Bioquímica- Aula 07- Ácidos nucleicos e nucleotídeos ( completo)

Características Gerais dos nucleotídeos

• Moedas energéticas nas transações metabólicas; 
• Componentes estruturais de uma coleção de co-fatores enzimáticos e intermediários metabólicos; 
• Constituintes dos ácidos nucléicos: desoxirribonucléico e ribonucléico. 

Constituição Química dos nucleotídeos e ácidos nucléicos. 

(1) Os nucleotídeos

Os nucleotídeos são formados por três componentes característicos: bases nitrogenadas, um grupo pentose e um fosfato. Além do seu papel como subunidades dos ácidos nucléicos, os nucleotídeos possuem uma variedade de outras funções em cada célula: como transportadores de energia, componentes de co-fatores enzimáticos e mensageiros químicos. 

a) As bases nitrogenadas: As bases nitrogenadas são derivadas de dois compostos parentais, pirimidina e purina. Tanto as bases como as pentoses são compostos heterocíclico. As bases unem-se covalentemente por meio de uma ligação N-B- Glicosídica, ao carbono -1’ da pentose. Existem 5 tipos de bases nitrogenadas: Adenina(A), guanina (G), Citosina (C), Timina (T) e Uracila (U). Figura (1); 

Estrutura dos nucleotídeos. (a) Estrutura geral mostrando a convenção da numeração para o anel de pentose. As bases nitrogenadas são agrupadas de acordo com seus compostos parentais como mostra a figura (2)

As principais bases purínicas e pirimidínicas dos ácidos nucleicos. Alguns dos nomes comuns destas bases refletem as circunstâncias de sua descoberta. A guanina, por exemplo, foi isolada primeiramente do guano( esterco de pássaro), e a timina, isolada do tecido do timo.

Exemplos de desoxiribonucleotídeos contendo bases nitrogenadas diferentes das bases púricas e pirimidinas. 

Exemplos de ribonucleotídeos contendo bases nitrogenadas diferentes das bases púricas e pirimidinas. 

Os nucleotídeos podem ser então nomeados da seguinte maneira

Tópico Especial: As propriedades das bases dos nucleotídeos afetam a estrutura tridimensional dos ácidos nucleicos.

As purinas e pirimidinas livres são compostos fracamente básicos. Elas possuem uma variedade de propriedades químicas que afetam a estrutura e a função dos ácidos nucleicos. Umas destas propriedades das bases presentes no DNA e RNA são: a distribuição eletrônica e a capacidade de absorção da luz, propriedades está que possibilitam o estudo destas moléculas na estrutura. Percebeu que as pirimidinas são moléculas planas enquanto as purinas quase planas. As purinas e pirimidinas são hidrofóbicas e relativamente insolúveis em água e pH próximo à neutralidade da célula. Ao modificar o pH do meio, a solubilidade tente aumentar ou diminuir. A partir do estudo de solubilidade percebeu que algumas bases complementavam outras através de interações de pontes de Hidrogênio. Esta associação permitiu então perceber que as fita eram ligadas pelas pontes das suas bases complementares. Watson e Crick definiramatravés de estudo um padrão mais detalhado das ligações das bases através das pontes. Percebeu que A se liga especificamente a T ( ou U) e G a C.

b) As pentoses: Os ácidos nucléicos possuem duas espécies de pentoses. As unidades recorrentes 2’ –desoxi –D-ribose e  presentes no DNA (Desoxiriribonucleotídicas) e as unidades D-riboses presentes no RNA ( Ribonucleotídeos). Ambos os tipos de pentoses estão na sua forma beta- furanosídica. 

c) O grupo fosfato: O grupo fosfato liga covalentemente os nucleotídeos tanto do DNA como RNA. As ligações fosfodiésteres possuem a mesma orientação ao longo da cadeia, conferindo a cada fita linear do ácido nucléico uma polaridade especifica e destinta nas extremidades 5’ e 3’. Por conversão, a estrutura de uma fita simples de ácido nucléico é sempre escrita com a extremidade 5’ na esquerda a extremidade 3’ na direita. Ácidos nucléicos com uma quantidade abaixo de 50 nucleotideos é classificado como oligonucleotideos. Acima deste valor denomina-se polinucleotideo. 

 Figura 3. Ligação fosfodiéstes entre os nucleotídeos dos ácidos nucléicos DNA e RNA.

(2) Os ácidos nucléicos

A descoberta da estrutura do DNA por Watson e Crick, em 1953, foi um evento momentoso na ciência, um evento que originou disciplinas inteiramente novas e influenciou cursos de muitas áreas. A estrutura dos ácidos nucléicos é descrita através de uma ordem hierárquica para facilitar o entendimento. Esta ordem pode ser entendida como: primária - sendo representada pela sua estrutura covalente e sequencia de nucleotídeos-  secundaria - estrutura regular, estável, adotada por alguns ou todos os nucleotídeos de um acido nucléico e terciária como o enovelamento complexo dos cromossomos grandes dentro da cromatina eucariótica. 

A Química do Ácido nucléico

Para compreender como os ácidos nucléicos funcionam precisamos entender suas propriedades químicas bem como as suas estruturas. O DNA funciona bem como reservatório da informação genética, em parte por causa da sua inerente estabilidade. As transformações químicas que ocorrem são geralmente muito lentas na ausência de um catalisado enzimático. O armazenamento da informação por longos períodos sem alterações é tão importante para uma célula, que mesmos reações muito lentas que alteram a estrutura do DNA podem ser fisiologicamente significantes. Processos como carcinogenese e envelhecimento podem estar intimamente ligados ao lento acúmulo de alterações irreversíveis do DNA. Neste tópico irei tratar os ácidos nucléicos com um olhar químico destrinçando suas propriedades químicas.

1 PROPRIEDADE:Os ácidos nucléicos podem sofrer desnaturação parcial. Altas temperaturas e pH extremos desnaturam a molécula dos ácidos nucléicos. A desnaturação acontece por causa da ruptura das pontes de hidrogênios entre as bases pareadas e do empilhamento de bases. Essa desnaturação induz a formação de duas fitas simples complementares. A renaturação irá acontecer quando as condições de pH e calor retornarem ao nível adequado necessário para o organismo. Ela pode acontecer de duas formas: Rápida: quando as duas fitas desnaturam mais não são separadas por completas, ou lento, quando as duas fitas estão completamente separadas.

  

Cada espécie de DNA possuem uma temperatura de desnaturação característico ou ponto de fusão (Lm):

Quanto maior o seu conteúdo de pares de bases G,C maior o ponto de fusão do DNA. Isso porque os pares de bases GC apresentam três pontes de hidrogênio, são mais estáveis e requerem mais energia calorífica para dissociar do que os pares de base AT. Essa diferença entre a energia necessária para romper às ligações triplas da ligação GC e  as ligações duplas AT geram a formação de bolhas na fita. Este fato acontece em regiões ricas em pares de AT, que irão desnatura, enquanto a maioria do restante do DNA permanecerá com fita dupla.

Dúples de duas fitas de RNA, ou com uma fita de RNA e uma fita de DNA, também podem ser desnaturados. 

2 PROPRIEDADE:A propriedade de absorção da Luz UV

A absorção da luz UV irá depender do estado estrutural que se encontra a molécula dos ácidos nucleicos. A absorção será menor nos ácidos nos ácidos nucléicos complementares são pareados, maiores nos ácidos desnaturados e muito maiores em nucleotídeos livres, em concentrações definidas e fixas. 

3 PROPRIEDADE:Ácidos nucléicos de diferentes espécies podem formar híbridos.

Essa propriedade é usada para detectar sequências de DNA semelhantes, em duas espécies diferentes ou dentro do genoma de uma única espécie. Um exemplo deste seqüenciamento complementar é a formação de DNA hibrido entre o DNA desnaturado de células humanas e células de camundongos. Isso reflete o fato de que diferentes organismos possuem uma herança evolucionária comum.

4 PROPRIEDADE: Ácidos nucléicos sofrem transformações não-enzimáticas.

Essas transformações, às vezes muito lentas podem tornar o dano irreversível, desta forma falamos em mutação. Logo, a mudança nas propriedades químicas dos nucleotídeos, seja por mudança de base, seja por substituição de um grupo químico pode acarretar em sérios problemas para o funcionamento do DNA. As mutações são reguladas por mecanismos de reparo encontrados na própria célula. O DNA pode ser danificado por vários fatores: Radioativo, reagentes químicos, 

5 PROPRIEDADE:Algumas bases de DNA são metiladas.

Certas bases nucleotídicas nas moléculas do DNA são enzimaticamente metiladas. A adenina e a citosina são metiladas mais frequentemente que a guanina e a timina. A metilação é geralmente confinada a certas sequencias ou regiões de uma molécula de DNA. Todas as metilases do DNA usam a S-adenosilmetionina como grupo doador de metila.

6 PROPRIEDADE:Os ácidos nucléicos podem sofrer desnaturação

Uma breve história da descoberta do DNA.

A investigação bioquímica do DNA começou com Friedrich Miescher, que realizou os primeiros estudos químicos sistemáticos do núcleo da célula. Isolou e determinou uma substancia contendo fósforo, que denominou de nucleina. A primeira evidência direta de que o DNA é o possuidor da informação genética apareceu, em 1944, por meio de uma descoberta feita por Avery, Colin, MacCarty. Esses pesquisadores descobriram que o DNA extraído da cepa virulenta transportava a mensagem geneticamente herdável da virulência. Um segundo experimento importante forneceu a evidência independente de que o DNA transportava a informação genética. Em 1952, Hershey e Chase usaram o rastreamento com o fósforo radioativo P32 e o enxofre radioativo  S38 para mostrar que, quando o vírus bacteriano (Bacteriófago T2) infecta sua célula hospedeira, a Escherichia coli, é o fósforo contido no DNA da partícula viral e não o enxofre contido na proteína da cepa vira, que entra na célula hospedeira e fornece a informação genética para a replicação viral. Esses importantes experimentos iniciais e muitas outras linhas de evidência mostraram que o DNA é definitivamente o componente cromossômico que possui a informação genética das células vivas.

Características que permitira elucidar o modelo estrutural do DNA 

As bases do DNA: A descoberta de Chargaff

As quatros bases nucleotídicas do DNA ocorrem em proporções variadas nos diferentes organismos, logo percebeu através de estudos que a composição de bases do DNA geralmente varia de uma espécie para outra, que o DNA possuem a mesma composição de base nos diferentes tecidos de uma mesma espécie, e o mais importante de todos que, independente da espécie, o número de resíduos de adenosina é igual ao número de resísudos de timidina, e o número de resíduos de guanosina é igual ao número de resíduo de citidina.Logo podemos chegar a uma dada conclusão, regra conhecida como regras de chargaff

  A + T = G+ C, onde A = T e G= C 

Análises por difração de raios X

Utilizando o método de difração dos raios x para analisar cristais de DNA, percebeu que o DNA produzia um padrão de difração de raios X característicos. Os resultados mais importantes de difração de raios-x sobre a molécula de DNA foram obtidos por Maurice Wilkins e Rosalind Franklin. Os resultados obtidos indicavam que o DNA tinha uma estrutura helicoidal.

 A organização da Dupla Hélice

A partir dos dados obtidos pela difração dos raios X, e equivalências de bases específicas, em 1953, Watson e Crick postularam um modelo tridimensional para a estrutura do DNA que considerava todos os dados disponíveis. O modelo da dupla hélice. Neste modelo os grupos desoxirribose e fosfatos carregados negativamente estão na parte externa da dupla hélice, voltado para a água circundante. As bases purínicas e pirimidincas de ambas as fitas estão empilhadas dentro da dupla hélice. Com suas estruturas hidrofóbicas de anéis quase planos muito próximos e perpendiculares ao longo eixo da hélice. O pareamento das duas fitas cria um sulco principal e um sulco secundário na superfície da fita dupla. As bases então pareadas na parte interna através de pontes de hidrogênios. Essas pontes podem ser triplas C e G ou duplas A e T. Ainda dentro deste modelo, percebeu que as duas cadeias polinucleotídicas desenvolvem-se em sentidos opostos – cadeias antiparalelas -, cada uma iniciando-se uma extremidade 5’ e terminando numa extremidade 3’; e que essas fitas são complementares entre si. A dupla hélice é mantida por duas forças: as pontes de hidrogênio entre os pares de bases complementares e as interações de empilhamento das bases. A estrutura do DNA pode apresentar de três conformações distintas: duas formas de DNA com a hélice girando para a direita, chamadas A-DNA e B-DNA, e uma forma que gira para a esquerda chamada Z-DNA. A diferença entre as duas formas que giram para a direita está na distância necessária para fazer uma volta completa da hélice e no ângulo que as bases fazem com o eixo da hélice.

Características importantes da estrutura da Dupla hélice 

-Variações estruturais dependentes da sequência podem afetar a função e o metabolismo de segmentos de DNA e na sua vizinhança.

-Sequências na fita podem alterar o ângulo de curvatura da fita. Sequencias denominadas de palíndromosapresentam um potencial de dobramento da fita, dando a ela um formato de grampo ou cruciforme.

-Grampo e cruzes. Sequencias palindromicas de DNA ( ou RNA) podem formar estruturas alternativas com pareamento de bases na fita. Quando apenas uma fita de DNA ( ou RNA) for envolvida, ele é chamada de grampo. Quanto ambas as fitas estão envolvidas, a estrutura é chamada de cruz. 

- Podem apresentar pares de bases de Hoogsteen. Este pareamento permite a formação da tripla e quádrupla fita de DNA, chamadas respectivamente de triplex e quadruplex. 

 O RNAs e a codificação da Informação

O RNA é um polímero de nucleotídeos, geralmente em cadeia simples, que pode, por vez, ser dobrado. As moléculas formadas por RNA possuem dimensões muito inferiores às formadas por DNA.O RNA é constituído por uma ribose, por um grupo fosfato e uma base nitrogenada.A composição do RNA é muito semelhante ao do DNA (ácido desoxirribonucleico) contudo apresenta algumas diferenças:

1- O RNA é formado por uma cadeia simples de nucleotídeos, e não uma de dupla hélice como o DNA. Um filamento de RNA pode se dobrar de tal modo que parte de sua próprias bases se pareiam umas com as outras. Tal pareamento intramolecular de bases é um determinante importante da forma do RNA. Assim, formando pontes intracadeia o RNA é capaz de assumir uma variedade muito maior de formas moleculares tridimensionais complexas do que a dupla hélice de DNA 1 .

2- O RNA tem o açúcar ribose em seus nucleotídeos em vez da desoxirribose encontrada no DNA. Como os nomes sugerem, os dois açúcares diferem na presença ou ausência de apenas um átomo de oxigênio. Os grupos de açúcar do RNA contêm um par oxigênio-hidrogênio ligado ao carbono 2', enquanto apenas um átomo de hidrogênio é ligado ao carbono 2' nos grupos de açúcar do DNA.

3-Como um filamento individual de DNA, um filamento de RNA é formado de um arcabouço de açúcar-fosfato com uma base ligada covalentemente na posição 1' de cada ribose. As ligações açúcar-fosfato são feitas nas posições 5' e 3' do açúcar, como no DNA. Assim, uma cadeia de RNA terá uma ponta 5' e uma ponta 3'.

4-Os nucleotídeos de RNA (chamados ribonucleotídeos) contêm as bases adenina (A), guanina (G), citosina (C) e uracila (U), mas esta última pirimidina, está presente em lugar de timina.

5-O RNA, como a proteína mas não como DNA, pode catalisar importantes reações biológicas. As moléculas de RNA que funcionam como proteínas enzimáticas são chamadas de ribozimas.

6-OS RNAs são encontrados tanto no núcleo como no citoplasma.

7-O RNA não possui uma estrutura secundária regular e simples que sirva como um ponto de referencia, como é a duplas hélice do DNA. Interações fracas, desempenham um papel principal na estabilização das estruturas do RNA. 

8-O potencial para estruturas helicoidais pareadas por bases em muitos RNAs é muito grande e os grampos resultantes podem ser considerados o tipo mais comum de estrutura secundária no RNA.