9.8: Diésteres de Fosfato en ADN y ARN

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Los diésteres de fosfato juegan un papel absolutamente crítico en la naturaleza: son la 'cinta' molecular que conecta los nucleótidos individuales en ADN y ARN a través de una cadena principal de azúcar-fosfato. Tome nota de la numeración de carbono 1' - 5' que se muestra a continuación para el azúcar de ribosa; estos números se utilizarán con frecuencia en la próxima discusión. El símbolo 'primo' (') se usa para distinguir los números de carbono de ribosa de los números de carbono de la base nucleotídica (que no se muestran aquí).

La introducción a este capítulo hacía referencia a un comentario ampliamente leído de 1987 en Science Magazine, en el que F.H. Westheimer de la Universidad de Harvard abordó la cuestión de por qué los fosfatos fueron 'elegidos' por la naturaleza para el trabajo bioquímico crítico de vincular el ADN (Science 1987, 235, 1173). Enfatiza lo crítico que es que el enlace fosfato diéster en el ADN sea estable en agua, es decir, debe ser resistente a la hidrólisis espontánea (no enzimática). Incluso la ocurrencia muy poco frecuente de tal evento de hidrólisis no deseada podría ser desastroso para un organismo, dado que una cadena de ADN intacta es un mecanismo de almacenamiento a largo plazo para la información genética.

Westheimer señaló que la estabilidad inherente del ADN se debe en gran parte a la carga negativa en el oxígeno no puente del enlazador diéster fosfato, que repele eficazmente las moléculas de agua nucleofílicas y protege el átomo de fósforo electrófilo del ataque.

La carga negativa protege al fósforo del ataque de electrones nucleofílicos de agua.

Si bien el ADN es bastante estable con respecto a la hidrólisis espontánea, por supuesto puede degradarse por hidrólisis enzimática específica, donde el electrófilo de fosfato se activa para ataque a través de interacciones no covalentes (por ejemplo, con\(Mg^{2+}\)) en el sitio activo. Las enzimas que hidrolizan los enlaces fosfato diéster en el ADN se denominan nucleasas, y conoceremos más sobre ellas en la sección 9.8.

A diferencia del ADN, el ARN es bastante vulnerable a la hidrólisis espontánea en solución acuosa. Esto no presenta un dilema fisiológico, porque la función del ARN es codificar información genética de manera temporal más que a largo plazo. ¿Por qué la hidrólisis ocurre tanto más rápidamente en el ARN que en el ADN? La respuesta tiene todo que ver con la barrera entrópica bajada a la reacción (es posible que desee revisar rápidamente el concepto de entropía en este punto). Los nucleótidos de ARN, a diferencia de los desoxinucleótidos del ADN, tienen un grupo hidroxilo en el carbono 2' vecino. El grupo 2' hidroxilo se encuentra justo al lado del átomo de fósforo electrófilo, colocado en una buena posición para realizar un ataque nucleofílico, rompiendo la cadena de ARN y formando un intermedio de diéster de fosfato cíclico (ver figura a continuación).

Los investigadores que trabajan con ARN deben tener cuidado de almacenar sus muestras a temperaturas muy frías, preferiblemente liofilizadas o precipitadas en etanol, para evitar la hidrólisis. El problema de la descomposición del ARN se ve agravado por el hecho de que las enzimas ARNasa, que catalizan la hidrólisis del ARN, están presentes en la superficie de la piel humana y son muy estables, de larga duración y difíciles de destruir.

Por el contrario, las muestras de ADN se pueden almacenar de forma segura en tampón acuoso en un refrigerador o en un congelador para su almacenamiento a más largo plazo.