Uracilo

El uracilo (símbolo U o Ura) es una de las cuatro bases nitrogenadas del ARN del ácido nucleico que se representan con las letras A, G, C y U. Las otras son adenina (A), citosina (C) y guanina (G). En el ARN, el uracilo se une a la adenina a través de dos enlaces de hidrógeno. En el ADN, la nucleobase de uracilo se reemplaza por timina. El uracilo es una forma desmetilada de la timina.

El uracilo es un derivado de pirimidina común y natural. El nombre "uracilo" fue acuñado en 1885 por el químico alemán Robert Behrend, que intentaba sintetizar derivados del ácido úrico. Descubierto originalmente en 1900 por Alberto Ascoli, fue aislado por hidrólisis de nucleína de levadura; también se encontró en el timo y el bazo de los bovinos, el esperma de arenque y el germen de trigo. Es un compuesto plano e insaturado que tiene la capacidad de absorber la luz.

Con base en las proporciones isotópicas C/ C de los compuestos orgánicos que se encuentran en el meteorito de Murchison, se cree que el uracilo, la xantina y otras moléculas relacionadas también se pueden formar de forma extraterrestre.

En 2012, un análisis de los datos de la misión Cassini en órbita en el sistema de Saturno mostró que la composición de la superficie de Titán puede incluir uracilo.

Propiedades

En el ARN, el uracilo se empareja con la adenina y reemplaza a la timina durante la transcripción del ADN. La metilación del uracilo produce timina. En el ADN, la sustitución evolutiva de timina por uracilo puede haber aumentado la estabilidad del ADN y mejorado la eficiencia de la replicación del ADN (discutido a continuación). El uracilo se empareja con la adenina a través de enlaces de hidrógeno. Cuando se emparejan las bases con la adenina, el uracilo actúa como aceptor de enlaces de hidrógeno y como donante de enlaces de hidrógeno. En el ARN, el uracilo se une con un azúcar ribosa para formar el ribonucleósido uridina. Cuando un fosfato se une a la uridina, se produce uridina 5'-monofosfato.

El uracilo sufre cambios tautoméricos de amida-ácido imídico porque cualquier inestabilidad nuclear que la molécula pueda tener debido a la falta de aromaticidad formal se compensa con la estabilidad cíclica-amídica. El tautómero de amida se denomina estructura de lactama, mientras que el tautómero de ácido imídico se denomina estructura de lactama. Estas formas tautoméricas son predominantes a pH 7. La estructura lactama es la forma más común de uracilo.

Uracil también se recicla para formar nucleótidos al someterse a una serie de reacciones de fosforribosiltransferasa. La degradación del uracilo produce los sustratos aspartato, dióxido de carbono y amoníaco.C ₄ H ₄ N ₂ O ₂ → H ₃ NCH ₂ CH ₂ COO + NH ₄ + CO ₂

La degradación oxidativa del uracilo produce urea y ácido maleico en presencia de H ₂ O ₂ y Fe o en presencia de oxígeno diatómico y Fe.

El uracilo es un ácido débil. No se conoce el primer sitio de ionización del uracilo. La carga negativa se coloca sobre el anión oxígeno y produce un p K _a menor o igual a 12. El p K _{a básico = -3.4, mientras que el p} K _a ácido = 9.38 ₉. En la fase gaseosa, el uracilo tiene 4 sitios que son más ácidos que el agua.

En el ADN

El uracilo rara vez se encuentra en el ADN, y esto puede haber sido un cambio evolutivo para aumentar la estabilidad genética. Esto se debe a que la citosina puede desaminar espontáneamente para producir uracilo a través de la desaminación hidrolítica. Por lo tanto, si hubiera un organismo que usara uracilo en su ADN, la desaminación de la citosina (que se empareja con la guanina) conduciría a la formación de uracilo (que se emparejaría con la adenina) durante la síntesis del ADN. La uracil-DNA glicosilasa escinde las bases de uracilo del ADN de doble cadena. Por lo tanto, esta enzima reconocería y eliminaría ambos tipos de uracilo, el que se incorpora naturalmente y el que se forma debido a la desaminación de la citosina, lo que desencadenaría procesos de reparación innecesarios e inapropiados.

Se cree que este problema se ha resuelto en términos de evolución, es decir, "marcando" (metilando) el uracilo. El uracilo metilado es idéntico a la timina. De ahí la hipótesis de que, con el tiempo, la timina se convirtió en estándar en el ADN en lugar del uracilo. Entonces, las células continúan usando uracilo en el ARN, y no en el ADN, porque el ARN tiene una vida más corta que el ADN, y cualquier error potencial relacionado con el uracilo no conduce a un daño duradero. Aparentemente, no hubo presión evolutiva para reemplazar el uracilo en el ARN con la timina más compleja, o el uracilo tiene alguna propiedad química que es útil en el ARN, de la cual carece la timina. El ADN que contiene uracilo todavía existe, por ejemplo en

• ADN de varios fagos
• desarrollo endopterigoto
• Hipermutaciones durante la síntesis de anticuerpos de vertebrados.

Síntesis

En un artículo académico publicado en octubre de 2009, los científicos de la NASA informaron haber reproducido uracilo a partir de pirimidina exponiéndolo a la luz ultravioleta en condiciones similares a las del espacio. Esto sugiere que una posible fuente original natural de uracilo en el mundo del ARN podría haber sido la panspermia. Más recientemente, en marzo de 2015, los científicos de la NASA informaron que, por primera vez, se han formado en el laboratorio compuestos orgánicos complejos de ADN y ARN de la vida, incluidos uracilo, citosina y timina, en condiciones del espacio exterior, utilizando productos químicos de partida, como como pirimidina, que se encuentra en los meteoritos. La pirimidina, como los hidrocarburos aromáticos policíclicos (HAP), la sustancia química más rica en carbono que se encuentra en el Universo, puede haberse formado en gigantes rojas o en nubes de gas y polvo interestelar, según los científicos.

Hay muchas síntesis de laboratorio de uracilo disponibles. La primera reacción es la más simple de las síntesis, agregando agua a la citosina para producir uracilo y amoníaco:C ₄ H ₅ N ₃ O + H ₂ O → C ₄ H ₄ N ₂ O ₂ + NH ₃

La forma más común de sintetizar uracilo es mediante la condensación de ácido málico con urea en ácido sulfúrico fumante:C ₄ H ₄ O ₄ + NH ₂ CONH ₂ → C ₄ H ₄ N ₂ O ₂ + 2 H ₂ O + CO

El uracilo también se puede sintetizar mediante una doble descomposición de tiouracilo en ácido cloroacético acuoso.

La fotodeshidrogenación del 5,6-diuracilo, que se sintetiza mediante la reacción de la beta-alanina con la urea, produce uracilo.

Reacciones

El uracilo sufre fácilmente reacciones regulares que incluyen oxidación, nitración y alquilación. Mientras que en presencia de fenol (PhOH) e hipoclorito de sodio (NaOCl), el uracilo se puede visualizar en luz ultravioleta. El uracilo también tiene la capacidad de reaccionar con halógenos elementales debido a la presencia de más de un grupo fuertemente donador de electrones.

El uracilo se agrega fácilmente a los azúcares de ribosa y fosfatos para participar en la síntesis y otras reacciones en el cuerpo. El uracilo se convierte en uridina, monofosfato de uridina (UMP), difosfato de uridina (UDP), trifosfato de uridina (UTP) y glucosa de difosfato de uridina (UDP-glucosa). Cada una de estas moléculas se sintetiza en el organismo y tiene funciones específicas.

Cuando el uracilo reacciona con la hidracina anhidra, se produce una reacción cinética de primer orden y se abre el anillo de uracilo. Si el pH de la reacción aumenta a > 10,5, se forma el anión uracilo, lo que hace que la reacción sea mucho más lenta. La misma ralentización de la reacción ocurre si el pH disminuye, debido a la protonación de la hidracina. La reactividad del uracilo permanece sin cambios, incluso si cambia la temperatura.

Usos

El uso de Uracil en el cuerpo es para ayudar a llevar a cabo la síntesis de muchas enzimas necesarias para la función celular a través de la unión con ribosas y fosfatos. El uracilo sirve como regulador alostérico y coenzima para reacciones en animales y plantas. UMP controla la actividad de carbamoil fosfato sintetasa y aspartato transcarbamoilasa en plantas, mientras que UDP y UTP regulan la actividad de CPSasa II en animales. La UDP-glucosa regula la conversión de glucosa en galactosa en el hígado y otros tejidos en el proceso del metabolismo de los carbohidratos. El uracilo también participa en la biosíntesis de polisacáridos y en el transporte de azúcares que contienen aldehídos. El uracilo es importante para la desintoxicación de muchos carcinógenos, por ejemplo, los que se encuentran en el humo del tabaco.También se requiere uracilo para desintoxicar muchas drogas como los cannabinoides (THC) y la morfina (opioides). También puede aumentar ligeramente el riesgo de cáncer en casos inusuales en los que el cuerpo tiene una deficiencia extrema de folato. La deficiencia de folato conduce a una mayor proporción de monofosfatos de desoxiuridina (dUMP)/monofosfatos de desoxitimidina (dTMP) y una mala incorporación de uracilo en el ADN y, finalmente, una baja producción de ADN.

El uracilo se puede utilizar para la administración de fármacos y como producto farmacéutico. Cuando el flúor elemental reacciona con el uracilo, producen 5-fluorouracilo. El 5-fluorouracilo es un fármaco contra el cáncer (antimetabolito) que se utiliza para hacerse pasar por uracilo durante el proceso de replicación del ácido nucleico. Debido a que el 5-fluorouracilo tiene una forma similar al uracilo, pero no se somete a la misma química, el fármaco inhibe las enzimas de transcripción de ARN, bloqueando así la síntesis de ARN y deteniendo el crecimiento de células cancerosas. El uracilo también se puede utilizar en la síntesis de cafeína.

El uracilo se puede utilizar para determinar la contaminación microbiana de los tomates. La presencia de uracilo indica contaminación de la fruta por bacterias del ácido láctico. Los derivados de uracilo que contienen un anillo de diazina se utilizan en plaguicidas. Los derivados de uracilo pueden mejorar su actividad antimicrobiana cuando se usan junto con biopolímeros. Los derivados de uracilo se usan con mayor frecuencia como herbicidas antifotosintéticos, destruyendo las malas hierbas en el algodón, la remolacha azucarera, los nabos, la soja, los guisantes, los cultivos de girasol, los viñedos, las plantaciones de bayas y los huertos.

En la levadura, las concentraciones de uracilo son inversamente proporcionales a la permeasa de uracilo.

Las mezclas que contienen uracilo también se usan comúnmente para probar columnas de HPLC de fase inversa. Como el uracilo esencialmente no es retenido por la fase estacionaria no polar, esto se puede usar para determinar el tiempo de permanencia (y, posteriormente, el volumen de permanencia, dado un caudal conocido) del sistema.