ÁCIDOS NUCLÉICOS: CARACTERÍSTICAS, FUNÇÕES, ESTRUTURA - BIOLOGIA - 2024

Os ácidos nucléicos são grandes biomoléculas formadas por unidades ou monômeros chamados nucleotídeos. Eles são responsáveis ​​pelo armazenamento e transmissão da informação genética. Eles também participam de cada uma das etapas da síntese de proteínas.

Estruturalmente, cada nucleotídeo é composto de um grupo fosfato, um açúcar de cinco carbonos e uma base de nitrogênio heterocíclica (A, T, C, G e U). Em pH fisiológico, os ácidos nucléicos têm carga negativa, são solúveis em água, formam soluções viscosas e são bastante estáveis.

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Existem dois tipos principais de ácidos nucléicos: DNA e RNA. A composição de ambos os ácidos nucléicos é semelhante: em ambos encontramos uma série de nucleotídeos ligados por ligações fosfodiéster. Entretanto, no DNA encontramos timina (T) e no RNA uracila (U).

O DNA é mais longo e tem uma conformação de dupla hélice e o RNA é composto por uma única fita. Essas moléculas estão presentes em todos os organismos vivos, de vírus a grandes mamíferos.

Perspectiva histórica

Descoberta de ácidos nucléicos

A descoberta de ácidos nucléicos remonta a 1869, quando Friedrich Miescher identificou a cromatina. Em seus experimentos, Miescher extraiu um material gelatinoso do núcleo e descobriu que essa substância era rica em fósforo.

Inicialmente, o material de natureza misteriosa foi designado como "nucleína". Experimentos posteriores com nucleína concluíram que ela não é rica apenas em fósforo, mas também em carboidratos e bases orgânicas.

Phoebus Levene descobriu que a nucleína era um polímero linear. Embora as propriedades químicas básicas dos ácidos nucléicos fossem conhecidas, não se considerava que houvesse uma relação entre esse polímero e o material hereditário dos seres vivos.

Descoberta da função do DNA

Em meados da década de 1940, não era convincente para os biólogos da época que a molécula responsável por transmitir e armazenar as informações de um organismo residisse em uma molécula com uma conformação tão simples quanto o DNA - composta por quatro monômeros (nucleotídeos) muito semelhantes cada.

As proteínas, polímeros constituídos por 20 tipos de aminoácidos, pareciam, na época, os candidatos mais plausíveis a serem a molécula da hereditariedade.

Essa visão mudou em 1928, quando o pesquisador Fred Griffith suspeitou que a nucleína estava envolvida na hereditariedade. Finalmente, em 1944, Oswald Avery conseguiu concluir com evidências robustas de que o DNA continha informações genéticas.

Assim, o DNA deixou de ser uma molécula chata e monótona, composta de apenas quatro blocos de construção, para uma molécula que permite o armazenamento de um imenso número de informações, podendo preservá-las e transmiti-las com precisão, precisão e eficiência.

Descoberta da estrutura do DNA

O ano de 1953 foi revolucionário para as ciências biológicas, quando os pesquisadores James Watson e Francis Crick elucidaram a estrutura correta do DNA.

Com base nas análises dos padrões de reflexão de raios-X, os resultados de Watson e Crick sugeriram que a molécula é uma dupla hélice, onde os grupos fosfato formam um backbone externo e as bases se projetam no interior.

A analogia de uma escada é geralmente usada, onde os corrimãos correspondem aos grupos fosfato e os degraus às bases.

Descoberta de sequenciamento de DNA

Nas últimas duas décadas, ocorreram avanços extraordinários na biologia, liderados pelo sequenciamento de DNA. Graças aos avanços tecnológicos, hoje temos a tecnologia necessária para conhecer a sequência de DNA com uma precisão bastante elevada - por "sequência" queremos dizer a ordem das bases.

Inicialmente, elucidar a sequência era um evento caro e demorado para ser concluído. Atualmente não é um problema saber a sequência de genomas inteiros.

Caracteristicas

Carga e solubilidade

Como o próprio nome indica, a natureza dos ácidos nucléicos é ácida e são moléculas com alta solubilidade em água; ou seja, eles são hidrofílicos. Em pH fisiológico, a molécula é carregada negativamente, devido à presença de grupos fosfato.

Como consequência, as proteínas com as quais o DNA está associado são ricas em resíduos de aminoácidos com cargas positivas. A associação correta do DNA é fundamental para seu empacotamento nas células.

Viscosidade

A viscosidade do ácido nucleico depende se é de banda dupla ou simples. O DNA de banda dupla forma soluções de alta viscosidade, pois sua estrutura é rígida, resistindo à deformação. Além disso, são moléculas extremamente longas em relação ao seu diâmetro.

Em contraste, também existem soluções de ácido nucleico de banda única, que são caracterizadas por baixa viscosidade.

Estabilidade

Outra característica dos ácidos nucléicos é sua estabilidade. Naturalmente, uma molécula com uma tarefa tão indispensável como o armazenamento de herança deve ser muito estável.

Comparativamente, o DNA é mais estável do que o RNA, uma vez que não possui um grupo hidroxila.

É possível que essa característica química tenha desempenhado um papel importante na evolução dos ácidos nucléicos e na escolha do DNA como material hereditário.

De acordo com as transições hipotéticas propostas por alguns autores, o RNA foi substituído por DNA no processo evolutivo. No entanto, hoje existem alguns vírus que usam RNA como material genético.

Absorção de luz ultravioleta

A absorção de ácidos nucléicos também depende se é de banda dupla ou banda única. O pico de absorção dos anéis em sua estrutura é de 260 nanômetros (nm).

À medida que a fita dupla do DNA começa a se separar, a absorção no comprimento de onda mencionado aumenta, uma vez que os anéis que constituem os nucleotídeos ficam expostos.

Este parâmetro é importante para biólogos moleculares em laboratório, pois medindo a captação eles podem estimar a quantidade de DNA que existe em suas amostras. Em geral, o conhecimento das propriedades do DNA contribui para sua purificação e tratamento em laboratórios.

Classificação (tipos)

Os dois principais ácidos nucléicos são DNA e RNA. Ambos são componentes de todas as coisas vivas. DNA significa ácido desoxirribonucleico e RNA significa ácido ribonucleico. Ambas as moléculas desempenham um papel fundamental na hereditariedade e na síntese de proteínas.

O DNA é a molécula que armazena todas as informações necessárias ao desenvolvimento de um organismo e é agrupada em unidades funcionais chamadas genes. O RNA é responsável por levar essas informações e, junto com os complexos de proteínas, traduz as informações de uma cadeia de nucleotídeos em uma cadeia de aminoácidos.

As fitas de RNA podem ter algumas centenas ou alguns milhares de nucleotídeos de comprimento, enquanto as fitas de DNA excedem milhões de nucleotídeos e podem ser visualizadas à luz de um microscópio óptico se forem coradas com corantes.

As diferenças estruturais básicas entre as duas moléculas serão detalhadas na próxima seção.

RNA

Nas células, existem diferentes tipos de RNA que juntos trabalham para orquestrar a síntese de proteínas. Os três tipos principais de RNA são mensageiro, ribossomal e transferência.

RNA mensageiro

O RNA mensageiro é responsável por copiar a mensagem que existe no DNA e transportá-la para a síntese de proteínas que ocorre em estruturas chamadas ribossomos.

RNA ribossomal ou ribossomal

O RNA ribossomal é encontrado como parte deste mecanismo essencial: o ribossomo. Do ribossomo, 60% é composto por RNA do ribossomo e o restante é ocupado por quase 80 proteínas diferentes.

RNA de transferência

O RNA de transferência é uma espécie de adaptador molecular que transporta aminoácidos (os blocos de construção das proteínas) para o ribossomo, para ser incorporado.

RNA pequeno

Além desses três tipos básicos, há vários RNAs adicionais que foram recentemente descobertos e que desempenham um papel essencial na síntese de proteínas e na expressão de genes.

Pequenos RNAs nucleares, abreviados como snRNA, participam como entidades catalíticas no splicing (processo de remoção de íntrons) do RNA mensageiro.

Pequenos RNAs nucleolares ou snoRNAs estão envolvidos no processamento de transcritos de RNA pré-ribossômico que farão parte da subunidade do ribossomo. Isso ocorre no nucléolo.

RNAs de interferência curtos e microRNAs são pequenas sequências de RNA cujo papel principal é a modulação da expressão gênica. MicroRNAs são codificados a partir do DNA, mas sua tradução em proteínas não continua. Eles são de fita simples e podem complementar uma mensagem de RNA, inibindo sua tradução em proteínas.

Estrutura e composição química

Os ácidos nucléicos são longas cadeias poliméricas constituídas por unidades monoméricas chamadas nucleotídeos. Cada um é composto de:

Um grupo fosfato

Existem quatro tipos de nucleotídeos e eles têm uma estrutura comum: um grupo fosfato ligado a uma pentose por meio de uma ligação fosfodiéster. A presença de fosfatos confere à molécula um caráter ácido. O grupo fosfato é dissociado no pH da célula, por isso é carregado negativamente.

Essa carga negativa permite a associação de ácidos nucléicos com moléculas cuja carga é positiva.

Pequenas quantidades de nucleosídeos podem ser encontradas dentro das células e também nos fluidos extracelulares. São moléculas constituídas por todos os componentes de um nucleotídeo, mas que não possuem grupos fosfato.

De acordo com esta nomenclatura, um nucleotídeo é um nucleosídeo que possui um, dois ou três grupos fosfato esterificados no hidroxila localizado no carbono 5 '. Os nucleosídeos com três fosfatos estão envolvidos na síntese de ácidos nucléicos, embora também cumpram outras funções na célula.

Uma pentose

Uma pentose é um carboidrato monomérico composto de cinco átomos de carbono. No DNA, a pentose é uma desoxirribose, que se caracteriza pela perda de um grupo hidroxila no carbono 2 '. No RNA, a pentose é uma ribose.

Uma base nitrogenada

A pentose, por sua vez, está ligada a uma base orgânica. A identidade do nucleotídeo é fornecida pela identidade da base. Existem cinco tipos, abreviados por suas iniciais: adenina (A), guanina (G), citosina (C), timina (T) e uracila (U).

É comum na literatura descobrirmos que essas cinco letras são usadas para se referir a todo o nucleotídeo. No entanto, estritamente falando, eles são apenas parte do nucleotídeo.

Os três primeiros, A, G e C, são comuns ao DNA e ao RNA. Enquanto T é exclusivo do DNA e o uracil está restrito à molécula de RNA.

Estruturalmente, as bases são compostos químicos heterocíclicos, cujos anéis são feitos de moléculas de carbono e nitrogênio. A e G são formados por um par de anéis fundidos e pertencem ao grupo das purinas. As demais bases pertencem às pirimidinas e sua estrutura é formada por um único anel.

É comum que em ambos os tipos de ácidos nucléicos encontremos uma série de bases modificadas, como um grupo metil adicional.

Quando esse evento ocorre, dizemos que a base é metilada. Em procariotos, as adeninas metiladas são geralmente encontradas e, tanto em procariotos quanto em eucariotos, as citosinas podem ter um grupo metil adicional.

Como ocorre a polimerização?

Como mencionamos, os ácidos nucléicos são longas cadeias compostas de monômeros - nucleotídeos. Para formar as cadeias, elas são ligadas de uma maneira particular.

Quando os nucleotídeos polimerizam, o grupo hidroxila (-OH) encontrado no carbono 3 'do açúcar de um dos nucleotídeos forma uma ligação éster com o grupo fosfato de outra molécula de nucleotídeo. Durante a formação dessa ligação, ocorre a remoção de uma molécula de água.

Esse tipo de reação é chamada de "reação de condensação" e é muito semelhante à que ocorre quando as ligações peptídicas em proteínas se formam entre dois resíduos de aminoácidos. As ligações entre cada par de nucleotídeos são chamadas de ligações fosfodiéster.

Como nos polipeptídeos, as cadeias de ácido nucleico têm duas orientações químicas em suas extremidades: uma é a extremidade 5 'que contém um grupo hidroxila livre ou um grupo fosfato no carbono 5' do açúcar terminal, enquanto na extremidade 3 ´ encontramos um grupo hidroxila livre de carbono 3´.

Vamos imaginar que cada bloco de DNA é um conjunto de Lego, com uma extremidade que é inserida e com um orifício livre onde pode ocorrer a inserção de outro bloco. A extremidade 5 'com o fosfato será a extremidade a ser inserida e a extremidade 3' é análoga ao orifício livre.

Outros nucleotídeos

Na célula, encontramos outro tipo de nucleotídeos com uma estrutura diferente da mencionada acima. Embora não façam parte dos ácidos nucléicos, eles desempenham papéis biológicos muito importantes.

Entre os mais relevantes temos o mononucleotídeo de riboflavina, conhecido como FMN, coenzima A, dinucleotídeo de adenina e nicotinamina, entre outros.

Estrutura de RNA

A estrutura linear do polímero de ácido nucleico corresponde à estrutura primária dessas moléculas. Os polinucleotídeos também têm a capacidade de formar matrizes tridimensionais estabilizadas por forças não covalentes - semelhante ao dobramento encontrado nas proteínas.

Embora a composição primária de DNA e RNA seja bastante semelhante (exceto pelas diferenças mencionadas acima), a composição de sua estrutura é marcadamente diferente. Os RNAs são comumente encontrados como uma única cadeia de nucleotídeos, embora possam assumir diferentes arranjos.

Os RNAs de transferência, por exemplo, são pequenas moléculas compostas por menos de 100 nucleotídeos. Sua estrutura secundária típica tem a forma de um trevo com três braços. Ou seja, a molécula de RNA encontra bases complementares em seu interior e pode se dobrar sobre si mesma.

Os RNAs ribossomais são moléculas maiores que assumem complexas conformações tridimensionais e exibem estrutura secundária e terciária.

Estrutura do DNA

Dupla hélice

Ao contrário do RNA linear, o arranjo do DNA consiste em duas fitas entrelaçadas. Essa diferença estrutural é crucial para o desempenho de suas funções específicas. O RNA não é capaz de formar este tipo de hélices devido a um impedimento estérico imposto pelo grupo OH adicional que seu açúcar apresenta.

Complementaridade de base

Existe complementaridade entre as bases. Ou seja, como consequência de seu tamanho, forma e composição química, as purinas devem emparelhar com uma pirimidina por meio de ligações de hidrogênio. Por esse motivo, no DNA natural, descobrimos que A quase sempre está emparelhado com T e G com C, formando ligações de hidrogênio com seus parceiros.

Os pares de bases entre G e C estão ligados por três ligações de hidrogênio, enquanto o par A e T são mais fracos e apenas duas ligações de hidrogênio os mantêm juntos.

As fitas de DNA podem ser separadas (isso ocorre tanto na célula quanto em procedimentos de laboratório) e o calor necessário depende da quantidade de GC na molécula: quanto maior, mais energia será necessária para separá-la.

Orientação do fio

Outra característica do DNA é sua orientação oposta: enquanto uma fita segue na direção 5'-3 ', sua parceira corre na direção 3'-5'.

Conformações naturais e em laboratório

A estrutura ou conformação que normalmente encontramos na natureza é chamada de DNA B. Esta é caracterizada por ter 10,4 nucleotídeos para cada volta, separados por uma distância de 3,4. DNA B vira para a direita.

Este padrão sinuoso resulta no aparecimento de dois sulcos, um maior e um menor.

Nos ácidos nucléicos formados em laboratório (sintéticos) podem ser encontradas outras conformações, que também aparecem em condições muito específicas. Estes são DNA A e DNA Z.

A variante A também faz a curva para a direita, embora seja mais curta e um pouco mais larga do que a natural. A molécula assume esta forma quando a umidade diminui. Ele gira a cada 11 pares de bases.

A última variante é o Z, caracterizado por ser estreito e virar para a esquerda. É formado por um grupo de hexanucleotídeos agrupados em um duplex de cadeias antiparalelas.

Recursos

DNA: molécula de hereditariedade

O DNA é uma molécula que pode armazenar informações. A vida como a conhecemos em nosso planeta depende da capacidade de armazenar e traduzir essas informações.

Para a célula, o DNA é uma espécie de biblioteca onde se encontram todas as instruções necessárias para a fabricação, desenvolvimento e manutenção de um organismo vivo.

Na molécula de DNA, encontramos uma organização de entidades funcionais discretas chamadas genes. Alguns deles serão transportados para as proteínas, enquanto outros cumprirão funções regulatórias.

A estrutura do DNA que descrevemos na seção anterior é a chave para o desempenho de suas funções. A hélice deve ser capaz de se separar e se juntar facilmente - uma propriedade chave para eventos de replicação e transcrição.

O DNA é encontrado em procariotos em um local específico em seu citoplasma, enquanto em eucariotos ele está localizado dentro do núcleo.

RNA: uma molécula multifuncional

Papel na síntese de proteínas

O RNA é um ácido nucléico que encontramos em diferentes estágios da síntese de proteínas e na regulação da expressão gênica.

A síntese de proteínas começa com a transcrição da mensagem criptografada no DNA em uma molécula de RNA mensageiro. A seguir, o mensageiro deve eliminar as partes que não serão traduzidas, conhecidas pelo nome de íntrons.

Para a tradução da mensagem do RNA em resíduos de aminoácidos, dois componentes adicionais são necessários: o RNA ribossomal, que faz parte dos ribossomos, e o RNA de transferência, que carregará os aminoácidos e será responsável por inserir o aminoácido correto na cadeia peptídica. Em treinamento.

Em outras palavras, cada tipo principal de RNA desempenha um papel crítico neste processo. Esta passagem do DNA para o RNA mensageiro e finalmente para as proteínas é o que os biólogos chamam de "o dogma central da biologia".

No entanto, como a ciência não pode se basear em dogmas, existem diversos casos em que essa premissa não é atendida, como os retrovírus.

Papel na regulamentação

Os pequenos RNAs mencionados acima estão indiretamente envolvidos na síntese, orquestrando a síntese do RNA mensageiro e participando da regulação da expressão.

Por exemplo, na célula existem diferentes RNAs mensageiros que são regulados por pequenos RNAs, que possuem uma sequência complementar a esta. Se o pequeno RNA anexar à mensagem, ele pode clivar o mensageiro, impedindo sua tradução. Existem vários processos que são regulados dessa forma.

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