3cap 28 Biomoleculas, Heterociclos y Acidos Nucleicos (Nxpowerlite)

Biomoléculas: heterociclos y ácidos nucleicos 1150 Los compuestos orgánicos cíclicos se clasifican en carbocÍclicos y heterocÍcli- coso Los anillos carbocíclicos sólo contienen átomos de carbono, pero los anillos heterocíclicos poseen uno o más átomos diferentes además del carbono. Los hete- roátomos más comunes son nitrógeno, oxígeno y azufre. Los compuestos heterocíclicos son comunes en química orgánica y muchos tienen propiedades biológicas importantes. Por ejemplo, el antibiótico penicilina, w w w . L i b r o s Z . c o m 28.1 • Heteroclclos insaturados de cinco miembros 1151 el sedante fenobarbital y el endulzante no nutritivo, la sacarina, tienen anillos heterocíclicos. o Penicilina G Fenobarbital Sacarina Los compuestos heterocíclicos no son nada nuevo, pues los hemos encontrado repetidas veces en los capítulos anteriores, por lo general sin algún comentario. Por tanto, los epóxidos (éteres cíclicos de tres miembros), las lactonas (ésteres cí- clicos) y las lactamas (amidas cíclicas) son compuestos heterocíclicos, así como los disolventes tetrahidrofurano (un éter cíclico) y la piridina (una amina cíclica aro- mática). Además, hay carbohidratos en forma de hemiacetales heterocíclicos (Sec. 25.5). La mayor parte de los compuestos heterocíclicos tienen la misma química que sus contrapartes de cadena abierta. Las lactonas y los ésteres acíclicos se comportan de manera similar, al igual que las lactamas y las amidas acíclicas, y los éteres cíclicos y acíclicos. Sin embargo, en ciertos casos, en especial cuando el anillo es insaturado, los heterociclos tienen propiedades únicas e interesantes. Veamos primero los heterociclos insaturados de cinco miembros. 28.1 Heterociclos insaturados de cinco miembros El pirrol, el furano y el tiofeno son los hetrociclos insaturados de cinco miembros más comunes. Cada uno tiene dos dobles enlaces y un heteroátomo (N, O o S). 02 N 02 01 02 SI 11 H Furano Tiofeno Pirrol El pirrol se obtiene comercialmente en forma directa del alquitrán de hulla o tratando el furano con amoniaco sobre un catalizador de alúmina a 400 oC. o O O N 1 Furano H Pirrol w w w . L i b r o s Z . c o m 1152 CAPíTULO 28 • Biomoléculas: heterociclos y ácidos nucleicos El furano se sintetiza por pérdida de monóxido de carbono (descarbonilación) a partir del furfural, el cual se prepara por deshidratación ácida de las azúcares pentosas que se encuentran en la cascarilla de avena y en las mazorcas de maíz. n O CRO Mezcla de pentosas Furfural Ní catalizador ) 280'(: O+CO O Furano Los tiofenos se hallan en cantidades pequeñas en el alquitrán de hulla y se sintetizan en la industria por medio de la ciclación de butano o butadieno con azufre a 600 oC. ,; ----.> G()()"C 1,3-Butadieno Tiofeno La qmmlca de los tres sistemas anulares heterocíclicos presenta algunas sorpresas. Por ejemplo, el pirrol es tanto una amina como un dieno conjugado, aunque sus propiedades no son consistentes con estas características estructura- les. A diferencia de la mayor parte de las aminas, el pirrol no es básico (Sec. 24.4), y en contraste con gran parte de los otros dienos conjugados, presenta sustitución electrofílica en lugar de reacciones de adición. Lo mismo es válido para el furano y el tiofeno. Ambos reaccionan con los electrófilos y dan productos de sustitución. 28.2 Estructuras de pirrol, furano y tiofeno El pirrol, el furano y el tiofeno dan productos de sustitución electrofílica porque son aromáticos (Sec. 15.7). Cada uno tiene seis electrones 17' en una sistema conjugado cíclico de traslape de orbitales p. Si tomamos al pirrol como ejemplo, cada uno de sus cuatro átomos de carbono contribuye con un electrón 17' y el átomo de nitrógeno con hibridación Sp2 proporciona dos electrones (su par no compartir). Los electrones 17' ocupan orbitales p, con lóbulos arriba y abajo del plano del anillo (Fig. 28.1). El traslape de los cinco orbitales p forma orbitales moleculares igual que en el benceno. Observe que el átomo de nitrógeno del pirrol utiliza sus cinco electrones de valencia en enlaces. Tres electrones le sirven para formar tres enlaces 17' (dos con carbonos y uno con el hidrógeno) y los dos electrones del par sin compartir inter- vienen en el enlace aromático 17'. Dado que el par de electrones sin compartir del nitrógeno es parte del sexteto aromático, la protonación en el nitrógeno destrui- ría la aromaticidad del anillo; por consiguiente, el átomo de nitrógeno del pirrol es menos rico en electrones, básico y nucleofílico que el nitrógeno de una amina alifática (pK a del ion pirrolidinio = 0.4). Por la misma razón, los átomos de carbono del pirrol son más ricos en electrones y más nucleofílicos que los carbonos típicos de doble enlace. Por ello, el anillo de pirrol es reactivo para los electrófi- los igual que el anillo bencénico activado es reactivo. w w w . L i b r o s Z . c o m FIGURA 28.1 'f Pirrol, un heterociclo aromático de seis electrones 7T. 28.3 • Reacciones de sustitución electrofíllca de pirrol fu rano y tlofeno 1153 Par de electrones si.n en orbitalp H Pirrol Seis electrones 7T Los mapas de potencial electrostático muestran ambas tendencias, lo cual indica que el nitrógeno del pirrol es pobre en electrones (gris claro que el nitró- geno de su contraparte saturada, la pirrolidina; mientras que los carbonos del pirrol son ricos en electrones (gris oscuro) en comparación con los carbonos en el 1,3-ciclopentadieno. Pirrol Pirrolidina 1,3-Ciclopentadieno Problema 28.1 Esquematice los orbitales del furano. Considere que el átomo de oxígeno tiene hibridación Sp2 y muestre los orbitales que ocupan los dos pares de electrones no compartidos del oxí- geno. 28.3 Reacciones de sustitución electrofílica de pirrol, furano y tiofeno La química de los tres es similar a la de los anillos activados del benceno; sin embargo, los heterociclos son más reactivos hacia los electrófilos que los anillos de benceno y a menudo se precisa baja temperatura para regular las reacciones. Es posible realizar la halogenación, nitración, sulfonación y acilación de Friedel- w w w . L i b r o s Z . c o m 1154 FIGURA 28.2 CAPíTULO 28 • Blomoléculas: heteroclclos y ácidos nuclelcos Crafts si se escogen condiciones apropiadas para la reacción. El orden usual de re actividad es furano > pirrol > tiofeno. Bromación Nitración Acilación de Friedel-Crafts O+ Br 2 O Furano O+HNO:J N 1 H Pirrol O O + >¡ H Tiofeno Dioxano +HBr (re O Br 2-Bromofurano (90%) Ü +H 2 O N N0 2 1 H 2-Nitropirrol (83%) Bt'hCeno +HCl SnCI¡ 11 O Por lo general, las reacciones de sustitución electrofílica ocurren en C2, la posición vecina al heteroátomo, ya que esta posición conduce a un catión inter- medio más estable que tiene tres formas en resonancia, mientras que el ataque en C3 origina un catión menos estable con sólo dos formas en resonancia (Fig. 28.2). Nitración electrofílica del pirrol. El intermediario producido por reacción en C2 es más estable que el producido por reacción en C3. o N 1 H / +U N02 N H 1 H + N H Ó N 1 H 1 H N0 2 3-Nitropirrol (NO se forma) 2-Nitropirrol w w w . L i b r o s Z . c o m 28.4 • Piridina, un heteroclclo de seis miembros 1155 Problema 28.2 El tratamiento del pirrol con ácido deuterio sulfúrico da 2-deuteriopirrol. Proponga un me- camsmo. 28.4 Piridina, un heterociclo de seis miembros FIGURA 28.1 Estructura electrónica de la piridina, un compuesto de nitrógeno que contiene seis electrones 1T, análogo al benceno. El mapa de potencial electrostático muestra que el nitrógeno es el átomo más negativo (gris oscuro). La piridina, obtenida en forma comercial por destilación del alquitrán de hulla, es el compuesto heterocíclico que contiene nitrógeno, análogo del benceno. Como éste, la piridina es una molécula aromática, plana, con ángulos de enlace de 120 0 y longitudes de unión C-C de 139 pm, distancia media que hay entre los enlaces sencillos y dobles. Los cinco átomos de carbono y el átomo de nitrógeno tienen hi- bridación Sp2 y cada uno contribuye con un electrón 7T al sexteto aromático. A diferencia de la situación del pirrol, el par de electrones sin compartir del átomo de nitrógeno en la piridina ocupa un orbital Sp2 en el plano del anillo y no participa en el enlace (Fig. 28.3). 4 o: N H Seis electrones 1T Como se observa en la sección 2.4, la piridina es una base más fuerte que el pirrol, pero más débil que las alquilaminas. El átomo de nitrógeno con hibrida- ción Sp2 en la piridina, con 33% de carácter s, conserva al par de electrones no compartidos con más firmeza que el nitrógeno con hibridación Sp3 en la alqui- lamina (25% de carácter s). o O O N N N I I H H [ Ion pirrolidinio ] [ Ion piridinio ] [ Ion pirrolinio ] (pK a = 11.27) (pK a = 0.4) (pK a = 5.25) w w w . L i b r o s Z . c o m 1156 ." .. CAPíTULO 28 • Biomoléculas: heterociclos y ácidos nucleicos Problema 28.3 El ion imidazolio tiene pK a = 6.95. Dibuje una representación de los orbitales del imidazol, y diga cuál nitrógeno es más básico (Sec. 26.1). " e N:::::::\ ~ N - H Imidazol 28.5 Sustitución electrofílica en la piridina El anillo de la piridina presenta reacciones de sustitución aromática electrofílica con gran dificultad. La halogenación y la sulfonación son posibles en condiciones drásticas, pero la nitración ofrece un rendimiento muy bajo y las reacciones de Friedel-Crafts no funcionan. Por lo general, las reacciones dan el producto susti- tuido en 3. 3-Bromopiridina (30%) Ácido 3-Piridinsulfónico (70%) HN0 3 NaN0 3 ,370°C 3-Nitropiridina (5%) La baja reactividad de la piridina hacia la sustitución aromática electrofílica se debe a una combinación de factores. Lo más importante es que la densidad elec- trónica del anillo está disminuida por el efecto inductivo de la atracción de electrones del átomo de nitrógeno electronegativo. Así pues, la piridina tiene un momento dipolar marcado (Ji- = 2.26D) y los carbonos del anillo actúan como el extremo positivo del dipolo. Por tanto, el ataque electrofílico sobre los átomos de carbono polarizados con carga positiva es difícil. Ot N p,= 2.26 D w w w . L i b r o s Z . c o m 28.6 • Sustitución nucleofílica en la piridlna 1157 Un segundo factor que disminuye la reactividad hacia el ataque electrofílico del anillo de la piridina es que la formación del complejo ácido-base entre el áto- mo de nitrógeno del anillo, básico, y el electrófilo atacante coloca una carga positiva en el anillo y lo desactiva. Problema 28.4 Las reacciones de sustitución aromática electrofílicas de la piridina suelen presentarse en C3. Dibuje los carbocationes intermedios que resultan del ataque electrofílico en Cl, C2 y C3; explique el resultado observado. 28.6 Sustitución nucleofílica en la piridina En contraste con su falta de reactividad hacia la sustitución electrofílica, las halopiridinas 2- y 4- sustituidas (pero no las 3-sustituidas) experimentan con facilidad la sustitución aromática nucleofílica. Cl Ó 4-Cloropiridina 2-Bromopiridina -. :Cl: 4-Etoxipiridina (75%) + :Br: 2-Aminopiridina (67%) Estas reacciones son sustituciones aromáticas nucleofílicas típicas, similares a las que vimos antes en los halobencenos (Sec. 16.8). Se presentan por la adición del nucleófilo al enlace C=N, seguida por la pérdida del ion halogenuro del anión intermediario. .. + :Cl: w w w . L i b r o s Z . c o m 1158 CAPíTULO 28 • Biomoléculas: heteroclclos y ácidos nucleicos En cierta forma, esta sustitución aromática nucleofílica es análoga a la sus- titución nucleofílica del acilo en los cloruros de ácido (Sec. 21.4). En ambos casos, la capacidad del átomo electronegativo (nitrógeno u oxígeno) de estabilizar el anión intermediario favorece la etapa inicial de adición. Luego, el intermediario expulsa el ion cloruro para dar el producto de sustitución. 2-Cloropiridina Anión estabilizado 2-Aminopiridina T ' O ~ N H .' 2 Cloruro de ácido Anión estabilizado Amida •••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• Problema 28.5 Dibuje los aniones intermediarios del ataque nucleofílico en C4 de una 4-halopiridina y en C3 de una 3-halopiridina. ¿Por qué la sustitución de la 4-halopiridina es más fácil? •••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 28.7 Heterociclos con anillos fusionados La quinolina, el isoquinolín y el indol son heterociclos de anillos fusionados que contienen un anillo bencénico y un anillo aromático heterocíclico. Los tres sistemas anulares se encuentran con facilidad en la naturaleza y muchos compuestos con estos anillos tienen una actividad fisiológica pronunciada. Por ejemplo, el alcaloide quinina, derivado de la quinolina, se utiliza mucho como un fármaco antipalúdico, y el derivado del indol, el alcaloide N,N-dimetiltriptamina, es un poderoso alucinógeno. 5 4 5 4 4 '(JO 'ro 'w 7::::----' I .....:N 2 7 ::::----. .....: 6 ::::----. 2 8 N 8 1 N 1 7 1 I H Quinolina Isoquinolina Indol w w w . L i b r o s Z . c o m 28.7 • Heterociclos con anillos fusionados 1159 Quinina, un fármaco antipalúdico (alcaloide derivado de la quinolina) N,N·Dimetiltriptamina, un alucinógeno (alcaloide derivado del indol) La química de estos heterociclos de anillos fusionados es la que podemos esperar según nuestro conocimiento de los heterociclos más sencillos, la piridina y el pirrol. La quinolina y la isoquinolina tienen átomos de nitrógeno básicos, semejantes al de la piridina, y presentan sustituciones electrofílicas, aunque con menos facilidad que el benceno. La reacción se efectúa en el anillo bencénico, no en el anillo de piridina, y se obtiene una mezcla de productos de sustitución. Br Ó O ~ 0.. 1 ....-:: N + W ~ 1 + HBr 0.. ....-:: N Quinolina Br 5-Bromoquinolina 8-Bromoquinolina ' - - - - - - - - - - - - - - - - ~ - - - - - - - - - - - - - - ~ , Proporción de 51:49 HN0 3 ) + Isoquinolina 5-Nitroisoquinolina 8-Nitroisoquinolina , , Proporción de 90:10 El indol tiene un nitrógeno no básico, semejante al del pirrol, y presenta reacciones de sustitución electrofílica con más facilidad que el benceno. La susti- tución se efectúa en el C3 del anillo de pirrol, rico en electrones, en lugar del anillo de benceno. Co I H Indol Br2 ) WI 1 Br Dioxano, O°C 0.. N I H 3-Bromoindol + HBr w w w . L i b r o s Z . c o m 1160 CAPíTULO 28 • Biomoléculas: heterocielos y ácidos nueleicos Quizá los sistemas anulares heterocíclicos más importantes, desde el punto de vista biológico, sean lapirimidina y lapurina. La pirimidina contiene dos ni- trógenos piridínicos y un anillo aromático de seis miembros; la purina, cuatro nitrógeno s en una estructura de anillos fusionados. Tres de los nitrógeno s de la purina son básicos y semejantes a los de la piridina que tienen el par de electrones sin compartir en orbitales Sp2 en el plano del anillo. El nitrógeno restante de la purina es no básico y similar al del pirrol cuyo par de electrones no compartidos es parte del sistema de electrones 7T. Ambos heterociclos son componentes esenciales de la última clase importante de biomoléculas que vamos a considerar: los ácidos nucleicos. Pirimidina Purina Problema 28.6 ¿Cuál átomo de nitrógeno en la N,N-dimetiltriptamina es más básico? Explique su respuesta. Problema 28.7 El indol reacciona con los electrófilos en C3, no en C2. Trace las formas de resonancia de los cationes intermediarios que resultan del ataque en C2 y C3, y explique los resultados observados. 28.8 Ácidos nucleicos y nucleótidos + Los ácidos nucleicos -ácidos desoxirribonucleicos (DNA) y ácidos ribonucleicos (RNA)- son los mensajeros químicos de la información genética de una célula. En el DNA de las células está codificada toda la información que determina la naturaleza de la misma; regula su desarrollo y división, y dirige la bio- síntesis de las enzimas y de otras proteínas necesarias para todas las funciones celulares. Al igual que las proteínas son biopolímeros formados por unidades de aminoácidos, los ácidos nucleicos son biopolímeros formados por nucleótidos, reunidos para formar una larga cadena. Cada nucleótido está compuesto de un nucleósido enlazado a un grupo fosfato, y cada nucleósido está compuesto por un azúcar aldopentosa unida a una base heterocíclica, purina o pirimidina. Muchos nucleótidos - - - - ~ ) Ácido nucleico IBase aminadal Un nucleósido Un nucleótido w w w . L i b r o s Z . c o m 28.8 • Ácidos nuclelcos y nucleótldos 1161 El componente azúcar en los RNA es la ribosa, y el azúcar en los DNA es 2'- desoxirribosa. (El prefijo 2' -desoxi indica que falta el oxígeno de la posición 2' de la ribosa. Los números con un superíndice prima se refieren a las posiciones en el azúcar de un nucleótido, y los números sin dicho superíndice, a las posiciones en la base aminada heterocíclica.) 5' 5' 3t--;'2' OH OH Ribosa 3t--'2' OH 2' -Deoxirribosa En los desoxirribonucleótidos hay cuatro bases aminadas heterocíclicas. Dos son piridinas sustituidas (adenina y guanina) y dos son pirimidinas sustituidas (citosina y timina). La adenina, la guanina y la citosina también se encuentran en los RNA, pero una base pirimídinica diferente llamada uracilo sustituye a la timina en los RNA. Adenina (A) DNA RNA Guanina (G) DNA RNA Timina (T) DNA Uracilo (U) RNA I H Citosina (C) DNA RNA Tanto en los DNAcomo en los RNA, la amina heterocíclica está unida al C1' del azúcar y el ácido fosfórico se encuentra enlazado por una unión éster fosfato con la posición C5' del azúcar. Los nombres y estructuras de los cuatro desoxirri- bonucleótidos y de los cuatro ribonucleótidos se presentan en la figura 28.4. Aunque son similares en términos químicos, los DNA y RNA difieren en ta- maño y funciones en la célula. Las moléculas de DNA son enormes; tienen pesos moleculares hasta de 150 mil millones y longitudes de hasta 12 cm cuando se les estira; se encuentran principalmente en el núcleo de las células. Las moléculas de RNA son mucho más pequeñas (presentan un peso molecular tan bajo como el de 35 000) y más bien se hallan fuera del núcleo de la células. Consideraremos por separado las dos clases de ácidos nucleicos y empezaremos con los DNA. w w w . L i b r o s Z . c o m 1162 CAPíTULO 28 • Blomoléculas: heteroclclos y ácidos nuclelcos FIGURA 28.4 'f Nombres y estructuras de los cuatro desoxirribonucleótidos y los cuatro ribonucleótidos. Desoxirribonucléotidos NH 2 O t Adeni= -OPOCH y0--¡ N 0- 'r--' OH 2' ·Desoxiadenosina 5' ·fosfato 2' ·Desoxicitidina 5' ·fosfato Ribonucleótidos Adenosina 5' ·fosfato Citidina 5' ·fosfato O/Guanina N ,/ /H \ I N OH 2' ·Desoxiguanosina 5' ·fosfato 2' ·Desoxitimidina 5' ·fosfato o t=l:r H -OPOCH2 ° N N NH ! 2 0- H OH OH Guanosina 5' ·fosfato ° /yUracilo -()RoCH I y0--¡ 0- H OH OH Uridina 5' ·fosfato w w w . L i b r o s Z . c o m 28.9 • Estructura de los ácidos nucleicos 1163 28.9 Estructura de los ácidos nucleicos FIGURA 28.5 T Estructura general de los DNA. Los nucleótidos se unen en los DNA y RNA, con lo que forman un enlace éster fosfato entre el grupo 5' -fosfato de un nucleótido y el grupo 3' -hidroxilo del azú- car de otro nucleótido (Fig. 28.5). Un extremo del polímero de ácido nucleico tiene un hidroxilo libre en C3' (el extremo 3') y el otro posee un fosfato en C5'(el extremo 5'). Extremo 5' Extremo 3' --+ O=p-O- 1 (X:::!H 2 Posición 5' Posición 3' o 1 O=p-O- 1 OCH 2 o + Al igual que la estructura de una proteína depende de la secuencia en la cual los aminoácidos están conectados, la estructura de un ácido nucleico depende de la secuencia de cada nucleótido. Para llevar más adelante esta analogía, así como una proteína tiene una espina dorsal con cadenas laterales diferentes unidas a ella, un ácido nucleico posee una espina dorsal de azúcar-fosfato que se alterna con diversas bases aminadas unidas. Proteína Cadenas laterales diferentes ( TérminON 1 TérminOC) Rl O R2 O R3 O R4 O R5 O 1 11 1 11 1 11 1 11 1 11 NH -CH -C-NH -CH -C-NH-CH-C-NH-CH -C-NH -CH -c-t Ácido nucleico Bases diferentes ( Extremo 5' 1 Extremo 3' Base 1 Base 2 Base 3 1 1 1 1 ¡ Fosfato \ AzúcarT FosfatoTAzúcar 1 Fosfato J "'--Enlaces éster fosfato w w w . L i b r o s Z . c o m 1164 CAPíTULO 28 • Biomoléculas: heteroclclos y ácidos nuclelcos Para describir una secuencia de nucleótidos en una cadena, se empieza en el extremo 5' y se identifican las bases en el orden de ocurrencia. En lugar de escribir todo el nombre de cada nucleótido, es más conveniente utilizar abreviaturas: A, para adenosina, T, para timina, G, para guanosina y C, para citosina. Así, una secuencia típica de DNA se podría escribir como TAGGCT. Probtema 28.8 Trace la estructura completa del dinucleótido AG del DNA. Probtema 28.9 Dibuje toda la estructura del dinucleótido DA del RNA. 28.10 Pareamlento de bases en el DNA: modelo de Watson-Crlck Las muestras de DNA aisladas de tejidos diferentes de la misma especie tienen las mismas proporciones de bases heterocíclicas; en cambio, las muestras de es- pecies distintas con frecuencia presentan proporciones diferentes de bases. El DNA humano, por ejemplo, contiene alrededor de 30% de adenina y de timina, y alrededor de 20% de guanina y de citosina. Sin embargo, la bacteria Clostridium perfringens, contiene cerca de 37% de adenina y de timina, y sólo 13% de guanina y de citosina. Note que en ambos ejemplos las bases existen en pares. La adenina y la timina suelen estar presentes en cantidades iguales, así como la citosina y la guanina. ¿Por qué será esto? En 1953, James Watson y Francis Crick expusieron su propuesta para la estructura secundaria del DNA, la cual se volvió clásica con el tiempo. De acuerdo con el modelo de Watson-Crick, el DNA consiste en dos cadenas de poli- nucleótidos enrolladas entre sí en una hélice doble similar a los barandales de una escalera de caracol. Las dos cadenas corren en direcciones opuestas y se conservan juntas mediante enlaces de hidrógeno entre pares específicos de bases. La adenina (A) y la timina (T) establecen enlaces de hidrógeno fuertes, pero no con C o G, mientras que la guanina (G) y la citosina (C) forman enlaces de hidrógeno fuertes, pero no con A o T (Fig. 28.6). lames Dewey Watson y Francis Harry Compton Crick James Dewey Watson nació en Chicago, IIlinois, en 1928, y se inscribió en la Universidad de Chicago a los 15 años. Recibió su doctorado en 1950 en la Universidad de Indiana y después trabajó en la Universidad de Cambridge, Inglaterra, de 1951 a 1953. Allí, él Y Francis Crick dedujeron la estructura del DNA. Después de más de 20 años como profesor en la Universidad de Harvard, se cambió en 1976 al Laboratorio de Biología Cuantitativa en Cold Spring Harbor, Long Island, Nueva York. Compartió el Premio Nobel de Medicina de 1960 por su trabajo sobre ácidos nucleicos. Francis Harry Compton nació en 1916 en Northampton, Inglaterra, e inició su carrera científica como físico. Después de una interrupción en sus estudios a causa de la Segunda Guerra Mundial, entró en contacto con la biología y recibió su doctorado en 1954 en la Universidad de Cambridge, donde permaneció como profesor. Compartió el Premio Nobel de Medicina de 1960. w w w . L i b r o s Z . c o m 28.10 • Pareamlento de bases en el DNA: modelo de Watson·Crlck 1165 FIGURA 28.6 ... Enlaces de hidrógeno entre pares de bases en la hélice doble de DNA. Los mapas de potencial electrostático muestran que las caras de las bases son relativamente neutras, mientras que los bordes contienen regiones positivas (azul) y negativas (rojo). El apareamiento de G con e y de A con T reúne regiones con cargas opuestas. (Guanina) G : : : : : : e (Citosina) (Adenina) A : : : : : : T (Tímina) Las dos cadenas' de la hélice doble de DNA no son idénticas, sino complemen· tarias. Siempre que existe una base C en una cadena, hay una base G opuesta en la otra cadena. Cuando existe una base A en una de las cadenas, aparece una T opuesta en la otra. Este parea miento complementario de las bases explica por qué A y T se encuentran siempre en cantidades iguales cómo están C y G. En la figura 28.7 se ilustra este pareamiento de bases, mostrando como se enrollan las dos cadenas complementarias en una hélice doble. Las mediciones con rayos X han demostrado que la doble hélice de DNA tiene 2 nm (20 Al de ancho, que hay la pares de bases en cada vuelta completa y que cada vuelta tiene 3.4 nm de al· tura. Una frase para recordar la naturaleza de las uniones de hidrógeno de las cuatro bases del DNA puede ser "pura plata de tocador". Pura Pur Las bases purínicas Plata Ag AyG Tocador Te forman puentes de hidrógeno con T y e En la figura 28.7 observe que las dos cadenas de la hélice doble se enrollan de tal forma que resultan dos clases de "ranuras"; una ranura mayor de 1.2 nm de ancho y una ranura menor de 600 pm de ancho. Resulta muy interesante que una diversidad de moléculas aromáticas planas policíclicas son capaces de adap· w w w . L i b r o s Z . c o m 1166 CAPíTULO 28 • Blomoléculas: heteroclclos y ácidos nuclelcos FIGURA 28.7 " Complementariedad en el apareamiento de bases de la hélice doble d ~ 1 DNA. la espina dorsal de azúcar-fosfato corre a lo largo del lado exterior de la hélice, mientras que los enlaces de hidrógeno de las bases aminadas van uno a otro en el interior. Las dos ranuras mayor y menor son visibles. Primera cadena Segunda cadena 1 Extremo 3' T : ::A A:::T G, He Extremo 3' 1 tarse lateralmente dentro de la ranura entr e las cadenas e intercalarse, o de in· sertarse entre los pares de base apilados. Muchos agentes cancerígenos y preven· tivos del cáncer funcionan al intercalarse con el DNA de esta. maner a . •••••• •• •••••••••••••••••••• •••••••••••• Problema 28.10 ¿Qué secuencia de bases de una cadena complementa la secuencia siguiente en otra cadena? Recuerde que el extremo 5' está a la izquierda y el extremo 3' está a la derecha. GGCTAATCCGT •••••• ••••••• •••••••••• • •••• •••••••••••• 28.11 Ácidos nuclelcos y herencia La información genética de un organismo se almacena como una secuencia de de· soxirribonucleótidos encadenados juntos en la cadena del DNA. Para conservar esta información y pasarla a las generaciones futuras, debe existir un mecanismo de copiado del DNA. Para usar la información, se r equiere un mecanismo que descodifique el mensaje del DNA y cumpla las instrucciones que contiene. w w w . L i b r o s Z . c o m 28.12 • Duplicación de DNA 1167 El "dogma central de Crick de la genética molecular" dice que la función de los DNA es almacenar la información y pasarla al RNA en el momento adecuado. A su vez, la función de los RNA es leer, decodificar y utilizar la información para fabricar proteínas. Al descodificar un trozo correcto de DNA en el momento alie· cuado y en el lugar preciso, un organismo puede utilizar la información genética a fin de sintetizar los muchos millares de proteínas necesarias para llevar a ca· bo sus reacciones bioquímicas. Transcripción RNA Traducción Proteínas Se efectúan tres procesos fundamentales en la transferencia de información genética: • Duplicación Es el proceso por el cual se hacen copias idénticas de DNA, de modo que sea posible conservar y pasar la información a la pro· geme. • Transcripción Proceso por el cual es posible leer y transportar los mensajes genéticos contenidos en el DNA del núcleo a las partes de la célula llamadas ribosomas, donde se efectúa la síntesis de las proteínas. • Traducción Es el proceso por el que los mensajes genéticos se descodi· fican y usan para construir proteínas. 28.12 Duplicación de DNA La duplicación de DNA es un proceso catalizado por enzimas que se inicia por un desenrollamiento parcial de la hélice doble. A medida que las cadenas se sepa· ran y las bases quedan expuestas, se alinean nuevos nucleótidos en cada cadena de una manera complementaria: A a T, e a G, y empiezan a crecer. Cada nueva cadena complementa su vieja cadena -que sirve de plantilla- y se producen dos hélices dobles de DNA idénticas (Fig. 28.8). Como cada una de las nuevas molécu· las de DNA contiene una cadena de DNA viejo y una cadena de DNA nuevo, el proceso se describe como una duplicación semi conservadora. Crick describió mejor el proceso cuando utilizó la analogía de las dos cadenas de DNA amol· dándose una a la otra como una mano en un guante. La mano y el guante se se· paran, y dentro del guante se forma una mano, y alrededor de la mano, otro guante. Ahora existen dos copias exactas donde antes sólo había una. El proceso por el cual se reúnen los nucleótidos para crear cadenas de DNA consta de muchas etapas y enzimas. La adición de nuevas unidades de nuc!eóti· dos a la cadena en crecimiento tiene lugar en la dirección 5' ---> 3' Y es catalizada por la enzima DNA polimerasa. La etapa clave es la suma de un 5' ·mononuc1eó· sido trifosfato al grupo 3' ·hidroxilo libre de la cadena en crecimiento, mientras el 3' ·hidroxilo ataca al trifosfato y expulsa un grupo saliente difosfato. w w w . L i b r o s Z . c o m 1168 CAPíTULO 28 • Blo";"'éculas: heteroclclos y ácidos nuclelcos FIGURA 28.8 ... Esquema de la duplicación de DNA. El ONA original de doble cadena se desenrolla parcialmente, las bases quedan expuestas, los nudeótidos se alinean en cada cadena en forma complementaria y empiezan a crecer dos cadenas nuevas. 3' vieja 5' vieja Extremo 5' + O=P- O- I C P O I O=P-O- OH ,-----0---1-.., I\.......YI O O O G ( 6- 6-6- ) 3'-5' 5' -3' + O=P- O- 3' vieja 5' nueva 3' 5' vieja d .. G CH, ? 0/ -0- I T d ··A CH,O O d--- 6c pO --J A CH,? OC p O Extremo 3' + Plantilla de la cadena Cadena nueva I O= P- O- + 5' end O ¡- O- O + Ambas cadenas nuevas de DNA se sintetizan en la misma dirección 5' ------7 3', lo cual significa que no se pueden construir exactamente en la misma forma. Da· do que las dos cadenas complementarias de DNA están alineadas en direcciones w w w . L i b r o s Z . c o m 28.13 • Estructura y síntesis de RNA: transcripción 1169 opuestas, una debe tener su extremo 3' cerca del punto de desenredo u horquilla de duplicación, y la otra, su extremo 5'. Lo que sucede es que ambas cadenas son sintetizadas en la dirección 5' ~ 3', pero el complemento de la cadena original 5' ~ 3' es sintetizado en un proceso continuo en un solo pedazo, mientras que el complemento de la cadena original 5' ~ 3' lo es en forma dis- continua en pedazos pequeños. Las enzimas DNA ligasa enlazan los fragmentos. La magnitud del proceso de duplicación es sorprendente. El núcleo de toda célula humana contiene 46 cromosomas (23 pares), cada uno de los cuales consiste en una molécula muy larga de DNA. Cada cromosoma, a su vez, está hecho de varios millares de segmentos de DNA, llamados genes, y se estima que la suma de todos los genes en una célula humana (el genoma humano) es de 3 mil millones de pares de bases. Una cadena simple de DNA puede medir más de 12 cm y contener hasta 250 millones de pares de bases. A pesar del tamaño de estas enormes moléculas, su secuencia de bases es copiada con toda fidelidad durante la duplicación. El proceso de copiado toma sólo unos minutos y ocurre un error en alrededor de 10-100 mil millones de bases. 28.13 Estructura f síntesis de RNA: transcrlpcion Como ya se señaló, los RNA son similares estructuralmente a los DNA, pero contienen ribosa en lugar de desoxirribosa, y uracilo en vez de timina. Existen tres tipos importantes de RNA, cada uno con una función específica: los tres están formados por moléculas mucho menores que los DNAy conservan una estructura de una cadena. • RNA mensajero (RNAm) Lleva los mensajes genéticos del DNA a los ribosomas, que son pequeñas partículas granulosas que se encuentran en el citoplasma de una célula donde se sintetizan las proteínas. • RNA ribosómico (RNAr) Forma un complejo con proteínas proporcio- nando el aspecto físico de los ribosomas. • RNA de transferencia (RNAt) Transporta los aminoácidos a los ribosomas, donde se reúnen y forman las proteínas. La conversión de la información en el DNA en proteínas se inicia en el nú- cleo de las células con la síntesis de RNAm por la transcripción del DNA. Se de- senrollan varias vueltas de la doble hélice del DNA, forman una "burbuja" y ex- ponen las bases de las dos cadenas. Los ribonucleótidos se alinean en el orden apropiado mediante enlaces de hidrógeno con sus bases complementarias del DNA, los enlaces se establecen en la dirección 5' ~ 3' y la creciente molécula de RNA se desprende del DNA (Fig. 28.9). A diferencia de lo que sucede en la duplicación del DNA, donde se copian ambas cadenas, sólo se transcribe una de ellas en el RNAm. La cadena que contiene el gen se llama cadena de codificación o cadena de sentido y la cadena transcrita, cadena plantilla o cadena antisentido. Dado que la cadena plantilla y la cadena de codificación son complementarias, al igual que la cadena w w w . L i b r o s Z . c o m 1170 CAPíTULO 28 • Blomoléculas: heteroclclos y ácidos nuclelcos FIGURA 28.9 ., Biosíntesis de RNA con un segmento de DNA como plantill a. Cadena de codificación j T-C- A- G-C- T - G- G-C-T- G- A-A-C-G-C-G- T - T¡ S' I-C- A- T \ G-A-C-I 3' 3' I-G- T - A\ jC- T - G- 1 5' A- G- T - C- G- A- C- C- G- A- C- T- T- G- C- G- C- A- A , , , , , , , , , , , , , , , , , " de DNA S' -U-C-A-G-C-U-G-G-C-U-G-A-A-C-G-C-G- U-U- 3' RNAm plantilla y la molécula de RNA, la molécula producida de RNA durante la transo cripción es una copia de la cadena de codificación. La única diferencia existente es que la molécula de RNA tiene una U donde la cadena de DNA de codificación posee solamente una T. La transcripción del DNA por el proceso que acabamos de explicar plantea muchas preguntas: ¿cómo sabe el DNA dónde desenrollarse?, ¿dónde se debe de· tener un gen en el sitio correcto a lo largo de la cadena y dónde debe iniciar el si· guiente? ¿Cómo saben los ribonucleótidos cuál es el sitio correcto a lo largo de la cadena plantilla para iniciar el alineamiento y el lugar adecuado para detenerse? U na cadena de DNA contiene secuencias específicas de bases llamadas sitios pro· motores que están cada 10 pares de bases y 35 pares de base corriente arriba del principio de una región 'de codificación y de la señal de iniciación de un gen. De modo similar, hay otras secuencias de bases cerca del extremo del gen que seña· lan una parada. Otra parte de la figura muestra que los genes no tienen que ser segmentos continuos de la cadena de DNA. Con frecuencia, un gen puede empezar en una pequeña sección del DNA que se llama exón , luego es interrumpido por una seco ción aparentemente sin sentido que se conoce como intrón y continúa de nuevo hacia abajo hasta encontrar otro exón. La molécula final de RNAm resulta sólo después de que las secciones sin sentido se cortan y se empalman las piezas res· tantes. La prueba actual es que 98% del DNA humano está formado por intrones y nada más alrededor de 2% del DNA contiene instrucciones genéticas . •••• • • • •••• • • • • •••••• • • •••• • • •••••• • •••• Problema 28.11 Muestre cómo el uracilo puede formar uniones fuertes de hidrógeno con la adenina. Problema 28.12 ¿Qué secuencia de bases de RNAcomplementa a la secuencia de base de DNA siguiente? GA'ITACCGTA •••••••••••••••••• ••••••••••• ••••••••••• w w w . L i b r o s Z . c o m 28.14 • RNA Y la blosíntesls de proteínas: traducción 28.14 RNA Y la blosíntesls de proteínas: traducción 1171 La función celular primaria de los RNA es dirigir la biosíntesis de los millares de diversos péptidos y proteínas que requiere un organismo -al menos 100000 en el ser humano. Al parecer, el RNAm cataliza la mecánica de la biosíntesis proteíni- ca en lugar de enzimas basadas en proteínas y tiene lugar en los ribosomas, pe- queñas partículas granulosas que se encuentran en el citoplasma de una célula que consiste en alrededor de 60% de RNA ribosómico y 40% de proteína. En el ribosoma, el RNAm sirve como una plantilla para pasar la información genética transcrita del DNA. La secuencia específica del ribonucleótido en el RNAm forma un mensaje que determina el orden de unión de los diferentes residuos de aminoácidos. Ca- da "palabra" o codón a lo largo de la cadena de RNAm consiste en una secuencia particular de tres ribonucleótidos para un aminoácido dado. Por ejemplo, la serie U-U- C en el RNAm es un codón que dirige la incorporación del aminoáci- do fenilalanina dentro de la proteína en crecimiento. De los 4 3 = 64 tripletes posibles de las cuatro bases en el RNA, 61 codifican aminoácidos específicos y tres lo hacen para la terminación de la cadena. La tabla 28.1 muestra el significado de cada codón. TABLA 28.1 Asignación de codones de los tripletes de base Tercera base (extremo 3') Primera base Segunda (extremo 5') base U e A G U U Phe Phe Leu Leu e Ser Ser Ser Ser A Tyr Tyr Stop Stop G eys eys Stop Trp e U Leu Leu Leu Leu e Pro Pro Pro Pro A His His Gln Gln G Arg Arg Arg Arg A U Ile Ile Ile Met e Thr Thr . __ Thr Thr A Asn Asn Lys Lys G Ser Ser Arg Arg G U Val Val Val Val e Ala Ala Ala Ala A Asp Asp Glu Glu G Gly Gly Gly Gly w w w . L i b r o s Z . c o m 1172 CAPíTULO 28 • Blomoléc:ulas: heteroc:lclos y ácidos nuclelcos El RNA de transferencia (RNAt) lee el mensaje que lleva el RNAm en un proceso que se llama traducción_ Existen 61 diferentes RNAt, uno para cada uno de los 61 codones que determinan un aminoácido. Un RNAt típico tiene la forma aproximada de un trébol (Fig. 28.10). Consta de unos 70 a 100 ribonucleótidos y está enlazado a cierto aminoácido por una unión éster a través del hidroxilo 3' de la ribosa y el extremo 3' del RNAt. Cada RNAt también contiene a la mitad de su hoja un segmento que recibe el nombre de anticodón, una secuencia de tres riboñucleótidos complementaria a la secuencia del codón. Por ejemplo, un RNAt unido a una fenilalanina que tiene la secuencia de bases del anticodón complementario GAA lee la secuencia del codón UUC que existe en el RNAm. Recuerde que las secuencias de los nucleótidos se escriben en la dirección 5' ----'> 3', de modo que la secuencia de un anticodón se debe escribir a la inversa; esto es, el cam· plemento de (5')-UUC-(3') es (3')-AAG-(5') y se escribe como (5' )-GAA-(3'). FIGURA 28.10 , Estructura de una molécula de RNAt. El RNAt es una molécula cuya forma recuerda la de un trébol; contiene un triplete anticodón en una "hoja" y un aminoácido unido por covalencia en su extremo 3' , El ejemplo ilustrado es un RNAt de levadura que codifica para fenilalanina. Los nucleótidos no identificados de manera específica son análogos modificados químicamente de los cuatro nucleótidos comunes. Anticodón ~ CCACAO A = A = U = U C -- O-- e ~ = Tallo del receptor A 5' e e A o O - ~ - C H C H , ~ I "\d 3' NH, Anticod6n Tallo del receptor- w w w . L i b r o s Z . c o m FIGURA 28.11 "' 28.14 • RNA Y I.a biosíntesis de proteínas: traducción 1173 A medida que se lee cada codón sucesivo en el RNAm , diferentes RNAt traen el aminoácido correcto a la posición para la transferencia al péptido en crecimien- to mediada por una enzima. Cuando se completa la síntesis de la proteína apropiada, un codón de "paro" señala el fin y la proteína es liberada del ribosoma. El proceso se esquematiza en la figura 28.11. Esquema de la biosíntesis de proteínas. Los RNAt que contienen secuencias de bases de anticodón complementario leen las secuencias de bases del codón del RNAm. Los RNAm de transferencia ensamblan los aminoácidos apropiados para su incorporación en el péptido en crecimiento. Cadena de RNAm Secuencias del codón ~ ~ ~ ~ ~ Codón en la cadena de RNAm 5' A U A G A e G G A U A e: G e e 3' Anticodón en RNAt · . . · . . . . . · . . · . . . . . · . . · . . . . . 3' U A U e u G e c u A U G C G G 5' ~ ~ ~ ~ ~ e? e? O=C·.O=C I .... I Ile Asp Gly Tyr Ile- Asp-Gly-Tyr- Ala o I =C Ala Problema de práctica 28.1 ¿Qué secuencia de aminoácidos codifica el segmento siguiente de una cadena de codificación de DNA? CTA-ACT-AGC-GGG-TCG-CCG Estrategia El RNAm producido durante la traducción es una copia de la cadena de codifica- ción del DNA, con cada T reemplazada con U. Así, el RNAm tiene la secuencia Solución CUA-ACU -AGC-GGG-UCG-CCG Cada conjunto de tres bases forma un codón, cuyo significado se puede encontrar en la tabla 29.1. Leu-Thr-Ser-Gly-Ser-Pro w w w . L i b r o s Z . c o m 1174 CAPíTULO 28 • Biomoléculas: heterociclos y ácidos nucleicos Problema 28.13 Enumere las secuencias del codón para los aminoácidos siguientes: (a) Ala (b) Phen (c) Leu (d) Tyr Problema 28.14 Haga una lista de las secuencias de anticodón en los RNAt que llevan los aminoácidos del problema 28.13. Problema 28.15 ¿Qué secuencia de aminoácido codifican las secuencias de bases en RNAm que siguen? CUU -AUG-GCU -UGG-CCC-UAA Problema 28.16 Cuál es la secuencia de bases en la cadena original de DNA de la cual se hizo la secuencia del RNAm del problema 28.15 28.15 Determinación de la secuencia de bases en el DNA Walter Gilbert Wa Itere; ílbertriadóen 1.932 en Bostofl,Massa- chusetts, y recibió su doctorado en laUniversi- dad de Cambridge en 19.5?Se integró(illa cátedra en la Universidad de Harvard como profesor de física, pero sus intere- ses en investigación pasaron pronto ala bio- química. Mientras desem- peñaba su trabajo académico en Harvard, fundó Biogen, una de las primeras empresas comerciales en biotecnología. Recibió el Premio Nobel en Química por el desarrollo de su método para investigar la secuencia en los DNA. Cuando trabajamos sobre la estructura de las moléculas de DNA, examinamos el ni- vel fundamental que sostiene todos los procesos en las células vivas. El DNA es el al- macén de información que dicta la estructura de todos los productos de los genes y delinea cada parte del organismo. El orden de las bases a lo largo del DNA contiene todo el conjunto de instrucciones que configuran la herencia genética (Walter Gilbert, Conferencia al recibir el Premio Nobel, 1980). Una de las revoluciones científicas más importantes en la historia está en proceso en la biología molecular, ya que los científicos están aprendiendo a manipular y modificar la maquinaria genética de los organismos. Ninguno de los extraor- dinarios avances de las dos décadas pasadas habrían sido posibles sin el descu- brimiento en 1977 de los métodos para averiguar la secuencia de las inmensas cadenas de DNA a fin de conocer los mensajes que contienen. Se han generalizado dos métodos de investigación de la secuencia de DNA; ambos operan en líneas similares, pero el método de Maxam-Gilbert utiliza técnicas químicas, en tanto que el método didesoxi de Sanger usa reacciones en- zimáticas. Se prefiere el método de Maxam-Gilbert para algunos usos especiali- zados y el de Sanger para la determinación de secuencia en gran escala. Veamos ambos. Determinación de la secuencia de DNA de Maxam-Gilbert Este método de Maxam-Gilbert comprende cinco pasos o etapas para determinar la secuencia en los DNA. PASO 1 El primer problema en la determinación de la secuencia es romper la enorme cadena de DNA en puntos predecibles a fin de producir pedazos más manejables, tarea que se logra mediante enzimas llamadas endonucleasas de restricción. Cada enzima de restricción, de las cuales hay disponibles más de 200, rompe una molécula de DNA en puntos bien definidos de la cadena en los cuales existe una secuencia de bases específica, Por ejemplo, la enzima de restricción Alul rompe entre G y C y la secuencia de cuatro bases AG-CT (Fig. 28.12). Observe que la secuencia es un palíndromo, lo que significa que se lee igual de izquier- w w w . L i b r o s Z . c o m FIGURA 28.12 , La ruptura de una molécula de cadena doble de PNA con la enzima de restricción Alul corta en la secuencia AG-CT. Después de la escisión se aíslan los fragmentos y cada uno se marca radiactivamente en su extremo 5' por la formación catalizada con una enzima de un éster fosfato que contiene 32p. A continuación, se separan las cadenas. 28.15 • Determinación de la secuencia de bases en el DNA 1175 da a derecha que de derecha a izquierda; esto es, la secuencia (5')-AG-CT-(3') es idéntica a su complemento, (3')-TC-GA-(5'). Lo mismo es válido para otras endonucleasas de restricción. Si la molécula original de DNA se corta con otra enzima de restricción que tenga una especificidad diferente para la ruptura, se producen otros segmentos, cuyas secuencias se traslapan parcialmente con las producidas por la primera enzima. Si se determina la secuencia de todos los segmentos y se identifican las secuencias traslapadas, es posible conocer la secuencia del DNA. 3' 1 A-G-A-A-G-C-T-C-G-C-T-C-C-G-G-T-A-C- · ................ . · ................ . · ................ . -T-C-T-T-C-G-A-G-C-G-A-G-G-C-C-A-T-G- r 1 AZul -A-G-A-A-G C-T-C-G-C-T-C-C-G-G-T-A-C- : : : : : + : : : : : : : : : : : : : -T-C-T-T-C G-A-G-C-G-A-G-G-C-C-A-T-G- 1 1. Marca del extremo 5' con fosfato " ~ p 2. Separa las cadenas -A-G-A-A-G :J2p-C-T-C-G-C-T-C-C-G-G-T-A-C- + -T-C -T-T-C _;J 2 p G-A-G-C-G-A-G-G-C-C-A-T-G- PASO 2 Después de romper el DNA en trozos pequeños, llamados fragmentos de restric- ción, cada trozo es marcado radiactivamente por la incorporación enzimática de un grupo fosfato 32p en el grupo hidroxilo 5' del nucleótido terminal. Los fragmentos de doble cadena se separan en cadenas sencillas por calentamiento y és- tas se aíslan. Imagine, por ejemplo, que ahora tenemos un fragmento de DNA de una cadena con la estructura parcial siguiente: 5' J2P-GATCAGCGAT---- 3' PASO 3 La muestra marcada de DNA se divide en cuatro submuestras que se someten a cuatro conjuntos paralelos de reacciones químicas en condiciones que causen: (a) Ruptura de la cadena de DNA siguiente a A (b) Ruptura de la cadena de DNA siguiente a G (c) Ruptura de la cadena de DNA siguiente a C (d) Ruptura de la cadena de DNA siguiente a T y C Se emplean condiciones suaves de reacción de modo que sólo se efectúen unas pocas de las muchas rupturas posibles. Literalmente, de una reacción de ruptura w w w . L i b r o s Z . c o m 1176 CAPíTULO 28 • Biomoléculas: heteroclclos y ácidos nucleicos resultan cientos de trozos, pero sólo los fragmentos que retienen una marca 32p tienen importancia para la determinación de la secuencia. En nuestro ejemplo, se pudieron producir los pedazos que se muestran en la tabla 28.2. TABLA 28.2 Ruptura de un fragmento de DNA en cuatro condiciones Las rupturas siguientes a A y G se obtienen tratando un fragmento de res- tricción con sulfato dimetílico [(CH 3 0hS02]' La desoxiadenosina (A) se me tila en N3 (reacción SN2), y la desoxiguanosina (G), en N7, pero T y C no son afectadas. Desoxiadenosina Desoxiguanosina y H 3 O +N /H O JI I N 11 \ ./ H H O + w w w . L i b r o s Z . c o m FIGURA 28.13 'f 28.15 • Determinación de la secuencia de bases en el DNA 1177 El tratamiento de DNA metilado con una solución acuosa de la amina secundaria piperidina provoca la destrucción de los nucleótidos metilados y abre la cadena de DNA en ambas posiciones 3' y 5' siguientes a las bases metiladas. El mecanismo del proceso de ruptura en la desoxiguanosina se ilustra en la figura 28.13. 1. Un par de electrones sin compartir en el átomo de oxígeno del azúcar elimina la base metilada para dar un ion oxonio intermediario. 2. La adición de agua al ion oxonio del azúcar abre el azúcar y produce un al- dehído. 3. Se forma una enamina entre la piperidina y el grupo aldehído de la 2-desoxirribosa (Sec. 19.9). 4. El par de electrones sin compartir del átomo de nitrógeno de la enamina rompe la cadena de DNAy la abre expulsando el oxígeno 3' como grupo saliente. 5. Ocurre una segunda eliminación semejante a E2 del oxígeno 5', que destru- ye el azúcar desoxirribosa y da lugar a la ruptura posterior de la cadena de DNA. Mecanismo de ruptura del DNA en la desoxiguanosina (G). ® + °1-- 0H i .. , • H I I t:::.} 0H +N ' \ H ('1 + + Al trabajar con sumo cuidado, Maxam y Gilbert hallaron las condiciones de reacción que definieron la ruptura en A o G. (Encontraron que G se metila cinco veces más rápido que A, pero la ruptura hidrolítica de A metilada ocurre con más rapidez que la correspondiente ruptura de G metilada si el producto se calienta primero con ácido diluido antes de tratarlo con base.) w w w . L i b r o s Z . c o m 1178 CAPíTULO 28 • Biomoléculas: heterociclos y ácidos nucleicos El rompimiento de la cadena de DNA siguiente a los pirimidina nucleótidos C y T se obtiene al tratar el DNA con hidrazina, H 2 NNH 2 , seguido por calentamiento con piperidina acuosa. Aunque no se han encontrado las condiciones se- lectivas para la ruptura cercana a T, se puede lograr un rompimiento siguiente a C mediante la reacción con hidrazina en solución 5 M de NaCl. PASO 4 Cada una de las mezclas de productos de las cuatro reacciones de ruptura se separa por electroforesis (Sec. 26.2). Cuando una mezcla de los productos de ruptura de DNA se coloca en el extremo de una tira de gel de poliacrilamida amorti- guado y se aplica un voltaje, los pedazos con carga eléctrica se mueven a lo largo del gel. Cada pedazo se desplaza a una velocidad que depende del número de grupos fosfato con carga negativa y los pedazos más grandes lo hacen más des- pacio. La técnica es tan sensible que se han podido separar hasta 600 pedazos de DNA que sólo difieren de tamaño en un nucleótido. FIGURA 28.14 Representación de un patrón de electroforesis de un gel. Los productos de los cuatro experimentos de ruptura se colocan en la parte superior del gel y se aplica un voltaje entre la sección superior y el fondo. Los productos más pequeños migran a lo largo del gel a una velocidad mayor y por eso aparecen en la parte inferior. La secuencia de DNA se puede leer por las posiciones de las manchas radiactivas. Una vez separados, se detectan las localizaciones de los productos de ruptura de DNA exponiendo el gel a una placa fotográfica, proceso que se conoce como autorradiografía. Cada extremo radiactivo de un pedazo, que contiene el mar- cador 32p, aparece como una banda oscura en la placa fotográfica, pero los pedazos no radiactivos de porción media de la cadena no se ven. En nuestro ejemplo hipotético se obtuvo el patrón de electroforesis de un gel mostrado en la figura 28.14. A G C T+C ~ ~ ~ ~ --Origen ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ -- T ~ -- A ~ --G ~ ~ -- C ~ --G ~ -- A ~ ~ -- C ~ -- T ~ -- A PASO 5 La secuencia del DNA se lee directamente del gel. La banda que aparece más alejada del origen es el mononucleótido terminal 5' (el pedazo más pequeño) y no se puede identificar. Debido a que el mononucleótido terminal aparece en la columna A, se debió producir por ruptura siguiente a A. Así, el segundo nucleó- ti do en la secuencia es una A. w w w . L i b r o s Z . c o m 28.15 • Determinación de la secuencia de DNA 1179 La segunda banda más alejada del origen es un dinucleótido que sólo aparece en la columna T + C. Se produce por ruptura siguiente al tercer nucleótido, el cual debe ser por consiguiente una T o una C. Pero debido a que este pedazo no aparece en la columna C, el tercer nucleótido tiene que ser una T y no una C. La tercera banda más alejada aparece en ambas columnas T + C, lo que significa que el cuarto nucleótido es una C. Al continuar de esta forma, se puede leer toda la secuencia del g2l con sólo observar en qué columnas aparecen sucesivamente los pedazos marcados más grandes del polinucleótido. Una vez que se ha leído, se puede comprobar toda la secuencia determinando la secuencia de la cadena complementaria. Problema 28.17 Muestre los productos marcados de ruptura que espera obtener del siguiente segmento de DNA que fue sometido a cada una de las cuatro reacciones de ruptura: 32P-AACATGGCGTTATGACGA Problema 28.18 Esquematice el patrón de electroforesis del gel que espera obtener si determinara la secuencia del segmento de DNA del problema 28.17. Problema 28.19 Termine de asignar la secuencia del patrón de electroforesis del gel ilustrado en la figura 28.14. Frederick Sanger FrederickSanger. nadó en 1918 en Gloucestershire, Inglaterra, y se doctoró en la Universidad bridge Premio f\jobel de Química en 1958 pór su determi- nación de la estructura de la insulina. En 1980 se convirtió en la cuarta per- sona en recibir un segundQ Premio Nobel. Este segundo premio le fue conCedido por Su desarroUo· de un métooó para determtnat cia de los nuc!eótidos en el O NA. Determinación de Sanger de la secuencia de los didesoxi DNA Ahora, todas las determinaciones a gran escala de la secuencia de DNA se hacen con el método didesoxi de Sanger, el cual tiene algunas variantes. Una de especial importancia y que se usa en los instrumentos comerciales de determina- ción de secuencia, comienza con una mezcla de: El fragmento de restricción cuya secuencia se va a determinar. Un trozo pequeño de DNA llamado cebo, cuya secuencia es complementaria a la del extremo 3' del fragmento de restricción. Los cuatro 2'-desoxirribonucleósido trifosfatos (dNTP) Cantidades muy pequeñas de los cuatro 2,3' -didesoxirribonucleósido trifosfatos (ddNTP), cada uno de los cuales se ha marcado con un colorante fluorescente de un color diferente. (Un 2'3'-didesoxirribonucleósido trifosfato carece de ambos grupos 2' y 3' -OH en la ribosa.) Se añade la enzima DNA polimerasa a esta mezcla y a partir del extremo del cebo empieza a crecer una cadena de DNA complementaria al fragmento de res- tricción. La mayor parte del tiempo, sólo se incorporan desoxirribonucleótidos w w w . L i b r o s Z . c o m 1180 FIGURA 28.15 CAPíTULO 28 • Biomoléculas: heteroclclos y ácidos nucleicos Un 2' -desoxirribonucleósido trifosfato (dNTP) Un 2',3' -didesoxirribonuc1eósido trifosfato (ddNTP) normales a la cadena en crecimiento, pero con frecuencia se incorpora un dideso- xirribonucleótido. Cuando esto sucede, se detiene la síntesis de DNA porque el extremo de la cadena ya no tiene un grupo hidroxi en 3' para seguir añadiendo nucleótidos. Cuando la reacción es completa, el producto consiste en una mezcla de fragmentos de DNA de todas las longitudes posibles, cada uno terminado en uno de los cuatro didesoxirribonucleótidos marcados con un colorante. Después de la se- paración por electroforesis, se puede conocer la identidad del didesoxirribonu- cleótido terminal en cada pedazo -yen esta forma la secuencia del fragmento de restricción- con sólo observar el color con el cual fluoresce. En la figura 28.15 se muestra un resultado típico. Este método didesoxi automatizado es tan eficiente que se pueden determinar rápidamente secuencias hasta de más de 1000 nucleótidos de longitud con una exactitud de 98%. Se ha definido toda la secuencia del genoma del gusano nemátodo Caenorhabditis elegans que contiene 19 000 genes y 97 millones de pares de bases, y se han hecho progresos posteriores para encontrar la secuencia del genoma humano -que tiene unos 140000 genes y 3 mil millones de pares de bases-o Se ha programado terminar el trabajo a más tardar para el 2003. La secuencia de un fragmento de restricción determinada por el método didesoxi de Sanger se puede leer con sólo notar los colores del colorante fijado a cada uno de los varios dinucleótidos terminales. (Cortesía de PE Biosystems.) 97 48 w w w . L i b r o s Z . c o m 28.16 • Síntesis de DNA 1181 28.16 Síntesis de DNA La reciente revolución en biología molecular ha traído consigo un incremento de la demanda de la síntesis química eficiente de segmentos cortos de DNA, llamados oligonucleótidos. Los problemas de la síntesis de DNA son similares a los de la síntesis de proteínas (Sec. 26.10), pero son mucho más difíciles por la comple- jidad de los monómeros nucleótidos. Cada nucleótido tiene múltiples sitios reactivos que se deben proteger de manera selectiva y desproteger en el momento apropiado y el acoplamiento de los cuatro nucleótidos tiene que llevarse a cabo en la secuencia apropiada. Sin embargo, ahora se dispone de sintetizadores automa- tizados de DNA que permiten la síntesis confiable de segmentos de DNA hasta de 200 nucleótidos de longitud. Los sintetizadores de DNA operan bajo un principio similar al del sintetiza- dor de péptidos en fase sólida de Merrifield (Sec. 26.11). En realidad, un nucleó- tido protegido se une mediante enlace covalente con un soporte sólido y añade a la cadena sólo un nucleótido a la vez utilizando un reactivo de acoplamiento. Des- pués de que se ha sumado el nucleótido final, se elimina el grupo protector y el DNA sintético se separa del soporte sólido. Se necesitan cinco etapas o pasos. PASO 1 El primer paso en la síntesis de DNA comprende la fijación de un desoxinucleó- sido protegido a un soporte de sílice (Si0 2 ) por en enlace éster en el gro -OH 3' del desoxinucleósido. Ambos grupos -el -OH en 5' del azúcar y el -NH 2 libre en las bases heterocíclicas- se deben proteger. Las bases adenina y citosina se pro- tegen con grupos benzoílo; la guanina, con un grupo isobutirilo, y la timina no requiere protección. El -OH en 5' de la desoxirribosa se protege igual que su éter p-dimetoxitritilo (DMT). + donde w w w . L i b r o s Z . c o m 1182 CAPíTULO 28 • Blomoléculas: heteroclclos y ácidos nucleicos N-Adenina protegida N-Guanina protegida N-Citosina protegida Timina PASO 2 Comprende la eliminación del grupo DMT protector por medio de tratamiento con ácido dicloroacético en CH 2 CI 2 . La reacción se efectúa por un mecanismo SN1 y es rápida gracias a la estabilidad del catión terciario dimetoxitritil bencílico. HO PASO 3 Abarca el acoplamiento del desoxinucleósido unido al polímero con un desoxinu- cleósido protegido que contiene un grupo fosforamidito en su posición 3'. [Un fosforamidito tiene la estructura R 2 NP(OR)2.] La reacción de acoplamiento se efectúa en el disolvente aprótico polar acetonitrilo, requiere catálisis por la amina heterocíclica tetrazol y da como producto un fosfito, P(ORh Note que uno de los átomos de oxígeno del fósforo está protegido por un grupo f3-cianoetilo, -OCH 2 CH 2 C==N. La etapa de acoplamiento tiene lugar con un rendimiento superior a 99 por ciento. HO + o I /p,,-- N = CCH 2 CH 2 0 } O Fosfito O I P (i-Pr)2N/ )"--OCH 2 CH z C=N FORforamidito w w w . L i b r o s Z . c o m 28.16 11 Síntesis de DNA 1183 PASO 4 Una vez realizado el acoplamiento, el producto fosfito se oxida en fosfato si se trata con yodo. La reacción se lleva a cabo en tetrahidrofurano acuoso en presencia de 2,6-dimetilpiridina. El ciclo (1) desprotección, (2) acoplamiento y (3) oxidación se repite hasta que se construye una cadena de oligonucleótido de la secuencia deseada. 2,6-Dimetilpiridina Fosfito Fosfato PASO 5 La etapa final es la supresión de los grupos protectores y la ruptura del enlace éster que mantiene el DNA unido al sílice. Todas estas reacciones se presentan al mismo tiempo cuando se trata con NH 3 acuoso. Luego, la purificación por electroforesis produce el DNA sintético. Cadena de polinucle6tido o .tSílice HO o I O=P-O- Cadena de polinucle6tido OH w w w . L i b r o s Z . c o m 1184 CAPíTULO 28 • Biomoléculas: heteroclclos y ácidos nucleicos Problema 28.20 Los éteres p-dimetoxitritílicos (DMT) se rompen con facilidad mediante un tratamiento suave con ácido. Muestre el mecanismo detallado de la reacción de ruptura. Problema 28.21 Proponga un mecanismo para explicar la ruptura del grupo protector f3-cianoetilo de los grupos fosfato cuando se trata con amoniaco acuoso. (El acrilonitrilo, H 2 C=CHCN, es un subproducto.) ¿Qué clase de reacción se efectúa? ...... 28.17 Reacción en cadena de la polimerasa Kary Mullis inventó la reacción en cadena de la polimerasa (PCR, por sus siglas en inglés) en 1986. Acerca de dicha invención se dice que es a los genes lo que fue la invención de Gutenberg a la palabra escrita. Así, como la imprenta produce múltiples copias de un libro, la PCR genera múltiples copias de una secuencia dada de DNA. A partir de menos de 1 picogramo de DNA con una longitud de cadena de 10000 nucleótidos (lpg = 1O- 12 g; unas 10 0000 moléculas), la PCR ha- ce posible obtener varios microgramos (1 J-Lg = 1O- 6 g; alrededor de 10 11 molécu- las) en unas pocas horas. La clave para la reacción en cadena de la polimerasa es DNA polimerasa Taq, una enzima termoestable aislada de la bacteria termófila Thermus aquati- cus que se encuentra en un manantial caliente en el Parque Nacional de Yellows- tone. La polimerasa Taq es capaz de tomar una sola cadena de DNA que tiene un primer segmento corto de la cadena complementaria en un extremo y terminar de construirla. El proceso general supone tres etapas, esquematizadas en la figura 28.16. (En fechas más recientes, se cuenta con enzimas DNA polimerasas termoestables mejoradas, incluyendo polimerasa Vent y polimerasa Pfu, ambas aisladas de bacterias que se desarrollan cerca de los respiraderos geotérmicos en el fondo del océano. El grado de error de ambas enzimas es sustancialmente me- nor que el de Taq.) PASO 1 El DNA de doble cadena que será amplificado se calienta primero a 95 oC en presencia de la polimerasa Taq, ion Mg+2, los cuatro monómeros de desoxinucleóti- do trifosfato (dNTP) y un gran exceso de dos cebos oligonucleótidos cortos de unas 20 bases cada uno. Cada cebo es complementario de la secuencia en el extremo de uno de los segmento§Jle DNA objeto de la amplificación. A una temperatura de 95 °C,eH3N:Adedoble cadena se desnaturaliza de manera espontá- nea y se rompe en dos cadenas simples. PASO 2 Se disminuye la temperatura entre 37 oC y 50 oC, para permitir que los cebos, debido a sus concentraciones relativamente elevadas, consoliden sus enlaces de hidrógeno con su secuencia complementaria en el extremo de cada cadena marcada. PASO 3 Se eleva la temperatura a 72 oC y la polimerasa Taq cataliza la suma de más nucleótidos a las dos primeras cadenas cebadas de DNA. Cuando se finaliza la duplicación de cada cadena, existen dos copias del DNA original. Al repetir el ciclo de síntesis-desnaturalización-consolidación una segunda vez, se producen cuatro copias de DNA, una tercera repetición produce ocho copias y así sucesivamente, en una serie exponencial. w w w . L i b r o s Z . c o m FIGURA 28.15 Reacción en cadena de la polimerasa. El DNA de doble cadena se calienta a 95 oC en presencia de dos secuencias de oligonucleótidos como cebo, cada una de ellas complementa el extremo de una de las cadenas. Después de que el DNA se desnaturaliza, se baja la temperatura y las primeras secuencias se consolidan en los extremos de las cadenas. Al elevar la temperatura en presencia de polimerasa Taq, Mg+ 2 , y una mezcla de cuatro desoxinucleótido trifosfatos (dNTP), se efectúa la duplicación y el producto son dos copias de DNA. Cada repetición posterior de la secuencia duplica de nuevo el número de copias. • Huellas digitales del DNA 1185 La PCR se ha automatizado y se pueden efectuar 30 o más ciclos en una ho- ra; el resultado es un factor de amplificación teórico de 2 30 Sin embargo, en la práctica la eficiencia de cada ciclo es menor a 100% y en una amplificación experimental para 30 ciclos se logra alrededor de 10 6 -10 8 • DNAmarcado I I I I I I I I I I I I I I I I I I I " I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I 95 oC ) + I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I Desnaturalización I I I I I I I I I I I I " I I I I I I I I I I I I I I I I I I I " I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I Cebos consolidados """ ----- Cebos mmllllllllllllllllllllllllllllll + 1IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIImm Polimerasa Taq 1 Mg+ 2 , dNTP 1111111111111111111111111111;1111111 + IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII II I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I II I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I 1 Se repite la secuencia Cuatro copias DNA --+ 8 --+ 16 --+ 32 --+ w w w . L i b r o s Z . c o m 1186 CAPíTULO 28 II1II Blomoléculas: heterociclos y ácidos nucleicos ..qe sus registro delínbuentt=Js convictos. Cuando se obtiene ttna· muestra deDNAdela esee- naqeun crimen -de sangre, .cabello, pÍelosell1en,.!)or ejemplo-lall1uestra .se sOll1ete a la ruptura con que contengan ·los sitios STa; los utilizando ciónen cadena de la polimerasa y se Si coinciden el perfil de secuencias en la escena de millones a·;l;de .. que .. el.DNAsea .. iuIDviduo.·Eil; casQsqe donde elDNA tienen r¡Q ..: .. • ¡¡;.,Ji:¡.,.·\¡;tfilrih,>r\c la identidad del progEínitor.sepued e estableceI'.co.nu:qa .. de 100,000. a 1. . .. d!.l;rélhte:mQchos.añossj 'fbornas E'1l,nf1'1tU'o un hijo <Oh Séllly Hemmlngs. Las pruebl,lso!?tehidas digitales de' pNA sugieren que Jo hizo. Resumen y palabras clave ácido desoxirribonucleieo (UNA),1160 ácido ribonucIeico (RNA),1160 adenina, 1161 anticodón; 1172 autorradiografia, 1178 cadena antísentido, 1169 cadena codificadora, 1169 cadena de sentido, 1169 ca.dena plantílla, 1169 caroociclo, 1150 citosina, 1161 codón,l171 duplícación semiconservadora, 1167 duplicación, 1167 endonucleasa de restricción, 1174 exón,1170 extremo 3', 1163 Un heterociclo es un compuesto con un anillo que tiene más de una clase de áto- mos. El nitrógeno, el oxígeno y el azufre suelen hallarse con el carbono en anillos heterocíclicos. Las aminas, los éteres y los sulfuros heterocíclicos saturados tienen la misma química que sus análogos de cadena abierta, pero los heterociclos insaturados -como pirrol, furano y tiofeno- son aromáticos. Los tres son suma- mente estables y presentan sustitución aromática en sus reacciones con electró- filos. La piridina es el anillo heterocíclico de seis miembros que contiene nitróge- no, análogo al benceno. El anillo de piridina es pobre en electrones y apenas ex- perimenta reacciones de sustitución aromática electrofílica. Sin embargo, las sustituciones aromáticas nucleofílicas de las 2 o 4-halopiridinas se efectúan con facilidad. Los ácidos nucleicos DNA (ácidos desoxirribonucleicos) y RNA (ácidos ribonucleicos) son polímeros biológicos que actúan como acarreadores químicos de la información genética de un organismo. La hidrólisis catalizada por enzimas de los ácidos nucleicos produce nucleótidos, las unidades monoméricas de las que están formados los RNA y DNA. Cada nucleótido consiste en una base de purina o de pirimidina enlazada al Cl' de un azúcar aldopentosa (ribosa en RNA y 2' desoxirribosa en DNA), con el azúcar enlazado mediante uniones fosfa- to entre el fosfato de un nucleótido y el hidroxilo 3' del azúcar de otro nucleótido. Las moléculas de DNA constan de dos cadenas de polinucleótidos enlazadas por medio de uniones de hidrógeno entre las bases heterocíclicas de las diferentes cadenas y enrolladas en una hélice doble. La adenina y la timina forman enlaces de hidrógeno una con la otra como lo hacen la citosina y la guanina. Las dos cadenas de DNA no son idénticas, se complementan. Se realizan tres procesos para descifrar la información genética del DNA: w w w . L i b r o s Z . c o m l1{i8 11{iO horquilla de du.plicacion,l intron,11tO Gilbert, Ü7';t nudeótido,lleo pirimidina;.1160 pu.rina, 1160 reaccionen cadena de la polímerasa (POR), 1184 RNA de transcripCión RNA mensajero (RNAm),l.169 RNA riboso1l1Íco (RNAr), 1169 tiamina, 1161 traducción, 1172 transcripción, 1169 uracilo,l161 • Resumen de reacciones 1187 Duplicación del DNA Es el proceso por el cual se hacen copias idénti- cas y se conserva la información genética. Esto ocurre cuando la doble hé- lice de DNA se desenrolla, los desoxirribonucleótidos se alinean en orden y se producen dos nuevas moléculas de DNA. Transcripción Es el proceso por el que se produce RNA a fin de llevar la información genética del núcleo a los ribosomas. Esto sucede cuando se desenrolla un segmento corto de la doble hélice de DNA y los ribonucleóti- dos complementarios se alinean y producen RNA mensajero (RNAm) Traducción Es el proceso por el cual el RNAm dirige la síntesis de la proteína. Cada RNAm se divide en codones, tripletes de ribonucleótido reconocidos por pequeñas moléculas de aminoácidos portadoras de RNA de transferencia (RNAt) que liberan los aminoácidos apropiados necesarios para la síntesis de proteínas. En el laboratorio se pueden sintetizar pequeños fragmentos de DNAy se dispone de instrumentos comerciales para automatizar el trabajo. La determinación de la secuencia se efectúa mediante el método de Maxam-Gilbert -que utiliza técnicas químicas- o por el método didesoxi de Sanger, donde se usan técnicas enzimáticas. Es posible amplificar cantidades pequeñas de DNA mediante factores de 10 6 utilizando la reacción en cadena de la polimerasa (PCR). Resumen de reacciones 1. Sustitución aromática electrofílica (Sec. 28.3) (a) Bromación (b) Nitración o O Furano o I H Pirrol +HBr O Br (continúa) w w w . L i b r o s Z . c o m 1188 CAPíTULO 28 • Blomoléculas: heteroclclos y ácidos nucleicos Visualización de la química "" (Los problemas 28.1 al 28.21 están incluidos en el desarrollo del capítulo.) 28.22 La molécula siguiente tiene tres átomos de nitrógeno. Enumérelos en orden de basicidad creciente y explique su jerarquización. 28.23 Identifique las bases siguientes y diga cuáles se encuentran en el DNA, RNA o ambos: (a) (b) (e) 28.24 Identifique el nucleótido siguiente y diga cómo se utiliza. w w w . L i b r o s Z . c o m • Problemas adicionales 1189 Problemas adicionales 28.25 Aunque el pirrol es una base mucho más débil que la mayor parte de las aminas, es un ácido más fuerte (pK a = 15 para el pirrol y 35 para la dietilamina). La base cede con facilidad el protón N-H, con lo que se forma el anión pirrol, C 4 H 4 N-. Explique el motivo. 28.26 El oxazol es un heterociclo aromático de cinco miembros. Dibuje un cuadro de orbitales del oxazol, mostrando todos los orbitales p y todos los orbitales con pares de electrones sin compartir. ¿Esperaría que el oxazol fuera más básico o menos básico que el pirrol? Expli- que su respuesta. ro Oxazol N.::::J 28.27 Escriba los productos de la reacción del furano con cada uno de los reactivos siguientes: (a) Br 2 , dioxano, O oC (b) HN0 3 , anhídrido acético (c) CH 3 COC1, SnC1 4 (d) H 2 /Pd (e) S03' piridina 28.28 El pirrol tiene un momento dipolar f.L = 1.8 D, con un átomo de nitrógeno en el extremo positivo del dipolo. Explique el motivo. 28.29 Si se calienta la 3-bromopiridina con NaNH2' se obtiene una mezcla de 3- y 4-aminopiridina. Explique el motivo. 28.30 La nitrofuroxima es un agente farmacéutico que se usa en el tratamiento de infecciones en vías urinarias. Proponga una síntesis de nitrofuroxima a partir del furfural. OCHO Furfural Nitrofuroxima 28.31 Los pirroles sustituidos se preparan con frecuencia tratando una 1,4-dicetona con amoniaco. Sugiera un mecanismo. NH 3 ) + H 2 0 I H 28.32 El 3,5-dimetilisoxazol se prepara haciendo reaccionar 2,4-pentanodiona con hidroxilami- na. Proponga un mecanismo. 28.33 Con frecuencia las isoquinolinas se sintetizan por medio de la ciclación de Bischler-Napie- ralski de una N-acil-2-feniletil amina con un ácido fuerte y P 2 0 5 , seguida por la oxidación de la dihidroisoquinolina que se forma al inicio. Sugiera un mecanismo de ciclación. HN03 ) Dihidroisoquinolina l-Metilisoquinolina w w w . L i b r o s Z . c o m 1190 CAPíTULO 28 • Biomoléculas: heteroclclos y ácidos nucleicos 28.34 A menudo las quinolinas se preparan a través de la síntesis de Skraup, en la cual una ani- lina reacciona con un aldehído a,¡3-insaturado y se oxida la dihidroquinolina obtenida. Su- giera un mecanismo. Q + H , C ~ C H C H O NH 2 HN03 ) ~ ~ N ) I H HN03 ) 1,2-Dihidroquinolina (01 ~ 0... .....:: N Quinolina 28.35 Ambas insulinas, la humana y la de caballo, tienen dos cadenas polipeptídicas, con una cadena que contiene 21 aminoácidos y la otra con 30 aminoácidos. ¿Cuántas bases nitro- genadas existen en el DNA que codifica para cada cadena? 28.36 Las insulinas humana y equina (problema 28.35) difieren en su estructura primaria en dos lugares. En la posición 9 en una cadena, la insulina humana tiene Ser, y la insulina equina, Gly; en la posición 30 en la otra cadena, la insulina humana tiene Thr, y la caba- llar, Ala. ¿Cómo deben diferir los DNA para las dos insulinas? 28.37 El DNA del erizo marino contiene alrededor de 32% A. ¿Qué porcentaje de las otras tres bases espera que haya en el DNA del erizo de mar? Explique su respuesta. 28.38 El codón UAA detiene la síntesis de proteínas, ¿Por qué la secuencia UAA en el siguiente segmento de RNAm no causa problemas? -GCA-UUC-GAG-GUA-ACG-CCC- 28.39 ¿Cuál de estas secuencias de bases reconocería una endonucleasa de restricción? Explique su respuesta. (a) GAATTC (b) GATTACA (c) CTCGAG 28.40 ¿Para qué aminoácidos codifican estos tripletes de ribonucleótidos? (a) AAU (b) GAG (c) UCC (d) CAU 28.41 ¿De qué secuencias de DNA se transcribieron los codones de RNAm del problema 28.40? 28.42 ¿Qué secuencias anticodón de RNAt codifican los codones del problema 28.40? 28.43 Dibuje toda la estructura del ribonucleótido del codón UAC. ¿Para qué aminoácido codifica esta secuencia? 28.44 Trace la estructura completa de la secuencia del desoxirribonucleótido del cual se trans- cribió el codón de RNAm del problema 28.43. 28.45 Dé una secuencia de RNAm que codifique la síntesis de la metencefalina: Tyr-Gly-Gly-Phen -Met 28.46 Dé una secuencia del RNAm que codifique la síntesis de la angiotensina II: Asp-Arg-Val-Tyr-Ile-His-Pro-Phe w w w . L i b r o s Z . c o m • Problemas adicionales 1191 28.47 ¿Qué secuencia de aminoácidos codifica la siguiente cadena codificadora de DNA? CTT-CGA-CCA-GAC-AGC-TTT 28.48 ¿Qué secuencia de aminoácidos codifica la siguiente secuencia de bases del RNAm? CUA-GAC-CGU-UCC-AAG-UGA 28.49 Si la secuencia del gen de DNA-TAA-CCG-GAT- se copiara mal durante la duplicación y se convirtiera en -TGA-CCG-GAT-, ¿qué efecto habría en la secuencia de la proteína producida? 28.50 Muestre las etapas comprendidas en una síntesis de laboratorio del fragmento de DNAcon la secuencia CTAG. 28.51 El nitrito de sodio es un conservador de alimentos que se usa en carnes, el cual causa la mu- tación de citosina en uracilo en condiciones ácidas. Proponga un mecanismo (véase la Seco 24.8). 28.52 La etapa final en la síntesis de DNA es la desprotección por medio del tratamiento con amoniaco acuoso. Muestre los mecanismos por los cuales se efectúa la desprotección en los puntos indicados en la estructura siguiente: o H 3 C /H I N O ~ II O N O 2JY'@ O 28.53 Revise los mecanismos que se presentan en la figura 28.13 para la ruptura de los residuos de desoxiguanosina y proponga un mecanismo para explicar la ruptura similar de los residuos de desoxiadenosina en una cadena de DNA. Recuerde que la desoxiadenosina se metila primero como N3, antes de la hidrólisis. w w w . L i b r o s Z . c o m 1192 Perspectiva CAPíTULO 28 • Blomoléculas: heteroclclos y ácidos nuclelcos 28.54 Dibuje la estructura de la adenosina monofosfato (AMPc) cíclica, un mensajero que participa en la regulación de glucosa en el organismo. El AMP cíclico tiene un anillo de fosfato que conecta los grupos hidroxilo 3' y 5' de la adenosina. (Véase la Seco 29.3.) w w w . L i b r o s Z . c o m Documents Similar To 3cap 28 Biomoleculas, Heterociclos y Acidos Nucleicos (Nxpowerlite)Skip carouselcarousel previouscarousel nextdebate-2Extraccion de ADN Varios OrganismosIMG_20140507_0001_NEWSintesis de LuminolBreve adn11.- TRANSPOSICION BENCILICAanillos de 4 eslabonesADN Ó DNAac nuclebiologia transcripcionBALANCES DE ENERGÍA EN ESTADO INESTABLE20515059-2-FORMACION-DE-ISOXAZOLES.pdfADNAdnADNTécnicas Multivariantes Para El Análisis Aplicación Con REpigenéticaAdnActividad 2. 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