Ácidos Nucléicos

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Ácidos Nucléicos

  1. 1. Ácidos NucleicosI. INTRODUÇÃO Os ácidos nucleicos foram descobertos pelo bioquímico suíço Friedrich Miescher, nos fins do século XIX, no núcleo da célula do pus e em espermatozoides; tais substâncias eram diferentes daquelas até então conhecidas, e, como foram descobertas no núcleo das células mencionadas, ele denominou-as ácidos nucleicos para identificá-las. Em 1953, James Watson e Francis Crick postularam a estrutura da dupla hélice do DNA. Sua hipótese, que foi verificada por muitos experimentos, representou a confluência da teoria genética, que contribuiu com o conceito do código genético. Cada característica é determinada, por genes, unidades encontradas nas moléculas de DNA cuja expressão depende de uma série de reações químicas que culminam com a manifestação do caráter. Verificou-se também que todos os organismos possuem ácidos nucleicos e que sua constituição éextremamente semelhante. Seja numa bactéria ou num mamífero, as palavras do código genético sãoas mesmas variando apenas a sequência, a disposição, em cada organismo.Os ácidos nucleicos (moléculas mestras) controlam os processos vitais básicos em todos osorganismos, desde os mais inferiores, que são os vírus, até o homem, que é o ser mais complexo.2. TIPOS DE ÁCIDOS NUCLEICOSa) DNA ou ADN (ácido desoxirribonucleico)b) RNA ou ARN (ácido ribonucleico)3. CONSTITUIÇÃO Tanto o DNA quanto o RNA são moléculas constituídas por unidades denominadas nucleotídeosou nucleótides. Vejamos a estrutura do nucleotídeo.4. ESTRUTURA DO NUCLEOTÍDEO Cada nucleotídeo é constituído de:4. 1. Um ácido fosfórico – H3PO44.2. Um açúcar de 5 átomos de carbono, que pode ser: ribose ou desoxirribose – C5H10O54.3. Uma base orgânica nitrogenada, que pode ser: base púrica ou base pirimídica. 1
  2. 2. As bases púricas derivam da substância purina, em cuja estrutura encontram dois anéis decarbono e nitrogênio e as pirimídicas derivam da pirimidina, onde se encontra um anel simples decarbono e nitrogênio. As bases púricas são: Adenina e Guanina As bases pirimídicas são: Citosina, Timina e Uracil ou Uracila. Para facilitar a compreensão da estrutura do nucleotídeo, convencionou-se representar seuscomponentes através de símbolos. 2
  3. 3. São eles:5. NUCLEOTÍDEOS DO DNA No DNA a pentose é sempre a desoxirribose e as bases nitrogenadas são: adenina, guanina,citosina e timina. A timina é exclusiva da molécula de DNA. Portanto, a molécula de DNA é constituída por apenas 4 tipos de nucleotídeos. Os nucleotídeos do DNA 3
  4. 4. 6. ESTRUTURA DO DNA Cada molécula de DNA é constituída por 2filamentos de nucleotídeos que se ligam atravésdas bases nitrogenadas, por fracas ligaçõesquímicas: pontes de hidrogênio. A combinaçãodas bases sempre é feita por pares de basescomplementares na dupla hélice de DNA. Asformas e a estrutura química das bases permitemque se formem pontes de hidrogênioeficientemente apenas entre A e T e entre G e C,onde os átomos que são capazes de formarpontes de hidrogênio podem-se colocar próximosem perturbar a dupla hélice. Duas pontes dehidrogênio são formadas entre A e T, enquantoque três são formadas entre G e C. As basespodem parear dessa forma apenas se as duascadeias polinucleotídicas que as contêm foremantiparalelas uma em relação à outra.7. O MODELO DE WATSON E CRICK Segundo Watson e Crick, os dois filamentos da molécula enrolam-se um sobreo outro com duas cordas, formando uma dupla hélice. 4
  5. 5. DNA e seus blocos de construção. O DNA é feito de quatro tipos de nucleotídeos, os quais sãocovalentemente ligados formando cadeias polinucleotídicas, com um esqueleto fosfato-açúcar a partirdo qual as bases (A, C, G e T) se estendem. Uma molécula de DNA é composta de duas cadeias polinucleotídicas (fitas de DNA) mantidasjuntas por pontes de hidrogênio entre as bases pareadas. As setas nas fitas de DNA indicam aspolaridades das duas filas, que correm antiparalelas uma em relação a outra na molécula de DNA. Nodiagrama abaixo e à esquerda da figura, o DNA está mostrado de forma plana; na realidade, ele gira emuma dupla hélice, como mostrado à direita. A dupla hélice do DNA. (A) Modelo espacial de 11/2 voltas da dupla hélice do DNA. O enrolamento das duas fitas uma ao redor da outra cria duas fendas na dupla hélice. Como indicado na figura, a fenda mais larga é chamada de fenda maior, e a menor, de fendamenor. (B) Uma pequena seção da dupla hélice vista lateralmente. Quatro pares de bases são mostrados. Os nucleotídeos são ligados covalentemente por ligações fosfodiéster pelo grupo 3’- hidroxilo (-OH) de um açúcar e o 5- fosfato (P) do próximo. Assim, cada fita polinucleotídica tem uma polaridadequímica; isto é, suas duas extremidades são quimicamente diferentes. A extremidade 3 carrega umgrupo 3 OH livre ligado à posição 3 do anel do açúcar; a extremidade 5 carrega um grupo fosfato livreà posição 5 do anel do açúcar.8. ESTRUTURA DO RNA 5
  6. 6. No RNA a pentose é sempre a ribose e as bases são: adenina, guanina, citosina e uracil. ATENÇÃO: A uracil é exclusiva do RNA. A molécula do RNA possui apenas um filamento, veja a representação: A cadeia de RNA - a ligação dos nucleotídeos se dá entre o fosfato de um e a pentose do outro; éuma ligação química covalente.9. QUADRO COMPARATIVO DNA X RNA CARACTERÍSTICAS DNA RNAEstrutura: Cadeia dupla Cadeia simplesTipos de pentose: Desoxirribose RiboseBases nitrogenadas: A, G, C, T A, G, C, ULocalização: Principalmente no núcleo Principalmente no citoplasmaPeso molecular: Mais alto Mais baixoOcorrência: Em todos os seres vivos e na Em todos os seres vivos e em maioria dos vírus. alguns vírusPapel biológico: Transmissão dos caracteres Síntese proteica. hereditários. É BOM SABER A molécula de DNA tem duas propriedades principais: Replicação e Transcrição10. REPLICAÇÃO DO DNACONCEITO 6
  7. 7. É a capacidade de produção de cópias autênticas da molécula de DNA.LOCALIZAÇÃO DO PROCESSO Em procariontes ocorre na hialoplasma enquanto nos eucariontes, realiza-se no núcleo. OBS: O DNA das organelas, como mitocôndrias e cloroplastos, duplica-se em sua matriz,independentemente do DNA nuclear.OBJETIVOS É durante o período “S” da interfase que o DNA se replica. A consequência do aumento donúmero de moléculas de DNA na célula é a DIVISÃO CELULAR, portanto, a autoduplicação é oprocesso molecular que garante a herdabilidade da informação genética e conseqüente manutenção dopadrão genético das espécies.O PROCESSO DE REPLICAÇÃO Replicação da molécula de DNA de acordo com o modelo de Walson e Crick. Os filamentosseparam-se através da abertura das pontes de hidrogênio dos pares de bases. Cada um dos filamentosoriginais funciona como um molde ao longo do qual um novo filamento complementar se forma,incorporando os nucleotídeos disponíveis na célula. Pesquisas posteriores resultaram em modificaçõesde alguns detalhes deste processo, conforme explicado sumariamente no texto, permanecendo oprincípio geral, porém, inalterado. 7
  8. 8. Um sumário da replicação de DNA. Os dois filamentos da dupla hélice de DNA separam-se,sintetizando novos filamentos complementares na direção 5 para 3, usando o filamento original comomolde. A síntese do filamento líder é contínua, enquanto a síntese do filamento tardio é descontínua. As pequenas moléculas do filamento tardio são denominados fragmentos de Okazaki. Osfragmentos de Okazaki são unidos pela ligase. Enzimas denominadas topoisomerases evitam oemaranhamento do DNA durante a replicação, enquanto os filamentos separados da forquilha dereplicação são estabilizados por proteínas específicas de cadeia simples.PASSO 1: Enzimas iniciadoras denominadas HELICASE e TOPOISOMERASE (ou GIRASE), abremforquilhas na molécula em pontos especiais denominados REPLICONS. A helicase rompe as pontes deH enquanto a topoisomerase deselicoidiza a molécula.PASSO 2: A enzima Polimerase 1 polimeriza novos desoxirribonucleotídeos em ambos osfilamentos sempre no sentido 5 3 e obedecendo à complementariedade específica das bases:A - T; G- C.PASSO 3: O filamento líder é complementado de maneira contínua enquanto o outro, descontínua originandofragmentos denominados “fragmentos de OKAZAKI”, que posteriormente são ligados entre si pelaenzima DNA LIGASE.PASSO 4: Embora cometa poucos erros, a DNA polimerase também funciona como EXONUCLEASE,removendo nucleotídeos errados por ela polimerizados. Portanto, a polimerase corrige seus próprioserros evitando as MUTAÇÕES. Interessante: A polimerase comete um erro a cada 107 pares de bases polimerizados. É umafreqüência extremamente baixa!Conclusões:1. Cada filamento da molécula serve de molde para a polimerização de outro filamento novo.2. A duplicação é um processo semi-conservativo pois conserva-se um filamento inteiro da molécula- mãe em cada uma das filhas.3. A fidelidade do processo replicativo deve-se ao pareamento de bases que é específico.11. TRANSCRIÇÃOCONCEITO É a síntese de RNA a partir de um molde de DNA.LOCALIZAÇÃO DO PROCESSO Em procariontes ocorre no hialoplasma enquanto nos eucariontes realiza-se no núcleo.OBJETIVOS Os três tipos de RNA realizam o processo de SÍNTESE DE PROTEÍNAS. Cada tipo exerce umafunção no processo: o RNAm é o coordenador, o RNAt transporta os aminoácidos e o RNAr constróisubunidades ribossomais. A transcrição, portanto é um sinal de que a célula vai sintetizar proteínas.O PROCESSO DE TRANSCRIÇÃO 8
  9. 9. PASSO 1: Enzimas abrem forquilhas no DNA.PASSO 2: O filamento complementar da forquilha é inativado.PASSO 3: A enzima RNA polimerase polimeriza ribonucleotídeos no filamento líder da molécula de DNA queserve de molde para a síntese do RNA.PASSO 4: O RNA polimerizado é removido da forquilha.PASSO 5: Os dois filamentos da DNA paream suas bases fechando a forquilha.PASSO 6: O RNA produzido passa ao citoplasma. OBS.: Se o RNA produzido for o mensageiro em células eucarióticas, haverá em sua moléculaÉXONS e ÍNTRONS. Os primeiros são sequências nucleotídicas que originam polipeptídeos ouproteínas funcionais enquanto os últimos originam proteínas não funcionais. Antes de passar aocitoplasma, os íntrons do RNAm são removidos por enzimas de restrição e os éxons ligam-se entre si.Este processo denomina-se SPLICING e o RNA que só possui éxons é denominado RNA homogêneo. O vírus da AIDS (HIV) e outros retrovírus possuem uma enzima especial chamada Transcriptasereversa, que tem a capacidade de produzir DNA a partir de uma fita simples de RNA.12. TIPOS DE RNA Há, na célula, três tipos de RNA, classificados de acordo com as suas funções e estruturas: RNAribossômico (RNAr), RNA mensageiro (RNAm) e RNA transportador (RNAt).12.1. RNA RIBOSSÔMICO (RNAr) O RNAr é o que ocorre em maior quantidade nas células. Esse RNA é encontrado no nucléolo,onde é produzido, e no citoplasma, associado a proteínas, formando os ribossomos. Quando alguns 9
  10. 10. ribossomos associam-se a outro tipo de RNA, denominado mensageiro (RNAm), formam os políssemosou polirribossomos, que participam da síntese de proteínas.12.2. RNA MENSAGEIRO (RNAm) O RNAm ocorre tanto no núcleo, onde é sintetizado, quanto no citoplasma, onde participa dasíntese de proteínas, associado aos ribossomos. O RNAm é formado por um filamento simples quecontém várias sequências de três bases. Cada conjunto de três bases é chamada de códon e codificaapenas um determinado aminoácido específico. Entretanto, pode ocorrer a existência de mais de umcódon para um mesmo aminoácido. Códon: Sequência de três bases nitrogenadas do RNAm, que codifica um aminoácido específico. 1 códon 1 aminoácido 1 aminoácido 1 ou mais códons Suponha um gene no cromossomo que codifique uma proteína hipotética, através da seguintesequência de bases nitrogenadas do DNA; TTTTCTAAAGAC. Cada três bases no RNAm (Códon)determinará um aminoácido, de acordo com a ordem estabelecida pêlos códons do RNAm. Nesteexemplo, a proteína será constituída pelos seguintes aminoácidos: lisina, arginina, fenilalanina eleucina.12.3. RNA TRANSPORTADOR (RNAt): O RNAt é o menor RNA da célula, sendo formado por pequenas cadeias de 75 a 100nucleotídeos. Uma característica importante do RNAt é a sua capacidade de se combinar, de modoreversível, com certos aminoácidos que serão transportados por eles para formar as proteínas. Esse RNA tem formato de folha de trevo e contém outros tipos de bases, além das comumenteencontradas nos outros RNAs. Cada RNAt é capaz de reconhecer um determinado aminoácido e um determinado códon, noRNAm. Todo RNAt tem um filamento livre de sua molécula composta pela seguinte sequência de basesnitrogenadas: CCA. É nesse local que ocorre a associação com o aminoácido. Em outra parte damolécula existe uma sequência de três bases denominadas anticódon que reconhece a posição doaminoácido do RNAm, unindo o seu anticódon ao códon do RNAm. 10
  11. 11. Representação esquemática de RNAt associados aos aminoácidos específicos.13. CÓDIGO GENÉTICO As moléculas de DNA são consideradas as mestras da vida. São elas que têm as instruções decomo produzir todas as partes de um novo ser vivo. Essa capacidade do DNA é exercida através docontrole da síntese de proteínas, o componente básico de todos os seres vivos. Cada célula de nosso corpo está produzindo, a cada instante, centenas de tipos diferentes demoléculas proteínas, as quais irão determinar o funcionamento, o tamanho, a forma e a estrutura dascélulas. Pode-se dizer, sem risco de engano, que as características de um indivíduo resultam dasproteínas que formam o seu corpo. Uma vez que o DNA controla a fabricação dessas proteínas, elaacaba por determinar e controlar praticamente todas as nossas características, sejam elas físicas,fisiológicas e até comportamentais. As receitas bioquímicas para a fabricação das moléculas de proteínas estão escritas em códigos –o código genético - na molécula de DNA. A reação para cada molécula de proteína constitui um gene. Tanto DNA, RNA, como proteínas são moléculas grandes, constituídas por várias pequenasunidades. Nos três casos, a sequência destas unidades tem uma importância fundamental. É fácil entãoaceitar que haja uma relação entre estas sequências. De fato, a sequência de bases do DNA condicionaa sequência de aminoácidos da proteína. Como já foi dito antes, na codificação genética, cada trinca de nucleotídeos do DNA correspondea um aminoácido na proteína codificada no gene. Um simples cálculo matemático nos permite concluir que podem existir 64 trincas diferentes denucleotídeos. A combinação de quatro elementos (A, G, T, C), três a três, fornece 64 trincas diferentes. Nos três casos, a sequência destas unidades tem uma importância fundamental. É fácil entãoaceitar que haja uma relação entre estas sequências. De fato, a sequência de bases do DNA condicionaa sequência de aminoácidos da proteína. Como já foi dito antes, na codificação genética, cada trinca de nucleotídeos do DNA correspondea um aminoácido na proteína codificada no gene. Um simples cálculo matemático nos permite concluir que podem existir 64 trincas diferentes denucleotídeos. A combinação de quatro elementos (A, G, T, C), três a três, fornece 64 trincas diferentes. 11
  12. 12. Código genético universal: constituído de 64 trincas diferentes (códons e seus aminoácidoscorrespondentes). Um aminoácido pode ser indicado por mais de uma trinca, havendo, portanto, códons sinônimos.Dos 64 códons, apenas 3 não especificam aminoácidos particulares, representando sinais de paradaque determinam o final da cadeia polipeptídica.14. A SÍNTESE DE PROTEÍNAS:TRADUÇÃO Os ribossomos, estruturas formadas por RNAr e proteínas, possuem aspecto de um oito,apresentando,na parte maior, dois sítios: sítio A e sítio P. O sítio A refere-se à entrada de aminoácidotrazido pelo RNAt, e o sítio P, à existência de polipeptídio. A parte menor do ribossomo possui uma região à qual o RNAm vai se unir. Havendo necessidadede uma determinada proteína, será formado um RNAm por transcrição de um gene específico do DNA,sendo que este RNAm conterá a mensagem para aquela proteína, produzindo no núcleo. O RNAmdirige-se para o citoplasma, ligando-se ao ribossomo, onde penetra através do sítio A. O aminoácidoque chega ao ribossomo deve ser reconhecido pelo códon do RNAm e só será incorporado à proteínaque está se formando se existir, no RNAm, um código para ele na sequência correta. Observe, agora, como se realizaria a síntese de uma proteína hipotética que possuísse osaminoácidoslisina, arginina, fenilalanina e leucina, em sequência. Sobre um mesmo RNAm podem se deslocar vários ribossomos, que mantêm entre si umadeterminada distância. 12
  13. 13. Dessa forma, podem ser formadas várias proteínas iguais sobre o mesmo RNAm. Essa capacidade, que o RNA possui, de reconhecer o aminoácido e assim, sintetizar proteínas, échamada tradução. Podem ocorrer, entretanto, erros na codificação de uma proteína. Durante a duplicação de uma molécula de DNA, pode ocorrer uma substituição incorreta de umabase nitrogenada. Neste caso, o códon produzido será outro, o que pode provocar alteração na proteína em virtudeda substituição do aminoácido. A alteração de uma base, no entanto, nem sempre provoca a substituição do aminoácido, pois umaminoácido pode apresentar um ou mais códons. Essas modificações acidentais do material genético são chamadas mutações gênicas e podemprovocar alterações nas características do organismo. Elas são, entretanto, raras. 13
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  15. 15. EXPRESSÃO GÊNICA DOS PROCARIONTES 15
  16. 16. 16

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