CAPÍTULO 32: Nucleótidos

Además de servir como precursores de ácidos nucleicos, los nucleótidos purina y pirimidina participan en funciones metabólicas tan diversas como el metabolismo de energía, la síntesis de proteína, la regulación de la actividad enzimática, y la transducción de señal. Cuando se enlazan a vitaminas o derivados de vitaminas, los nucleótidos forman parte de muchas coenzimas. Como los principales donadores y receptores de grupos fosforilo en el metabolismo, los nucleósidos trifosfatos y difosfatos, como el ATP y ADP, son los principales elementos en las transducciones de energía que acompañan a las interconversiones metabólicas y la fosforilación oxidativa. Enlazados a azúcares o lípidos, los nucleósidos constituyen intermediarios biosintéticos clave. Los derivados del azúcar UDP-glucosa y UDP-galactosa participan en interconversiones de azúcar y en la biosíntesis de almidón y glucógeno. De modo similar, los derivados nucleósido-lípido, como el CDP-acilglicerol, son intermediarios en la biosíntesis de lípidos. Las funciones de los nucleótidos en la regulación metabólica incluyen la fosforilación de enzimas metabólicas clave dependientes de ATP, regulación alostérica de enzimas por ATP, ADP, AMP y CTP, y control por el ADP del índice de fosforilación oxidativa. Los nucleótidos cíclicos cAMP y cGMP sirven como los segundos mensajeros en eventos regulados por hormonas, y el GTP y GDP desempeñan funciones clave en la cascada de eventos que caracterizan a las vías de transducción de señal. Además de las funciones que tienen los nucleótidos en el metabolismo, tienen aplicaciones médicas que incluyen el uso de análogos de purina y pirimidina sintéticos que contienen halógenos, tioles, o átomos de nitrógeno adicionales en la quimioterapia de cáncer y síndrome de inmunodeficiencia adquirida, y como supresores de la respuesta inmunitaria durante trasplante de órganos.

Las purinas y pirimidinas son compuestos heterocíclicos

Las purinas y pirimidinas son heterociclos que contienen nitrógeno, estructuras cíclicas que contienen, además de carbono, otros (hetero) átomos, como nitrógeno. Observe que la molécula de pirimidina de menor tamaño tiene el nombre más largo, y que la molécula de purina de mayor tamaño tiene el nombre más corto, y que sus anillos de seis átomos están numerados en direcciones opuestas (figura 32-1). Las purinas o pirimidinas con un grupo —NH₂ son bases débiles (valores de pKa de 3 a 4), aunque el protón presente a pH bajo está asociado, no como podría esperarse con el grupo amino exocíclico, sino con un nitrógeno de anillo, típicamente N1 de adenina, N7 de guanina y N3 de citocina. La naturaleza planar de las purinas y las pirimidinas facilita su asociación estrecha, o “apilamiento”, que estabiliza el DNA bicatenario (capítulo 34). Los grupos oxo y amino de purinas y pirimidinas muestran tautomerismo ceto-enol y amina-imina (figura 32-2), aunque las condiciones fisiológicas favorecen fuertemente las formas amino y oxo.

Los nucleósidos son N-glucósidos

Los nucleósidos son derivados de purinas y pirimidinas que tienen un azúcar enlazado a un nitrógeno de anillo de una purina o pirimidina. Los números con una prima (p. ej., 2′ o 3′) distinguen entre los átomos del azúcar y los del heterociclo. El azúcar en los ribonucleósidos es la D-ribosa, y en los desoxirribonucleósidos es la 2-desoxi-D-ribosa. Ambos azúcares están unidos al heterociclo por medio de un enlace β-N-glucosídico, casi siempre al N-1 de una pirimidina o al N-9 de una purina (figura 32-3).

Los nucleótidos son nucleósidos fosforilados

Los mononucleótidos son nucleósidos con un grupo fosforilo esterificado a un grupo hidroxilo del azúcar. Los nucleótidos 3′ y 5′ son nucleósidos con un grupo fosforilo en el grupo 3′- o 5′-hidroxilo del azúcar, respectivamente. Dado que casi todos los nucleótidos son 5′-, el prefijo “5′-” por lo general se omite cuando se les cita. Así, el UMP y el dAMP representan nucleótidos con un grupo fosforilo en el C-5 de la pentosa. Los grupos fosforilo adicionales, ligados por enlaces anhídrido de ácido al grupo fosforilo de un mononucleótido, forman nucleósido difosfatos y trifosfatos (figura 32-4).

Los N-glucósidos heterocíclicos existen como conformadores sin y anti

El obstáculo estérico por el heterociclo dicta que no hay libertad de rotación alrededor del enlace β-N-glucosídico de nucleósidos o nucleótidos. En consecuencia, ambos existen como conformadores sin o anti no interconvertibles (figura 32-5). Aunque ambos, sin y anti, se encuentran en la Naturaleza, predominan los conformadores anti.

El cuadro 32-1 lista las principales purinas y pirimidinas, y sus derivados nucleósido y nucleótido. Se usan abreviaturas de una sola letra para identificar a la adenina (A), guanina (G), citosina (C), timina (T) y uracilo (U), ya sea libre o presente en nucleósidos o nucleótidos. El prefijo “d” (desoxi) indica que el azúcar es 2′-desoxi-D-ribosa (p. ej., en el dATP) (figura 32-6).

La modificación de polinucleótidos puede generar estructuras adicionales

Pequeñas cantidades de purinas y pirimidinas adicionales se encuentran en el DNA y en los RNA. Los ejemplos incluyen 5-metilcitocina del DNA bacteriano y de seres humanos, 5-hidroximetilcitocina de ácidos nucleicos bacterianos y virales, y adenina y guanina mono- y di-N-metiladas de RNA mensajeros de mamífero (figura 32-7) que funcionan en el reconocimiento de oligonucleótido y en la regulación de la vida media de los RNA. Las bases heterocíclicas libres incluyen hipoxantina, xantina y ácido úrico (figura 32-8), intermediarios en el catabolismo de la adenina y la guanina (capítulo 33). Los heterociclos metilados de vegetales incluyen los derivados de xantina: cafeína del café, teofilina del té, y teobromina del cacao (figura 32-9).

Los nucleótidos son ácidos polifuncionales

Los grupos fosforilo primario y secundario de nucleósidos tienen valores de pKa de alrededor de 1.0 y 6.2, respectivamente. Por consiguiente, los nucleótidos portan carga negativa importante a pH fisiológico. Los valores de pKa en los grupos fosforilo secundarios son tales que pueden servir como donadores de protón y aceptores de protón a valores de pH de aproximadamente una o más unidades por arriba de la neutralidad o por debajo de la misma.

Los nucleótidos absorben luz ultravioleta

Los dobles enlaces conjugados de derivados de purina y pirimidina absorben luz ultravioleta. Si bien los espectros son dependientes del pH, a pH de 7.0 todos los nucleótidos comunes absorben luz a una longitud de onda cercana a 260 nm. De este modo, la concentración de nucleótidos y ácidos nucleicos suele expresarse en términos de “absorbancia a 260 nm”. El efecto mutagénico de la luz ultravioleta se debe a su absorción por nucleótidos en el DNA, que da lugar a modificaciones químicas (capítulo 35).

Los nucleótidos desempeñan diversas funciones fisiológicas

Además de sus funciones como precursores de ácidos nucleicos, ATP, GTP, UTP, CTP y sus derivados, cada uno desempeña funciones fisiológicas singulares que se comentan en otros capítulos. Algunos ejemplos seleccionados incluyen la función del ATP como el principal transductor biológico de energía libre, y el segundo mensajero cAMP (figura 32-10). Las cifras intracelulares medias de ATP, el nucleótido libre más abundante en células de mamífero, son de aproximadamente 1 mmol/L. Puesto que se requiere poco cAMP, la concentración intracelular de cAMP (alrededor de 1 nmol/L) es seis órdenes de magnitud por debajo de la del ATP. Otros ejemplos son la adenosina 3′-fosfato-5′-fosfosulfato (figura 32-11), el donador de sulfato para proteoglucanos sulfatados (capítulo 50) y para conjugados sulfato de fármacos, y el donador de grupo metilo S-adenosilmetionina (figura 32-12). El GTP sirve como un regulador alostérico y como una fuente de energía para la síntesis de proteína, y el cGMP (figura 32-10) sirve como un segundo mensajero en respuesta al óxido nítrico (NO) durante la relajación del músculo liso (capítulo 51).

Los derivados UDP-azúcar participan en epimerizaciones de azúcar y en la biosíntesis de glucógeno (capítulo 18), disacáridos glucosilo, y los oligosacáridos de glucoproteínas y proteoglucanos (capítulos 46 y 50). El ácido UDP-glucurónico forma los conjugados glucurónido urinarios de la bilirrubina (capítulo 31) y de muchos medicamentos, incluso el ácido acetilsalicílico (aspirina). El CTP participa en la biosíntesis de fosfoglicéridos, esfingomielina, y otras esfingosinas sustituidas (capítulo 24). Finalmente, muchas coenzimas incorporan nucleótidos, así como estructuras similares a nucleótidos purina y pirimidina (cuadro 32-2).

Los nucleósido trifosfatos tienen potencial alto de transferencia de grupo

Los nucleótido trifosfatos tienen dos enlaces anhídrido y un enlace éster. A diferencia de los ésteres, los anhídridos ácidos tienen un potencial alto de transferencia de grupo. El ΔG⁰′ para la hidrólisis de cada uno de los dos grupos fosforilo terminales (β y γ) de un nucleósido trifosfato es de alrededor de 27 kcal/mol (230 kJ/mol). Este potencial alto de transferencia de grupo no sólo permite que los nucleósido trifosfatos purina y pirimidina funcionen como reactivos de transferencia de grupo, más comúnmente del grupo γ-fosforilo, sino también en ocasiones de transferencia de una porción nucleótido monofosfato con una liberación acompañante de PP_i. La división de un enlace anhídrido ácido típicamente está acoplada con un proceso altamente endergónico, como la síntesis de enlace covalente, por ejemplo, la polimerización de nucleósido trifosfatos para formar un ácido nucleico (capítulo 34).

Análogos sintéticos de purinas, pirimidinas, nucleósidos y nucleótidos modificados en el anillo heterocíclico o en la porción azúcar, tienen muchas aplicaciones en medicina clínica. Sus efectos tóxicos reflejan inhibición de enzimas esenciales para la síntesis de ácido nucleico o su incorporación hacia ácidos nucleicos con alteración resultante de la formación de pares de bases. Los oncólogos emplean 5-fluorouracilo o 5-yodouracilo, 3-desoxiuridina, 6-tioguanina y 6-mercaptopurina, 5 o 6-azauridina, 5 o 6-azacitidina, y 8-azaguanina (figura 32-13), que se incorporan hacia el DNA antes de la división celular. El análogo de purina alopurinol, usado en el tratamiento de hiperuricemia y gota, inhibe la biosíntesis de purina y la actividad de la xantina oxidasa. La citarabina se usa en la quimioterapia de cáncer, y la azatioprina, que se cataboliza hacia 6-mercaptopurina, se emplea durante trasplante de órgano para suprimir el rechazo inmunitario (figura 32-14).

Los análogos de nucleósido trifosfato no hidrolizables sirven como instrumentos de investigación

Los análogos sintéticos, no hidrolizables, de nucleósido trifosfatos (figura 32-15) permiten a los investigadores distinguir entre los efectos de nucleótidos debidos a la transferencia de fosforilo y los efectos mediados por la ocupación de sitios de unión a nucleótido alostéricos sobre enzimas reguladas (capítulo 9).

El grupo 5′-fosforilo de un mononucleótido puede esterificar un segundo grupo hidroxilo, lo que forma un fosfodiéster. Con mayor frecuencia, este segundo grupo hidroxilo es el 3′-OH de la pentosa de un segundo nucleótido. Esto forma un dinucleótido en el cual las porciones pentosa están enlazadas mediante un enlace 3′,5′-fosfodiéster para formar el “esqueleto” del RNA y el DNA. La formación de un dinucleótido puede representarse como la eliminación de agua entre dos mononucleótidos. Sin embargo, la formación biológica de dinucleótidos no ocurre de esta manera porque la reacción inversa, la hidrólisis del enlace fosfodiéster, se favorece fuertemente desde el punto de vista termodinámico. Sin embargo, a pesar de una ΔG en extremo favorable, en ausencia de catálisis por fosfodiesterasas, la hidrólisis de los enlaces fosfodiéster del DNA únicamente sucede al cabo de periodos prolongados. Por consiguiente, el DNA persiste durante lapsos considerables, y se ha detectado incluso en fósiles. Los RNA son mucho menos estables que el DNA porque el grupo 2′-hidroxilo del RNA (que no se encuentra en el DNA) funciona como un nucleófilo en el transcurso de la hidrólisis del enlace 3′,5′-fosfodiéster.

La modificación postraduccional de polinucleótidos preformados puede generar estructuras adicionales como pseudouridina, un nucleósido en el cual una D-ribosa está enlazada a C-5 del uracilo por medio de un enlace carbono-carbono, en lugar del enlace β-N-glucosídico habitual. El nucleótido ácido pseudouridílico (ψ) surge por reordenamiento de un UMP de un tRNA preformado. De modo similar, la metilación por S-adenosilmetionina de un UMP de tRNA preformado forma TMP (timidina monofosfato), que contiene ribosa más que desoxirribosa.

Los polinucleótidos son macromoléculas direccionales

Los enlaces fosfodiéster unen los carbonos 3′ y 5′ de monómeros adyacentes Cada extremo de un polímero de nucleótido es distinto; por tanto, se hace referencia al “extremo 5′” o el “extremo 3′” de un polinucleótido; el extremo 5′ es aquel con un grupo 5′-hidroxilo libre o fosforilado.

La secuencia de bases o estructura primaria de un polinucleótido puede representarse como se muestra a continuación. El enlace de fosfodiéster se representa por P o p, las bases por medio de una letra única, y las pentosas mediante una línea vertical.

Cuando todos los enlaces fosfodiéster son 3′ → 5′, es posible una notación más compacta:

Esta representación indica que el 5′-hidroxilo —no así el 3′-hidroxilo— está fosforilado. La representación más compacta, por ejemplo GGATC, sólo muestra la secuencia de bases con el extremo 5′ a la izquierda y el extremo 3′ a la derecha, por convención. Se supone que los grupos fosforilo están presentes, pero no se muestran.

• En condiciones fisiológicas, predominan los tautómeros amino y oxo de las purinas, pirimidinas y sus derivados.

• Los ácidos nucleicos contienen, además de A, G, C, T y U, trazas de 5-metilcitocina, 5-hidroximetilcitocina, pseudouridina (ψ), y heterociclos N-metilados.

• Casi todos los nucleósidos contienen D-ribosa o 2-desoxi-D-ribosa enlazada a N-1 de una pirimidina o a N-9 de una purina por medio de un enlace β-glucosídico cuyos conformadores sin predominan.

• Un número con una prima indica el hidroxilo al cual el grupo fosforil de los azúcares de mononucleótidos se halla adherido (p. ej., 3′-GMP, 5′-dCMP). Grupos fosforilo adicionales enlazados al primero mediante enlaces anhídrido de ácido forman nucleósido difosfatos y trifosfatos.

• Los nucleósido trifosfatos tienen alto potencial de transferencia de grupo, y participan en síntesis de enlaces covalentes. Los fosfodiésteres cíclicos cAMP y cGMP funcionan como segundos mensajeros intracelulares.

• Los mononucleótidos unidos por enlaces 3′ → 5′-fosfodiéster forman polinucleótidos, macromoléculas direccionales con extremos 3′ y 5′ distintos. Cuando se representan como pTpGpT o TGCATCA, el extremo 5′ está a la izquierda, y todos los enlaces fosfodiéster son 3′ → 5′.

• Los análogos sintéticos de bases purina y pirimidina y sus derivados sirven como fármacos anticáncer, ya sea al inhibir una enzima de la biosíntesis de nucleótido o al incorporarse en el DNA o el RNA.