Estrutura e Função deÁcidos Nucléicos

Prof Karine P. Naidek

Novembro/2016

UNIVERSIDADE DO ESTADO DE SANTA CATARINA CENTRO DE CIÊNCIAS TECNOLÓGICAS

DEPARTAMENTO DE QUÍMICA – DQMCBIOQUÍMICA – BIO0001

Os Ácidos Nucléicos

Os ácidos nucléicos são substâncias químicas envolvidas na transmissão de caracteres hereditários e na produção de

proteínas. Estão em todas as células.

DNA – ácido desoxirribonucleico:armazenador da informaçãogenética na maioria dos seresvivos.

RNA – ácido ribonucleico: armazenador dainformação genética em alguns vírus,importante na transmissão da informação

O Dogma da Biologia Molecular

DNA RNA Proteínas

Transcrição Reversa

Transcrição Tradução

Replicação Replicação do RNA

Tradução direta a partir do DNA para proteína

Geral Especial Especial (tubo de ensaio)

Nucleotídeos

São os blocos construtores dos ácidos nucleicos (DNA e RNA).

São formados por uma base nitrogenada, um grupo fosfato euma pentose (desoxirribose (DNA) e ribose (RNA)).

Fosfato

Pentose

Base Nitrogenada

Pentose

A pentose liga-se ao grupo fosfato pelo carbono 5 (C5’) e a basenitrogenada pelo carbono 1 (C1’).

A presença de um grupo OH ligado ao carbono 2 (C2’) ( D-ribose) ou não(2’- desoxi-D-ribose) diferencia as pentoses.

Os nomes dos nucleotídeos e dos ácidos nucléicos correlatos derivam dotipo de pentose: ribose ou desoxirribose.

A D-ribose está presente nos ribonucleotídeos, ou seja, no RNA, enquantoa 2’-desoxi-D-ribose está presente nos desoxirribonucleotídeos, ou seja,no DNA.

Bases Nitrogenadas

Bases Nitrogenadas

Os anéis são essencialmenteplanos possibilitando oempilhamento.

O nitrogênio confere umcaráter básico fraco ao anelaromático – molécula semcarga em pH fisiológico. Emvalores de pH extremospodem se apresentarcarregadas – perturba oarranjo estrutural dasmoléculas.

Bases Nitrogenadas

As bases purínicas, adenina (A) e guanina (G), ligam-se ao carbono C1’ dapentose através de uma ligação N-glicosídica envolvendo a posição 9 (N9).Elas diferem entre si com relação aos grupamentos ligados aos átomos daestrutura central da purina. Adenina e guanina são encontradas tanto noDNA como no RNA.

As bases pirimidínicas, citosina (C), timina (T) e uracila (U), ligam-se aocarbono C1’ da pentose através de uma ligação N-glicosídica envolvendo aposição 1 (N1). As diferenças entre elas também recaem nos grupamentosligados aos átomos da estrutura central da pirimidina. A citosina estápresente tanto no DNA como no RNA. Porém a timina está presentepreferencialmente no DNA; a uracila, somente no RNA.

Grupamento Fosfato

O caráter ácido dos nucleotídeos é devido à presença de resíduosde fosfato derivados do ácido fosfórico – H3PO4, que se dissociamem pH intracelular, liberando íons hidrogênio (H+) e deixando ofosfato carregado negativamente. Como essas cargas negativasatraem proteínas, a maioria dos ácidos nucléicos nas células estáassociada com proteínas.

Nucleosídeos

Os nucleosídeos são constituídos apenas da base nitrogenada ligada ao carbono C1’ da pentose através de ligação N-glicosídica.

Nomenclatura dos Nucleotídeos eNucleosídeos

A primeira característica a ser observada é o tipo de base presente, pois anomenclatura desses dois grupos de compostos deriva do nome da basenitrogenada. Em seguida, o tipo de açúcar – ribose ou desoxirribose – tambémé importante para a denominação desses compostos, pois, se a desoxirriboseestiver presente, o nome da molécula deve receber o prefixo desoxi-. Por fim,a presença ou ausência do fosfato é fundamental para a nomenclatura. Se nãohouver fosfato, a molécula é um nucleosídeo, e recebe o sufixo - osina (se foruma base derivada de purina) ou -idina (se a base for derivada de pirimidina).Caso o fosfato esteja presente, a molécula é um nucleotídeo e então recebe omesmo nome do nucleosídeo correspondente, acrescido de 5’- (carbono dapentose ao qual o fosfato está ligado), seguido dos prefixos mono, di ou tri, serespectivamente um, dois ou três grupamentos fosfatos estiverem presentes,além da palavra fosfato. O nome do nucleotídeo que apresenta o fosfatoligado ao C3’ da pentose segue a mesma regra, substituindo o 5’ por 3’ antesda palavra fosfato.

Nomenclatura dos Nucleotídeos eNucleosídeos

Nucleotídeos (DNA)

Nucleotídeos (RNA)

Importância dos Nucleotídeos

Unidades monoméricas constituintes dos ácidos nucléicos.

ATP é reconhecido como a molécula armazenadora de energia,sendo formado por reações que são direcionadas pela liberaçãode energia do metabolismo oxidativo dos alimentos.

Os mono- e dinucleotídeos AMP e ADP também são importantesintermediários energéticos no metabolismo.

Alguns nucleotídeos são componentes de nicotinamida adeninadinucleotídeos, NAD+ (oxidada) e NADH (reduzida), e de flavinamono- e dinucleotídeos, FMN (oxidada) e FAD (reduzida),respectivamente. Esses compostos existem nas formas oxidada ereduzida, o que os torna cofatores importantes para as reaçõesde oxirredução catalisadas enzimaticamente.

Ácidos Nucleicos

Os ácidos nucléicos são polímeros lineares de nucleotídeos ligados entre si porligação do tipo fosfodiéster formada entre o fosfato do carbono C5’ de umnucleotídeo e o grupo hidroxila do carbono C3’ da pentose do nucleotídeoadjacente.

Ácidos Nucleicos

Propriedades Químicas dos Ácidos Nucléicos

Os nucleotídeos e outros componentes celulares contendo basespurínicas ou pirimidínicas podem ser facilmente detectados porabsorverem luz ultravioleta (UV).

As bases nitrogenadas são pouco solúveis em água em pH 7,0.

Interações entre os anéis cíclicos levam a um empilhamento dasbases em uma conformação planar.

O empilhamento das bases é mantido por interações eletrônicas(forças de van der Waals, dipolo-dipolo) → reduz o contato com aágua e o espaço entre as bases → estabilização da estruturatridimensional dos ácidos nucléicos.

Propriedades Químicas dos Ácidos Nucléicos

Formas tautoméricas das bases nitrogenadas

Estrutura do DNA - Histórico

O bioquímico alemão Johann Friedrich Miescher (1844 - 1895) descobriu oDNA em 1869.

Analisando os núcleos, Miescher descobriu a presença de um componentede natureza ácida, rico em fósforo e em nitrogênio, desconhecido até omomento. Esse componente era resistente à ação da pepsina (enzimaproteolítica), o que descartava a possibilidade de tratar-se de umaproteína.

Miescher batizou o composto com o nome de nucleína.

Phoebus Levine (1869 - 1940) e Walter Jacobs (1883 - 1967) concluíram,em 1912, que o componente básico dos ácidos nucléicos era umaestrutura composta por uma unidade que se constituía de uma basenitrogenada ligada a uma pentose que, por sua vez, estava ligada a umfosfato. Esta unidade é o nucleotídeo.

Estrutura do DNA - Histórico

”Como uma molécula com tão poucos componentes desempenha

as funções de uma molécula hereditária?”

Essa questão começou a ser respondida com a elucidação da

estrutura do DNA, por James Watson e Francis Crick. A descoberta

foi conhecida pelo mundo no dia 25 de abril de 1953, ao ser

publicada na revista Nature. A partir daí, esses dois cientistas e sua

descoberta entraram para a história da humanidade, valendo-lhes o

Prêmio Nobel de Medicina em 1962. As conclusões de Watson e

Crick basearam-se nas contribuições dadas por dois cientistas:

Erwin Chargaff (1905 – 2002) e Rosalind Franklin (1920 –1958).

Estrutura do DNA

Chargaff e sua equipe concluíram que:

i) a composição de bases nitrogenadas do DNA variava de uma espécie pra

outra, mantendo-se constante dentro da mesma espécie;

ii) no DNA de qualquer espécie, a porcentagem de timina era sempre igual

à da adenina, e a da citosina era igual à da base guanina.

Enquanto alguns grupos se dedicavam à análise química do DNA, outros

estudavam a estrutura da molécula por meio da difração de raios-X.

Watson e Crick identificaram a estrutura em dupla hélice do DNA depois

de analisar uma imagem da molécula de DNA obtida por difração de raios-

X, por Rosalind Franklin.

Estrutura do DNA - Histórico

DNA – Aspectos funcionais e estruturais

As cadeias de DNA são ditas “complementares”, pois a basepresente em uma das cadeias determina a base presente naoutra cadeia. Observe que a base C está em frente à base G, aA em frente à T, a G em frente à C e a T em frente à A. Essearranjo dá a ideia de complementaridade e está de acordocom a regra de Chargaff: A = T e C = G. Além disso, essacomplementaridade de bases assegura a formação de umaduplicata exata da informação genética parental quando oDNA é replicado.

Forças que estabilizam a dupla hélice do DNA

O contato íntimo entre os pares de bases, que estão posicionadosem um plano quase perpendicular ao eixo da dupla hélice, éfavorecido por interações fracas. Os pares de bases se posicionamno interior da dupla hélice, ficando, portanto, protegidos da água.

Em contrapartida, o suporte açúcar-fosfato, carregadoeletricamente e hidrofílico, localiza-se no exterior, em contatodireto com a água. A estabilidade da estrutura helicoidal édiminuída pela repulsão entre os grupos fosfatos dos filamentos.Por isso, eles devem ser mantidos afastados o máximo possível umdo outro para reduzir a repulsão eletrostática. Essa repulsãotambém é neutralizada pela presença de íons positivos, como porexemplo Mg2+, poliaminas e polipeptídeos com cadeias lateraiscarregadas positivamente.

Forças que estabilizam a dupla hélice do DNA

A disposição planar dos átomos dos anéis das bases nitrogenadaspermite o “empilhamento das bases”. Além disso, as bases sãohidrofóbicas e praticamente insolúveis em água no pH intracelular.Entretanto, em valores de pH ácidos ou básicos, as bases se tornamcarregadas e sua solubilidade em água aumenta.

As interações hidrofóbicas existentes entre duas ou mais bases, emque os planos de seus anéis ficam paralelos, constituem uma dasinterações importantes entre as bases dos ácidos nucléicos. Oempilhamento das bases também envolve uma combinação deinterações dos tipos Van der Waals e dipolo-dipolo. Oempilhamento de bases contribui para minimizar o contato dasbases com água e que as forças de empilhamento estabilizam adupla hélice quase tanto quanto as pontes de hidrogênio.

Outras estruturas do DNA

O modelo de estrutura do DNA proposto por Watson e Crickcorresponde à “forma B do DNA”, ou simplesmente “DNA B”.

As variações estruturais no DNA são resultados de:

diferentes conformações assumidas pela desoxirribose;

rotação ao redor das ligações contíguas que formam osuporte açúcar-fosfato; e

rotação ao redor da ligação C1’-N-glicosídica.

Outras estruturas do DNA

Forma B (DNA-B)-Forma mais estável(padrão)-Predominante no DNAcromossômico-10,5 bases por volta

Outras estruturas do DNA

Forma A (DNA-A)-Variante da forma B →pela redução da umidade relativa em 75%-11 pares de bases por volta -Predominante em híbridos DNA-RNA ou RNA-RNA (dupla fita)

Outras estruturas do DNA

Forma Z (DNA-Z)-Rotação para a esquerda-12 pares de base porvolta-Devido à sequenciasrepetidas C e G-Suspeita-se que éimportante para aregulação da expressãogênica e recombinação

Desnaturação e Renaturação

Propriedades químicas da fita de DNA

A Separação das fitas de DNA ocorre peladestruição das ligações de hidrogênio se:

• O pH de uma solução de DNA foralterado

• A solução for aquecida (temperaturade fusão)

• Desnaturação: perda da estruturahelicoidal do DNA

• Renaturação: refazer a dupla hélicecom as fitas complementares de DNA.

Propriedades químicas da fita de DNA

Alterações na estrutura dos nucleotídeos do DNA

As bases nitrogenadas do DNA podem sofrer metilação.

- Reconhecimento do próprioDNA em comparação com DNAexógeno não metilado.- Mecanismo de defesa:importante no reparo do DNAem caso de erro na replicação

Alterações na estrutura dos nucleotídeos do DNA

As bases podem sofrer desaminação → mutação

Alterações na estrutura dos nucleotídeos do DNA

As bases podem sofrer alteração por radiação