áCidos nucleicos

Ácidos Nucleicos Introdução: 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. Cada nucleótido tem três componentes principais: um grupo fosfato, uma base orgânica contendo azoto e um açucar com cinco átomos de carbono (pentose). Fig 1: Estrutura de um nucleótido 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. Estrutura dos Ácidos Nucleicos: 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. Fig 2: Estrutura quimica das bases azotadas 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. Os nucleótidos que contêm ribose são chamados ribonucleótidos e os nucleótidos que contêm desoxiribose são chamados de desoxiribonucleótidos. 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. 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. Fig 3 : Ligações de hidrogénio entre as bases azotadas Estrutura do DNA: 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). 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. Fig 4: Estrutura do DNA 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. Estrutura do RNA: 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. 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. 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. AB Fig 5: (A) Modelo folha de trevo RNAt; ( B) RNAm Replicação do DNA: 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. Até 1958, existiam três hipóteses para explicar a replicação do DNA: - 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. Fig 6: Hipótese semiconservativa da replicação do DNA - Hipótese conservativa, caracterizada pela formação de uma molécula de DNA, a partir de uma molécula- mãe, mantendo-se esta última intacta. Fig 7: Hipótese conservativa da replicação do DNA - Hipótese dispersiva, em que as moléculas de DNA são formadas a partir de alguns nucleótidos da molécula-mãe e de outros nucleótidos novos. Fig 8: Hipótese dispersiva da replicação do DNA 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. Fig 9: Forquilha de replicação evidenciando os fragmentos de Okasaki A natureza antiparalela do DNA fornece dificuldade à replicação simultânea dos dois moldes expostos pela forquilha de replicação. 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). 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 . 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. Trancrição: 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. Fig 10: Modelo de replicação do DNA 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. 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. 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. Fig 11: Maturação RNAm 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. 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. 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. 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. Tradução: 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. 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. 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 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). Fig 12: Estrutura de um ribossoma Este processo compreende três etapas fundamentais: - 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. Fig 13: Ligação do RNAt iniciador ao ribossoma - 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. - 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. Fig 14 : Libertação do polipéptido durante a tradução Conclusão: 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. 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. 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. Além das DNA-polimerases, diversas outras proteínas actuam coordenando e facilitando o processo de replicação. 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. 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. Índice: Introdução---------------------------------------------------------------------- 1 Estrutura dos ácidos nucleicos----------------------------------------------- 2 Estrutura do DNA------------------------------------------------------------- 3 Estrutura do RNA------------------------------------------------------------- 4 Replicação do DNA----------------------------------------------------------- 5 ----------------------------------------------------------------------------------- 6 Transcrição--------------------------------------------------------------------- 7 Tradução------------------------------------------------------------------------ 8 Etapas da tradução------------------------------------------------------------- 9 Conclusão---------------------------------------------------------------------- 10 ----------------------------------------------------------------------------------- 11 Bibliografia-------------------------------------------------------------------- 12 Bibliografia: - Watson, James D., Baker, Tania A., Bell Stephen P., Gann, Alexander ( 2006). Biologia molecular do gene. 5ª edição, Artmed Editor. - Stansfield, William D., Colomé, Jaime S., Cano, Raúl J., (1998). Biologia molecular e celular. Mc Graw Hill. - Murray, Robert K., Granner, Daryl K., Rodwell, Victor W.(2007). Harper, bioquímica ilustrada. 27ª edição, Mc Graw Hill

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