleótidos. [19] Además de las cinco bases (A, G, C, T/U), a menudo se utilizan bases degeneradas, especialmente para diseñar cebadores de PCR . Estos códigos de nucleótidos se enumeran aquí. Algunas secuencias de cebadores también pueden incluir el carácter "I", que codifica el nucleótido no estándar inosina . La inosina se encuentra en los ARNt y se emparejará con adenina, citosina o timina. Sin embargo, este carácter no aparece en la siguiente tabla porque no representa una degeneración. Si bien la inosina puede cumplir una función similar a la degeneración "D", es un nucleótido real, en lugar de una representación de una mezcla de nucleótidos que cubre cada posible emparejamiento necesario.
