Enlace fosfodiéster: cómo se forma, función y ejemplos
Los enlaces fosfodiéster son los enlaces covalentes que se dan entre dos de los átomos de oxígeno de un grupo fosfato y los grupos hidroxilo de otras dos moléculas distintas. En este tipo de enlaces el grupo fosfato actúa como un “puente” de unión estable entre las dos moléculas a través de sus átomos de oxígeno.
El papel fundamental de los enlaces fosfodiéster en la naturaleza es el de la formación de las cadenas de los ácidos nucleicos, tanto del ADN como del ARN. Junto con los azúcares pentosa (desoxirribosa o ribosa, según sea el caso) los grupos fosfato forman parte de la estructura de sostén de estas importantes biomoléculas.
Las cadenas nucleotídicas del ADN o del ARN, al igual que las proteínas, pueden asumir diferentes conformaciones tridimensionales que son estabilizadas por enlaces no covalentes, como los puentes de hidrógeno entre bases complementarias.
Sin embargo, la estructura primaria está dada por la secuencia lineal de los nucleótidos unidos covalentemente por medio de enlaces fosfodiéster.
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Al igual que los enlaces peptídicos en las proteínas y los enlaces glucosídicos entre monosacáridos, los enlaces fosfodiéster resultan de reacciones de deshidratación en las que se pierde una molécula de agua. A continuación, el esquema general de una de estas reacciones de deshidratación:
H-X1-OH + H-X2-OH → H-X1-X2-OH + H2O
Los iones fosfato corresponden a la base conjugada completamente desprotonada del ácido fosfórico y se denominan fosfatos inorgánicos, cuya abreviación se denota como Pi. Cuando dos grupos fosfatos están unidos entre sí se forma un enlace fosfato anhidro, y se obtiene una molécula conocida como pirofosfato inorgánico o PPi.
Cuando un ion fosfato se une a un átomo de carbono de una molécula orgánica, el enlace químico se denomina éster fosfato, y la especie resultante es un monofosfato orgánico. Si la molécula orgánica se une a más de un grupo fosfato, se forman los difosfatos o trifosfatos orgánicos.
Cuando una sola molécula de fosfato inorgánico se une a dos grupos orgánicos, se emplea un enlace fosfodiéster o “fosfato diéster”. Es importante no confundir los enlaces fosfodiéster con los enlaces fosfoanhidro de alta energía entre los grupos fosfato de moléculas como el ATP, por ejemplo.
Los enlaces fosfodiéster entre nucleótidos adyacentes consisten en dos enlaces fosfoéster que se dan entre el hidroxilo en la posición 5’ de un nucleótido y el hidroxilo en la posición 3’ del nucleótido siguiente en una hebra de ADN o de ARN.
Dependiendo de las condiciones del medio, estos enlaces pueden ser hidrolizados tanto enzimática como no enzimáticamente.
La formación y ruptura de enlaces químicos es crucial para todos los procesos vitales como los conocemos, y el caso de los enlaces fosfodiéster no es una excepción.
Entre las enzimas más importantes que pueden formar estos enlaces se encuentran las polimerasas de ADN o ARN y las ribozimas. Las enzimas fosfodiesterasas son capaces de hidrolizarlos enzimáticamente.
Durante la replicación, proceso crucial para la proliferación celular, en cada ciclo de reacción un dNTP (desoxinucleótido trifosfato) complementario a la base molde es incorporado al ADN mediante una reacción de transferencia de nucleótido.
La polimerasa se encarga de formar un nuevo enlace entre el 3’-OH de la hebra molde y el α-fosfato del dNTP, gracias a la energía liberada de la ruptura del los enlaces entre los fosfatos α y β del dNTP, que están unidos por enlaces fosfoanhidro.
El resultado es la extensión de la cadena por un nucleótido y la liberación de una molécula de pirofosfato (PPi)s. Se ha determinado que estas reacciones ameritan dos iones de magnesio divalentes (Mg2+), cuya presencia permite la estabilización electrostática del nucleófilo OH– para conseguir la aproximación hacia el sitio activo de la enzima.
El pKa de un enlace fosfodiéster es cercano a 0, por lo que en una solución acuosa estos enlaces se encuentran completamente ionizados, cargados negativamente.
Esto le da a las moléculas de ácidos nucleicos una carga negativa, que es neutralizada gracias a interacciones iónicas con las cargas positivas de los residuos aminoacídicos de proteínas, a la unión electrostática con iones metálicos o a la asociación con poliaminas.
En una solución acuosa los enlaces fosfodiéster en las moléculas de ADN son mucho más estables que en las moléculas de ARN. En una solución alcalina, dichos enlaces en las moléculas de ARN son escindidos por desplazamiento intramolecular del nucleósido en el extremo 5’ por un oxianión 2’.
Como se ha mencionado, el papel más relevante de estos enlaces es su participación en la formación del esqueleto de las moléculas de los ácidos nucleicos, que son de las moléculas más importantes en el mundo celular.
La actividad de las enzimas topoisomerasas, que participan activamente de la replicación del ADN y de la síntesis de proteínas, depende de la interacción de los enlaces fosfodiéster del extremo 5’ del ADN con la cadena lateral de residuos de tirosina en el sitio activo de estas enzimas.
Moléculas que participan como segundos mensajeros, como por ejemplo la adenosina monofosfato cíclica (cAMP) o la guanosina trifosfato cíclica (cGTP), poseen enlaces fosfodiéster que son hidrolizados por enzimas específicas conocidas como fosfodiesterasas, cuya participación es de suma importancia para muchos procesos de señalización celular.
Los glicerofosfolípidos, componentes fundamentales en las membranas biológicas, están compuestos por una molécula de glicerol que se une mediante enlaces fosfodiéster a los grupos de la “cabeza” polar que constituyen la región hidrofílica de la molécula.
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