áCidos nucleicos

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áCidos nucleicos

  1. 1. Ácidos Nucleicos<br />Introdução:<br />Os ácidos nucleicos, como classe distinta de macromoléculas, foram descobertos em 1868, por Friederich Miescher, que isolou uma substância chamada «nucleína» dos núcleos de células do pus. Depois, descobriu-se uma substância semelhante nas cabeças dos espermatozóides de salmão. Mais tarde, verificou-se que a nucleína era uma mistura de proteínas básicas (principalmente histonas) e ácidos orgânicos contendo fosfato, polimerizados e ácido desoxirribonucleico (DNA). Sabe-se agora que existe um segundo tipo de ácido nucleico, chamado ácido ribonucleico (RNA), quer no núcleo (onde é sintetizado), quer no citoplasma (onde participa na síntese de proteínas). Ambos os tipos de ácidos nucleicos (DNA e RNA) são polímeros lineares não ramificados de subunidades (monómeros) chamados nucleótidos.<br />Cada nucleótido tem três componentes principais: um grupo fosfato, uma base orgânica contendo azoto e um açucar com cinco átomos de carbono (pentose).<br />Fig 1: Estrutura de um nucleótido<br />Em 1953, Alfred Hershey e Martha Chase, utilizaram vírus que infectam bactérias, por isso chamados bacteriófagos, que contribuíram para confirmar definitivamente que a molécula de DNA é o suporte físico da informação genética e não as proteínas. No mesmo ano, com base nos resultados das experiências anteriores, James Watson e Francis Crick, apresentaram, na Universidade de Cambridge, o modelo de dupla hélice para o DNA. Segundo este modelo, a molécula de DNA é composta por duas cadeias polinucleotídicas, que se dispõem em sentidos inversos, designando-se, por isso, antiparalelas.<br />Estrutura dos Ácidos Nucleicos:<br />As bases orgânicas dos ácidos nucleicos são de dois tipos: Pirimidinas e Purinas. As primeiras só têm um anel; as purinas têm dois. As purinas adenina (A) e guanina (G) que se encontram no DNA e no RNA, diferem nos seus grupos laterais. A adenina tem um grupo amínico (NH2) ligado à posição 6 da purina, e é portanto chamada 6-aminopurina. A guanina tem um oxigénio 6 e um grupo amínico na posição 2, e portanto é 6-oxi-2-aminopurina. Do mesmo modo a pirimidina citosina encontra-se também no DNA e RNA é 2-oxi-4-aminopirimidina. Uma segunda pirimidina encontrada apenas no RNA é o uracilo, 2,4-dioxipirimidina. Uma terceira pirimidna chamada timina é predominantemente no DNA ( encontrando-se também algumas timinas em moléculas de RNAt, juntamente com outras bases raras.<br />Fig 2: Estrutura quimica das bases azotadas<br />Um nucleótido consiste num grupo fosfato (PO4) ligado covalentemente a um nucleósido (base unida por uma ligação covalente glicosídica do N1 das pirimidinas ou do N9 das purinas, ao carbono 1`do açucar) no carbono 5`do seu açucar.<br />Os nucleótidos que contêm ribose são chamados ribonucleótidos e os nucleótidos que contêm desoxiribose são chamados de desoxiribonucleótidos.<br />Em cada cadeia de polinucleótidos do DNA ou do RNA, os nucleótidos adjacentes estão ligados covalentemente por ligações fosfodiéster entre o carbono 3’ de um nucleótido e o carbono 5’ do nucleótido adjacente. <br />As bases dos nucleótidos formam espontaneamente ligações de hidrogénio (um tipo de ligações covalentes fosfodiéster ou glicosídicas) de um modo altamente específico. A adenina de uma cadeia de DNA forma normalmente duas ligações de hidrogénio com a timina da cadeia complementar da hélice dupla (A=T). Do mesmo modo, forma duas ligações de hidrogénio com uracilo (A=U) em híbridos de DNA-RNA, e em interações RNA-RNA, quer em zonas diferentes na mesma cadeia de RNA, quer entre cadeias do RNA diferentes. A guanina e a citosina formam normalmente três ligações de hidrogénio (G≡C), quer no DNA, quer no RNA.<br />Fig 3 : Ligações de hidrogénio entre as bases azotadas<br />Estrutura do DNA:<br />O DNA é, na maior parte dos organismos um ácido nucleico constituído por duas cadeias polinucleotídicas, que estão enroladas uma na outra, formando o que se chama a “ dupla- hélice” do DNA – modelo de Watson e Crick (1953).<br />O empilhamento das bases azotadas emparelhadas no eixo central da molécula forma um cerne hidrofóbico ( sem afinidade com a água). Juntamente com as ligações de hidrogénio entre os pares de bases, estas interacções hidrofóbicas contribuem para a estabilidade da molécula.<br /> Fig 4: Estrutura do DNA<br />A ligação entre as cadeias faz-se por ligações de hidrogénio, dispondo-se em sentido oposto uma em relação à outra, isto é, são antiparalelas. Cada cadeia de nucleótidos tem, nas suas extremidades, uma ponta livre, designando-se uma por 3` e outra por 5`. São estas extremidades que determinam o sentido da cadeia, cuja formação ocorre sempre de 5` para 3`. Na molécula de DNA à extremidade 5`de uma cadeia corresponde a extremidade 3`da cadeia complementar, o que justifica a designação antiparalelas.<br />Estrutura do RNA:<br />A molécula do ácido ribonucleico apresenta-se geralmente em cadeias simples e, atendendo ás funções específicas que desempenha, pode ocorrer em formas estruturais diferentes. Localiza-se no nucléolo, no citoplasma, nas mitocôndricas e nos cloroplastos. <br />A cadeia única de uma molécula de RNA pode dobrar-se espontaneamente sobre si própria e formar pares de bases complementares em regiões localizadas, em estados energicamente muito estável. As formas possíveis para as moléculas de RNA são portanto muito variadas.<br />Há três tipos de RNA: o RNAm (RNA mensageiro), que transporta a mensagem do DNA do núcleo para o citoplasma; RNAt (RNA de transferência), que transporta os aminoácidos para junto dos ribossomas; RNAr (RNA ribossómico), uma molécula larga, dobrada que juntamente com algumas proteínas, forma o ribossoma.<br />AB<br />Fig 5: (A) Modelo folha de trevo RNAt; ( B) RNAm <br />Replicação do DNA:<br />A informação genética armazenada na sequência de nucleótidos do DNA atende a dois propósitos. Ele é a fonte de informações para a síntese de todas as moléculas proteicas da célula e do organismo e abriga as informações transmitidas pelas células descendentes. Estas duas funções exigem que a molécula do DNA actue como modelo – no primeiro caso, para a transcrição da informação ao RNA e, no segundo, para a replicação das informações para as moléculas do DNA descendente.<br />Até 1958, existiam três hipóteses para explicar a replicação do DNA:<br />- Hipótese semiconservativa, em que cada molécula de DNA dá origem a duas moléculas constituídas por duas cadeias polinucleotídicas, uma molécula-mãe e outra a recém formada.<br />Fig 6: Hipótese semiconservativa da replicação do DNA<br />- Hipótese conservativa, caracterizada pela formação de uma molécula de DNA, a partir de uma molécula- mãe, mantendo-se esta última intacta.<br />Fig 7: Hipótese conservativa da replicação do DNA<br />- Hipótese dispersiva, em que as moléculas de DNA são formadas a partir de alguns nucleótidos da molécula-mãe e de outros nucleótidos novos.<br /> Fig 8: Hipótese dispersiva da replicação do DNA<br />Experiências realizadas por Meselson e Stahl apoiaram fortemente a hipótese, que defende um processo de replicação semiconservativa que ocorre segundo a regra de complementaridade de bases. Este modelo permite explicar a transmissão do património genético e a relativa constância da composição do DNA durante a divisão celular.Segundo a replicação semiconservativa, as duas cadeias da dupla hélice de DNA, na presença de enzimas específicas, a DNA polimerase, afastam-se por ruptura das ligações de hidrogénio que unem as bases azotadas. Nas células ambas as cadeias de DNA são replicadas ao mesmo tempo, isso requer a separação das duas cadeias da dupla hélice formando dois moldes de DNA, esta separação é catalizada por uma enzima chamada DNA–helicase. A junção entre as duas cadeias molde recém separadas e DNA não replicado é conhecida por forquilha de replicação.<br /> <br />Fig 9: Forquilha de replicação evidenciando os fragmentos de Okasaki<br />A natureza antiparalela do DNA fornece dificuldade à replicação simultânea dos dois moldes expostos pela forquilha de replicação.<br />Como o DNA é sintetizado apenas pelo alongamento da extermidade 3`, apenas um dos dois moldes expostos pode ser replicado de forma continua, à medida que a forquilha de replicação se movimenta. Sobre essa cadeia molde a polimerase simplesmente segue a forquilha de replicação. A nova cadeia de DNA sintetizada por esse molde, é conhecida pela cadeia líder ( leading strand).<br />A síntese da nova cadeia de DNA coordenada pelo outro molde de DNA é mais problemática. Esse molde faz com que a DNA polimerase se desloque na direcção oposta à forquilha de replicação. A cadeia de DNA sintetizada a partir desse molde é chamada cadeia tardia ( lagging strand). A síntese da cadeia tardia precisa de esperar que o deslocamento da forquilha de replicação exponha uma extensão considerável, deste modo a replicação é descontínua. Os pequenos fragmentos de DNA recém síntetizados na cadeia tardia são chamados de fragmentos de Okazaki . <br />Os nucleótidos de DNA que se encontram livres na célula encaixam nos filamentos que se vão afastando através de ligações que obedecem à regra da complementaridade das bases. Assim, os nucleótidos de citosina ligam-se aos de guanina e os nucleótidos de timina associam-se aos de adenina. Cada uma das cadeias de DNA serve, então, de molde à formação de uma cadeia complementar.Quando os filamentos de DNA que serviram de molde ficam completamente preenchidos pelos novos nucleótidos, formam-se duas novas moléculas de DNA, idênticas entre si e complementares das cadeias que lhes deram origem. Cada uma das novas cadeias de DNA é antiparalela em relação à cadeia que lhe serviu de molde.No fim da replicação, cada molécula formada é uma réplica da original e inclui uma cadeia de DNA antiga e uma cadeia recém-formada, daí a designação de replicação semiconservativa.<br />Trancrição:<br />A transcrição ocorre no núcleo. Nesta fase há síntese de RNA mensageiro - RNAm - a partir de uma cadeia de DNA por intermédio de uma enzima, a RNA polimerase.<br />Fig 10: Modelo de replicação do DNA<br />Esta enzina fixa-se sobre uma certa sequência do DNA, desliza ao longo dela provocando a sua abertura, iniciando-se a transcrição. Após a passagem da RNA-polimerase, a molécula de DNA reconstitui-se, estabelecendo ligações de hidrogénio entre as bases complementares. A sequência de bases no RNAm é complementar da sequência de bases da cadeia transcrita e igual à sequência de bases da cadeia de DNA não transcrita, com a excepção da timina que no RNAm é substituída pelo uracilo.<br />No interior do núcleo, as moléculas de RNA transcritas experimentam várias modificações. Simultaneamente, sob a acção de enzimas específicas, ocorre a eliminação de certas porções de RNA – Maturação do RNA.<br />O processo de maturação do RNA caracteriza-se pela remoção de sequências da molécula de RNA transcrita correspondente aos intrões ( partes não codificantes), seguida da ligação dos exões (partes codificantes), formando-se assim o RNA pré-mensageiro, sendo este precursor do RNA mensageiro funcional.<br /> Fig 11: Maturação RNAm<br />Para transcrever um gene, a RNA-polimerase passa por uma série de etapas bem definidas, agrupadas em três fases: a iniciação, o alongamento e a terminação.<br />Na iniciação, um promotor ( sequência de DNA importantes para o início da transcrição) à qual a RNA polimerase é inicialmente ligada, formam o complexo promotor-polimerase. Uma vez formado este complexo sofre alterações estruturais, necessárias à continuação da iniciação. <br />Após a síntese de um pequeno segmento de RNA pela RNA polimerase, inicia-se a fase de alongamento. Durante o alongamento, a enzima realiza várias tarefas, além de catalisar a síntese de RNA.<br />Quando transcrita toda a extensão do gene pela polimerase, esta pára e libera o RNA produzido. Esta fase é chamada de terminação. Em algumas células existem sequências específicas, que determinam a terminação.<br />Tradução: <br />A tradução é um processo que ocorre no citoplasma, junto dos ribossomas, e que corresponde à transfornação da mensagem contida do RNA mensageiro na sequência de aminoácidos que constituem uma cadeia polipeptídica, esta só tem início quando o RNAm se liga à subunidade menor do ribossoma.<br />O ribossoma é a máquina macromolecular que promove a síntese proteica. Assim como a tradução de um códico de ácidos nucleicos em um código de aminoácidos apresenta desafios adicionais em relação à transcrição e replicação, o ribossoma é, também maior e mais complexo do que a maquinaria mínima necessária para a síntese do DNA ou do RNA. <br />O ribossoma é composto por dois subconjuntos de RNA e proteínas, conhecidos como subunidades maior e menor. A subunidade maior contém o centro da peptidil-transferase, responsável pela formação da ligação peptídica. A subunidade menor contém o centro de descodificação, no qual os RNAs de transferência lêm ou descodificam os codões do RNAm<br />As duas subunidades do ribossoma contêm 3 locais adjacentes para a associação às moléculas de RNAt: locais aminoacil (A), peptidil (P) e de saída (E). <br />Fig 12: Estrutura de um ribossoma<br />Este processo compreende três etapas fundamentais:<br />- Iniciação, onde se dá a ligação do RNAm e de um RNAt iniciador, que transporta geralmente a meteonina à pequena subunidade do ribossoma. Através de uma mecanismo complexo, a subunidade menor do ribossoma desliza ao longo da cadeia do RNAm até que o codão de iniciação AUG seja reconhecido pelo anticodão UAC do RNAt iniciador, que transporta a meteonina. De seguida a subunidade maior liga-se à subunidade menor, transformado-se no ribossoma funcional. A adaptação codão-anticodão ocorre no ribossoma no sítio P.<br />Fig 13: Ligação do RNAt iniciador ao ribossoma<br />- Alongamento da cadeia polipeptídica, tem início quando o anticodão do segundo aminoacil-tRNA encontra o local A, complementar do codão do mRNA existente nesta posição. Simultaneamente, o primeiro RNAt é deslocado para o local P (e libertado posteriormente através do local E) ficando o peptidil-tRNA na posição A. Seguidamente, o ribossoma desloca-se uma distância equivalente a um tripleto, em relação ao RNAm, o que expõe o codão seguinte (local A) e permite a aceitação de um novo aminoacil-tRNA no local A.<br />- Terminação da síntese da cadeia peptídica ocorre quando, ao nível do local A, surge um dos codões de terminação (UAA, UAG e UGA). Para cada um dos referidos 3 codões não existe correspondência para nenhum dos aminoácidos e a síntese proteica é bloqueada. Estes codões constituem verdadeiras pontuações da mensagem. As unidades dos ribossomas separam-se e ficam livres para iniciar outro processo. A passagem do ribossoma ao nível dos codões de terminação determina a dissociação do complexo RNAm-ribossoma-RNAt-cadeia polipeptídica e consequentemente o fim da síntese proteica. A mesma cadeia de RNAm pode ser traduzida várias vezes, formando proteínas idênticas.<br />Fig 14 : Libertação do polipéptido durante a tradução<br />Conclusão:<br />O DNA, o RNA e as proteínas são polímeros, cada um composto por um conjunto definido de subunidades unidas por ligações covalentes. O DNA e RNA são compostos por cadeias de nucleótidos, e as proteínas por cadeias de aminoácidos. A forma tridimensional de cada polímero é ainda determinada por múltiplas interacções fracas, ou secundárias entre as subunidades. Assim no caso do DNA e RNA, as ligações de hidrogénio e as interacções de emparelhamento entre as bases dos nucleótidos resultam no carácter de dupla hélice dessa molécula e estrutura linear respectivamente. Da mesma forma, a estrutura tridimensional de uma determinada proteína depende de diversas interacções entre aminoácidos.<br />A síntese de DNA é catalizada por uma enzima denominada DNA-polimerase, que são processivas, uma vez ligadas a um substrato, elas são capazes de adicionar muitos nucleótidos. Na célula, ambas as cadeias de um molde de DNA são replicadas simultaneamente numa estrutura chamada forquilha de replicação.<br />Como as duas cadeias de um molde de DNA são antiparalelas apenas uma cadeia do molde de DNA pode ser replicada de maneira contínua, a outra cadeia, a tardia é sintetizada por uma série de pequenos fragmentos- fragmentos de Okazaki.<br />Além das DNA-polimerases, diversas outras proteínas actuam coordenando e facilitando o processo de replicação.<br />A transcrição é, química e enzimaticamente muito semelhante à replicação do DNA. Ambas envolvem enzimas que sintetizam uma nova cadeia de ácidos nucleicos, complementar à cadeia molde de DNA.<br />As proteínas são sintetizadas a partir de moldes de RNAm, num processo conhecido por tradução. A tradução compreende a descodificação da informação contida numa sequência nucleotídica para uma sequência linear de aminoácidos de uma cadeia polipeptídica. <br /> <br />Índice: <br />Introdução---------------------------------------------------------------------- 1<br />Estrutura dos ácidos nucleicos----------------------------------------------- 2<br />Estrutura do DNA------------------------------------------------------------- 3<br />Estrutura do RNA------------------------------------------------------------- 4<br />Replicação do DNA----------------------------------------------------------- 5<br />----------------------------------------------------------------------------------- 6<br />Transcrição--------------------------------------------------------------------- 7<br />Tradução------------------------------------------------------------------------ 8<br />Etapas da tradução------------------------------------------------------------- 9<br />Conclusão---------------------------------------------------------------------- 10<br />----------------------------------------------------------------------------------- 11<br />Bibliografia-------------------------------------------------------------------- 12<br />Bibliografia:<br />- Watson, James D., Baker, Tania A., Bell Stephen P., Gann, Alexander ( 2006). Biologia molecular do gene. 5ª edição, Artmed Editor.<br />- Stansfield, William D., Colomé, Jaime S., Cano, Raúl J., (1998). Biologia molecular e celular. Mc Graw Hill.<br />- Murray, Robert K., Granner, Daryl K., Rodwell, Victor W.(2007). Harper, bioquímica ilustrada. 27ª edição, Mc Graw Hill<br />

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