Ribonucleótido

La estructura general de un ribonucleótido consta de un grupo fosfato, un grupo de azúcar ribosa y una nucleobase, que puede ser adenina, guanina, citosina o uracilo. Sin el grupo fosfato, la nucleobase y el azúcar se denominan nucleósidos. Las nucleobases nitrogenadas intercambiables derivan de dos compuestos precursores: purina y pirimidina. Los nucleótidos son compuestos heterocíclicos , es decir, contienen al menos dos elementos químicos diferentes en sus anillos.

Tanto el ARN como el ADN contienen dos bases púricas principales, adenina (A) y guanina (G), y dos pirimidinas principales. En ambos, una de las pirimidinas es la citosina (C). Sin embargo, el ADN y el ARN difieren en la segunda pirimidina principal. El ADN contiene timina (T), mientras que el ARN contiene uracilo (U). Existen algunos casos raros en los que la timina aparece en el ARN y el uracilo en el ADN. ^{[ 1 ]}

Aquí están los 4 ribonucleótidos principales (ribonucleósido 5'-monofosfato), que son las unidades estructurales de los ARN.

En los ribonucleótidos, el componente de azúcar es la ribosa, mientras que en los desoxirribonucleótidos, el componente de azúcar es la desoxirribosa. En lugar de un grupo hidroxilo en el segundo carbono del anillo de ribosa, este se reemplaza por un átomo de hidrógeno. ^{[ 2 ]}

Ambos tipos de pentosas en el ADN y el ARN se encuentran en su forma de β-furanosa (anillo cerrado de cinco miembros) y definen la identidad de un ácido nucleico. El ADN se define por contener ácido nucleico 2'-desoxirribosa, mientras que el ARN se define por contener ácido nucleico ribosómico. ^{[ 1 ]}

En algunas ocasiones, el ADN y el ARN pueden contener algunas bases menores. Las formas metiladas de las bases mayores son las más comunes en el ADN. En el ADN viral, algunas bases pueden estar hidroximetiladas o glucosiladas. En el ARN, las bases menores o modificadas ocurren con mayor frecuencia. Algunos ejemplos incluyen hipoxantina, dihidrouracilo, formas metiladas de uracilo, citosina y guanina, así como el nucleósido modificado pseudouridina. ^{[ 3 ]} También se han observado nucleótidos con grupos fosfato en posiciones distintas al carbono 5'. Ejemplos de ello son los ribonucleósidos 2',3'-monofosfatos cíclicos, que son intermediarios aislables, y los ribonucleósidos 3'-monofosfatos, que son productos finales de la hidrólisis del ARN por ciertas ribonucleasas. Otras variaciones incluyen el adenosín 3',5'-monofosfato cíclico (AMPc) y el guanosín 3',5'-monofosfato cíclico (GMPc). ^{[ 4 ]}

Los ribonucleótidos se unen para formar cadenas de ARN mediante enlaces fosfodiéster . El grupo 5'-fosfato de un nucleótido se une al grupo 3'-hidroxilo del siguiente nucleótido, creando una cadena principal de residuos de fosfato y pentosa alternados. No hay enlaces fosfodiéster en cada extremo del polinucleótido. ^{[ 5 ]} Los enlaces fosfodiéster se forman entre los ribonucleótidos por la enzima ARN polimerasa . La cadena de ARN se sintetiza desde el extremo 5' al extremo 3', ya que el grupo 3'-hidroxilo del último ribonucleótido de la cadena actúa como nucleófilo y lanza un ataque hidrofílico sobre el 5'-trifosfato del ribonucleótido entrante, liberando pirofosfato como subproducto . ^{[ 6 ]} Debido a las propiedades físicas de los nucleótidos, la cadena principal del ARN es muy hidrofílica y polar. A pH neutro, los ácidos nucleicos están altamente cargados, ya que cada grupo fosfato tiene una carga negativa. ^{[ 7 ]}

Tanto el ADN como el ARN están formados por fosfatos de nucleósidos, también conocidos como monómeros de mononucleótidos, que termodinámicamente tienen menos probabilidades de combinarse que los aminoácidos. Los enlaces fosfodiéster, al hidrolizarse, liberan una cantidad considerable de energía libre. Por lo tanto, los ácidos nucleicos tienden a hidrolizarse espontáneamente en mononucleótidos. Los precursores del ARN son GTP, CTP, UTP y ATP, que es una fuente importante de energía en las reacciones de transferencia de grupos. ^{[ 8 ]}

Los científicos creen que el ARN se desarrolló antes que el ADN. ^{[ 9 ]}

La reducción de ribonucleótidos a desoxirribonucleótidos es catalizada por la ribonucleótido reductasa . La ribonucleótido reductasa (RNR) es una enzima esencial para todos los organismos vivos, ya que es responsable del último paso en la síntesis de los cuatro desoxirribonucleótidos (dNTP) necesarios para la replicación y reparación del ADN. ^{[ 10 ]} La reacción también requiere otras dos proteínas: tiorredoxina y tiorredoxina reductasa . El ribonucleósido difosfato (NDP) es reducido por la tiorredoxina a un desoxirribonucleósido difosfato (dNTP).

La reacción general es: Ribonucleósido difosfato + NADPH + H ⁺ → Desoxirribonucleósido difosfato + NADP ⁺ + H ₂ O ^{[ 11 ]}

Para ilustrar esta ecuación, el dATP y el dGTP se sintetizan a partir de ADP y GDP, respectivamente. Primero son reducidos por la RNR y luego fosforilados por las nucleósido difosfato quinasas a dATP y dGTP. La ribonucleótido reductasa está controlada por interacciones alostéricas. Una vez que el dATP se une a la ribonucleótido reductasa, la actividad catalítica general de la enzima disminuye, ya que esto indica una abundancia de desoxirribonucleótidos. Esta inhibición por retroalimentación se revierte una vez que se une el ATP. ^{[ 12 ]}

Durante la síntesis de ADN, las ADN polimerasas deben seleccionar en contra de los ribonucleótidos, presentes en niveles mucho más altos que los desoxirribonucleótidos. Es crucial que exista selectividad, ya que la replicación del ADN debe ser precisa para mantener el genoma del organismo. Se ha demostrado que los sitios activos de las ADN polimerasas de la familia Y son responsables de mantener una alta selectividad contra los ribonucleótidos. ^{[ 13 ]} La mayoría de las ADN polimerasas también están equipadas para excluir los ribonucleótidos de su sitio activo mediante un residuo de cadena lateral voluminoso que puede bloquear estéricamente el grupo 2'-hidroxilo del anillo de ribosa. Sin embargo, muchas ADN polimerasas replicativas y de reparación nucleares incorporan ribonucleótidos al ADN, ^{[ 14 ] [ 15 ]} lo que sugiere que el mecanismo de exclusión no es perfecto. ^{[ 16 ]}

Los ribonucleótidos pueden sintetizarse en los organismos a partir de moléculas más pequeñas mediante la vía de novo o reciclarse mediante la vía de recuperación. En el caso de la vía de novo, tanto las purinas como las pirimidinas se sintetizan a partir de componentes derivados de precursores de aminoácidos, ribosa-5- ^{fosfatos ,} CO₂ y NH₃ _. ^{[ 17 ] [} ₁₂ ]

La biosíntesis de novo de nucleótidos de purina es bastante compleja y consta de varias reacciones enzimáticas. Utilizando la estructura de azúcar de cinco anillos como base, el anillo de purina se construye átomo a átomo en once pasos que conducen a la formación de inosinato (IMP). Básicamente, el IMP se convierte en los nucleótidos de purina necesarios para la síntesis de ácidos nucleicos. ^{[ 1 ]}

La vía metabólica comienza con la conversión de ribosa-5-fosfato (R5P) a fosforribosil pirofosfato (PRPP) mediante la enzima ribosa-fosfato difosfoquinasa (PRPS1). El PRPP se convierte entonces en 5-fosforribosilamina (5-PRA) cuando la glutamina dona un grupo amino al C-1 del PRPP. En una reacción de condensación, la enzima GAR sintetasa, junto con glicina y ATP, activa el grupo glicina carboxilasa del 5-PRA para formar glicinamida ribonucleótido (GAR). La coenzima N10-formil-THF, junto con la enzima GAR transformilasa, dona una unidad de un carbono al grupo amino de la glicina del GAR, seguida de la adición de glutamina por la enzima FGAR amidotransferasa, lo que conduce a la formación de formilglicinamidina ribonucleótido (FGAM). La deshidratación de FGAM por la enzima FGAM ciclasa produce el cierre del anillo de imidazol, formando el ribonucleótido de 5-aminoimidazol (AIR). La N5-CAIR sintetasa añade un grupo carboxilo al AIR para formar el ribonucleótido de N5-carboxiaminoimidazol (N5-CAIR), que posteriormente se convierte en el ribonucleótido de carboxiaminoimidazol (CAIR) mediante la enzima N5-CAIR mutasa. La enzima SAICAR sintetasa, junto con el grupo amino del aspartato, forma un enlace amida para crear el ribonucleótido de N-succinil-5-aminoimidazol-4-carboxamida (SAICAR). Siguiendo esta vía metabólica, la eliminación del esqueleto de carbono del aspartato por la SAICAR liasa da como resultado el ribonucleótido de 5-aminoimidazol-4-carboxamida (AICAR). La enzima AICAR transformilasa participa en la transferencia final de carbono desde el N10-formiltetrahidrofolato, formando el ribonucleótido N-formilaminoimidazol-4-carboxamida (FAICAR). Finalmente, la sintasa de IMP lleva a cabo el cierre de la segunda estructura cíclica para formar IMP, donde el destino de IMP conduciría a la formación de un nucleótido de purina. ^{[ 1 ]}

La síntesis de nucleótidos de pirimidina es un proceso mucho más sencillo. La formación del anillo de pirimidina comienza con la conversión de aspartato a N-carbamoilaspartato mediante una reacción de condensación con carbamoilfosfato. La dihidroorotasa y la dihidroorotasa deshidrogenasa convierten el N-carbamoilaspartato en orotato. El orotato se une covalentemente al pirofosfato de fosforribosil (PRPP) mediante la orotato fosforribiltransferasa, produciendo orotidina monofosfato (OMP). El OMP sufre una descarboxilación por acción de la orotidilato descarboxilasa para formar la estructura del ribonucleótido uridilato (UMP). El UMP puede convertirse en uridina-5'-trifosfato (UTP) mediante la reacción de dos quinasas. La formación de citidina-5'-trifosfato (CTP) a partir de UTP se logra mediante la citidilato sintetasa a través de un intermediario de acilfosfato. ^{[ 1 ]}