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ÁÁcidos NNucleicos I. 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 é extremamente semelhante. Seja numa bactéria ou num mamífero, as palavras do código genético são as mesmas variando apenas a sequência, a disposição, em cada organismo. Os ácidos nucleicos (moléculas mestras) controlam os processos vitais básicos em todos os organismos, desde os mais inferiores, que são os vírus, até o homem, que é o ser mais complexo.

2. TIPOS DE ÁCIDOS NUCLEICOS

a) 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 nucleotídeos ou nucleótides.

Vejamos a estrutura do nucleotídeo. 4. ESTRUTURA DO NUCLEOTÍDEO

Cada nucleotídeo é constituído de: 4. 1. Um ácido fosfórico – H3PO4

4.2. Um açúcar de 5 átomos de carbono, que pode ser: ribose ou desoxirribose – C5H10O5

4.3. Uma base orgânica nitrogenada, que pode ser: base púrica ou base pirimídica.

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As bases púricas derivam da substância purina, em cuja estrutura encontram dois anéis de carbono e nitrogênio e as pirimídicas derivam da pirimidina, onde se encontra um anel simples de carbono 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 seus

componentes através de símbolos.

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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

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6. ESTRUTURA DO DNA

Cada molécula de DNA é constituída por 2

filamentos de nucleotídeos que se ligam através das bases nitrogenadas, por fracas ligações químicas: pontes de hidrogênio. A combinação das bases sempre é feita por pares de bases complementares na dupla hélice de DNA. As formas e a estrutura química das bases permitem que se formem pontes de hidrogênio eficientemente apenas entre A e T e entre G e C, onde os átomos que são capazes de formar pontes de hidrogênio podem-se colocar próximo sem perturbar a dupla hélice. Duas pontes de hidrogênio são formadas entre A e T, enquanto que três são formadas entre G e C. As bases podem parear dessa forma apenas se as duas cadeias polinucleotídicas que as contêm forem antiparalelas uma em relação à outra. 7. O MODELO DE WATSON E CRICK

Segundo Watson e Crick, os dois filamentos da molécula enrolam-se um sobre o outro com duas cordas, formando uma dupla hélice.

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DNA e seus blocos de construção. O DNA é feito de quatro tipos de nucleotídeos, os quais são covalentemente ligados formando cadeias polinucleotídicas, com um esqueleto fosfato-açúcar a partir do qual as bases (A, C, G e T) se estendem.

Uma molécula de DNA é composta de duas cadeias polinucleotídicas (fitas de DNA) mantidas juntas por pontes de hidrogênio entre as bases pareadas. As setas nas fitas de DNA indicam as polaridades das duas filas, que correm antiparalelas uma em relação a outra na molécula de DNA. No diagrama abaixo e à esquerda da figura, o DNA está mostrado de forma plana; na realidade, ele gira em uma 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 fenda

menor. (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 polaridade química; isto é, suas duas extremidades são quimicamente diferentes. A extremidade 3' carrega um grupo 3' OH livre ligado à posição 3' do anel do açúcar; a extremidade 5' carrega um grupo fosfato livre à posição 5' do anel do açúcar.

8. ESTRUTURA DO RNA

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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; é

uma ligação química covalente.

9. QUADRO COMPARATIVO DNA X RNA

CARACTERÍSTICAS DNA RNA Estrutura: Cadeia dupla Cadeia simples Tipos de pentose: Desoxirribose Ribose Bases nitrogenadas: A, G, C, T A, G, C, U Localização: Principalmente no núcleo Principalmente no citoplasma Peso molecular: Mais alto Mais baixo Ocorrência: Em todos os seres vivos e na

maioria dos vírus. Em todos os seres vivos e em alguns vírus

Papel biológico: Transmissão dos caracteres hereditários.

Síntese proteica.

10. REPLICAÇÃO DO DNA

CONCEITO

É BOM SABER A molécula de DNA tem duas

propriedades principais:

Replicação e Transcrição

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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 do número de moléculas de DNA na célula é a DIVISÃO CELULAR, portanto, a autoduplicação é o processo molecular que garante a herdabilidade da informação genética e conseqüente manutenção do padrão genético das espécies.

O PROCESSO DE REPLICAÇÃO

Replicação da molécula de DNA de acordo com o modelo de Walson e Crick. Os filamentos separam-se através da abertura das pontes de hidrogênio dos pares de bases. Cada um dos filamentos originais funciona como um molde ao longo do qual um novo filamento complementar se forma, incorporando os nucleotídeos disponíveis na célula. Pesquisas posteriores resultaram em modificações de alguns detalhes deste processo, conforme explicado sumariamente no texto, permanecendo o princípio geral, porém, inalterado.

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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 como molde. 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. Os fragmentos de Okazaki são unidos pela ligase. Enzimas denominadas topoisomerases evitam o emaranhamento do DNA durante a replicação, enquanto os filamentos separados da forquilha de replicação são estabilizados por proteínas específicas de cadeia simples. PASSO 1:

Enzimas iniciadoras denominadas HELICASE e TOPOISOMERASE (ou GIRASE), abrem forquilhas na molécula em pontos especiais denominados REPLICONS. A helicase rompe as pontes de H enquanto a topoisomerase deselicoidiza a molécula. PASSO 2:

A enzima Polimerase 1 polimeriza novos desoxirribonucleotídeos em ambos os filamentos 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 originando fragmentos denominados “fragmentos de OKAZAKI”, que posteriormente são ligados entre si pela enzima 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 próprios erros evitando as MUTAÇÕES.

Interessante: A polimerase comete um erro a cada 107 pares de bases polimerizados. É uma freqüência 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. TRANSCRIÇÃO

CONCEITO 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 uma função no processo: o RNAm é o coordenador, o RNAt transporta os aminoácidos e o RNAr constrói subunidades ribossomais. A transcrição, portanto é um sinal de que a célula vai sintetizar proteínas.

O PROCESSO DE TRANSCRIÇÃO

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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 que serve 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 molécula ÉXONS e ÍNTRONS. Os primeiros são sequências nucleotídicas que originam polipeptídeos ou proteínas funcionais enquanto os últimos originam proteínas não funcionais. Antes de passar ao citoplasma, 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 Transcriptase reversa, 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: RNA ribossômico (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

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ribossomos associam-se a outro tipo de RNA, denominado mensageiro (RNAm), formam os políssemos ou 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 da síntese de proteínas, associado aos ribossomos. O RNAm é formado por um filamento simples que contém várias sequências de três bases. Cada conjunto de três bases é chamada de códon e codifica apenas um determinado aminoácido específico. Entretanto, pode ocorrer a existência de mais de um códon 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 seguinte

sequência 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. Neste exemplo, a proteína será constituída pelos seguintes aminoácidos: lisina, arginina, fenilalanina e leucina.

12.3. RNA TRANSPORTADOR (RNAt):

O RNAt é o menor RNA da célula, sendo formado por pequenas cadeias de 75 a 100 nucleotídeos. Uma característica importante do RNAt é a sua capacidade de se combinar, de modo reversível, 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 comumente encontradas nos outros RNAs.

Cada RNAt é capaz de reconhecer um determinado aminoácido e um determinado códon, no RNAm.

Todo RNAt tem um filamento livre de sua molécula composta pela seguinte sequência de bases nitrogenadas: CCA. É nesse local que ocorre a associação com o aminoácido. Em outra parte da molécula existe uma sequência de três bases denominadas anticódon que reconhece a posição do aminoácido do RNAm, unindo o seu anticódon ao códon do RNAm.

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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 de como produzir todas as partes de um novo ser vivo. Essa capacidade do DNA é exercida através do controle 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 de moléculas proteínas, as quais irão determinar o funcionamento, o tamanho, a forma e a estrutura das células.

Pode-se dizer, sem risco de engano, que as características de um indivíduo resultam das proteínas que formam o seu corpo. Uma vez que o DNA controla a fabricação dessas proteínas, ela acaba 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 pequenas unidades.

Nos três casos, a sequência destas unidades tem uma importância fundamental. É fácil então aceitar que haja uma relação entre estas sequências. De fato, a sequência de bases do DNA condiciona a sequência de aminoácidos da proteína.

Como já foi dito antes, na codificação genética, cada trinca de nucleotídeos do DNA corresponde a um aminoácido na proteína codificada no gene.

Um simples cálculo matemático nos permite concluir que podem existir 64 trincas diferentes de nucleotídeos. 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 então aceitar que haja uma relação entre estas sequências. De fato, a sequência de bases do DNA condiciona a sequência de aminoácidos da proteína.

Como já foi dito antes, na codificação genética, cada trinca de nucleotídeos do DNA corresponde a um aminoácido na proteína codificada no gene.

Um simples cálculo matemático nos permite concluir que podem existir 64 trincas diferentes de nucleotídeos. A combinação de quatro elementos (A, G, T, C), três a três, fornece 64 trincas diferentes.

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Código genético universal: constituído de 64 trincas diferentes (códons e seus aminoácidos correspondentes).

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 parada que 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 aminoácido trazido 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 necessidade de 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 RNAm dirige-se para o citoplasma, ligando-se ao ribossomo, onde penetra através do sítio A. O aminoácido que chega ao ribossomo deve ser reconhecido pelo códon do RNAm e só será incorporado à proteína que 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 os aminoácidoslisina, arginina, fenilalanina e leucina, em sequência.

Sobre um mesmo RNAm podem se deslocar vários ribossomos, que mantêm entre si uma determinada distância.

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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, é

chamada tradução. Podem ocorrer, entretanto, erros na codificação de uma proteína. Durante a duplicação de uma molécula de DNA, pode ocorrer uma substituição incorreta de uma

base nitrogenada. Neste caso, o códon produzido será outro, o que pode provocar alteração na proteína em virtude

da substituição do aminoácido. A alteração de uma base, no entanto, nem sempre provoca a substituição do aminoácido, pois um

aminoácido pode apresentar um ou mais códons. Essas modificações acidentais do material genético são chamadas mutações gênicas e podem

provocar alterações nas características do organismo. Elas são, entretanto, raras.

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EXPRESSÃO GÊNICA DOS PROCARIONTES

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